УСТРОЙСТВО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА С ВОЛОКОННЫМ ВВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2025 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.

Известно устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, представленное в материалах заявки на изобретение US 2008/0094608 (публ. 24.04.2008). Устройство может быть выполнено многомодульным. Один измерительный модуль устройства содержит источник лазерного излучения, четыре оптических измерительных канала, каждый из которых включает циркулятор, сумматор, делитель, рефлектор, датчик приема-передачи излучения (коллиматор) и регистрирующую аппаратуру - фотодетектор, при этом сигналы с четырех каналов поступают на один осциллограф. Излучение по оптоволоконному каналу передается от лазера через делитель и циркулятор к датчику. Собранный с движущейся поверхности свет с доплеровским сдвигом передается через циркулятор но оптоволокну к детектору. В качестве опорного излучения используется отражение излучения от рефлектора. Далее, опорное и отраженное излучения складываются с помощью сумматора. Затем посредством интерференции отраженного и опорного лучей, идущих в одном направлении в одном волокне, реализуется амплитудная модуляция результирующего сигнала по изменению фазы, регистрируемая фотодетектором.

Недостатком устройства является то, что при использовании частотного уплотнения измерительных каналов существенно снижается соотношение сигнал/шум. Следствием может являться значительное снижение качества регистрируемых данных, а также их частичная потеря.

В качестве ближайшего аналога заявляемому устройству выбран доплеровский измеритель скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения (патент RU 2657135, публ. 08.06.2018). Доплеровский измеритель скорости по патенту RU 2657135 включает, по крайней мере, один измерительный модуль с источниками лазерного излучения, образующими 8 пар источников опорного и зондирующего сигналов для формирования 64 измерительных каналов с опорными и зондирующими ветвями, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте. В состав измерительного модуля также входят оптические датчики приема-передачи излучения, усилители отраженного излучения, осциллограф с фотодетекторами, элементы пассивной оптики в составе циркуляторов, сумматоров, делителей, обеспечивающих разделение излучения на зондирующее и опорное с соотношением 90% и 10% соответственно, мультиплексоры, волоконные линии задержки, которыми снабжены часть измерительных каналов и через которые выходы мультиплексоров соединены с сумматорами и каналами осциллографа, высокоскоростные волоконные переключатели с генераторами импульсов, которыми снабжены опорные ветви и которые соединены с сумматорами через другой мультиплексор. Формирование источников зондирующих и опорных сигналов происходит при пропуске излучения лазерных источников через делители. Оптическая система доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности, предназначенная для трансляции, распределения и рекомбинации лазерного излучения, включает установленный в непосредственной близости к исследуемому объекту блок с волоконными циркуляторами и расположенное отдельно от этого блока устройство распределения лазерного излучения, представляющее собой отдельный блок, в который входят элементы делитель, мультиплексоры и сумматоры, последние связаны с источниками лазерного излучения через высокоскоростные волоконные переключатели, которые расположены в своем отдельном блоке. Выходы волоконных циркуляторов соединены со входами мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов.

Недостатком ближайшего аналога является то, что получаемые с помощью него данные измерительных каналов, накладываются на опорные линии и друг на друга, не позволяя получить информацию о скорости исследуемого объекта с требуемой точностью. Также данное устройство отличается относительно низкой мощностью опорного излучения (0,25 мВт) и соответственно не достаточно высокими значениями характеристики сигнал/шум получаемых спектрограмм.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности получаемых данных путем полного отсутствия наложения данных на опорные линии и друг на друга путем исключения частотного уплотнения и повышения мощности опорного излучения. Дополнительным техническим результатом является уменьшение используемой высокотехнологичной и дорогостоящей аппаратуры.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающем, по крайней мере, один измерительный модуль с источниками лазерного излучения для образования из них пар и формирования опорных и зондирующих ветвей измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, усилители отраженного излучения, осциллограф с фотодетекторами, элементы пассивной оптики в составе циркуляторов, сумматоров, делителей, обеспечивающих разделение излучения на зондирующее и опорное с соотношением 90% и 10% соответственно, мультиплексоры, волоконные линии задержки, которыми снабжены часть измерительных каналов и через которые выходы одного мультиплексора соединены с сумматорами и каналами осциллографа, высокоскоростные волоконные переключатели с генераторами импульсов, которыми снабжены опорные ветви и которые соединены с сумматорами через другой мультиплексор, новым является то, что зондирующие ветви снабжены высокоскоростными волоконными переключателями с генераторами импульсов, через которые отраженный сигнал от усилителей по волоконной линии задержки передается на мультиплексор, при этом волоконные линии задержки отличаются друг от друга по длине.

Включение в зондирующие ветви высокоскоростных волоконных переключателей дает возможность уплотнить каналы по времени, что исключает наложение данных на опорные линии и друг на друга и позволяет снизить количество источников излучения и другой высокотехнологичной и дорогостоящей аппаратуры.

Передача отраженного сигнала от усилителей по волоконной линии задержки через систему высокоскоростных волоконных переключателей на мультиплексор позволяет уменьшить шумовой сигнал на спектрограммах.

Выполнение волоконных линий задержки разными по длине позволяет разнести сигналы по времени.

На чертеже представлена схема измерительного модуля лазерного оптического гетеродин-интерферометра ЛОГИН, поясняющая заявляемое изобретение, где:

1-8 - источники лазерного излучения; 9-16 - оптические делители 90/10; 17-24 - оптические делители 25/25/25/25; 25 - блок оптических циркуляторов; 26 - объект исследования; 27-34 - оптические усилители; 35, 38 - волоконная бухта 10 км; 36, 39 -волоконная бухта 20 км: 37, 40 - волоконная бухта 30 км; 41 - высокоскоростной волоконный переключатель №1; 42 - высокоскоростной волоконный переключатель №2: 43 - высокоскоростной волоконный переключатель №3; 44 - высокоскоростной волоконный переключатель №4; 45 - высокоскоростной волоконный переключатель №5; 46 - высокоскоростной волоконный переключатель №6, 47 - волоконная бухта 40 км.

48 - высокоскоростной волоконный переключатель №7; 49 - оптический мультиплексор (оптический DWDM фильтр).№1; 50, 51 - оптические делители 25/25/25/25 №9-10; 52 - высокоскоростной волоконный переключатель №8; 53 - оптический мультиплексор (оптический DWDM фильтр) №2; 54-57 - оптические делители 90/10; 58-61 - фотодетекторы, 62 - осциллограф.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить измерительный модуль лазерного оптического гетеродин-интерферометра ЛОГИН, построенный по схеме фиг. ЛОГИН включает восемь волоконных лазера - для формирования зондирующего излучения и опорных сигналов; восемь оптических делителей 90/10 №1-8 - для деления излучения от каждого источника на зондирующую и опорную часть; 32 оптических датчика - для зондирования объекта исследования; восемь оптических делителя 25/25/25/25 №1-8 - для деления излучения от каждого источника на 4 равные части для зондирования объекта исследования: 32 оптических циркуляторов - для отвода зондирующего и отраженного излучения друг от друга; восемь усилителей отраженного излучения №1-8 - для усиления отраженного от объекта исследований излучения; семь волоконных линий задержки различной длины в виде волоконных бухт (длиной 10, 20, 30 и 40 км) - для задержки оптического сигнала; восемь оптических переключателя (высокоскоростные волоконные переключатели №1-8) - для переключения между измерительными каналами; два оптических мультиплексора (фильтр DWDM) ~ для разделения оптического сигнала в зависимости от длины волны; оптические сумматоры 90/10 - для смешивания опорного и отраженного излучения; фотодетекторы - для преобразования оптического сигнала в электрический; осциллограф - для регистрации результирующего сигнала.

Источники излучения соединены через оптические делители с соотношением 90% -зондирующее излучение, 10% - опорное излучение. Плечо делителей со значением 90% соединяется с делителями 25%/25%/25%/25%, которые соединяются с блоком циркуляторов и далее через сумматоры - с восемью усилителями, выход одного из которых соединен с входом высокоскоростного волоконного переключателя, с ним же через волоконную линию задержки соединен выход другого усилителя, выход третьего усилителя соединен через волоконную линию задержки большей длины и другой оптический затвор с входом другого высокоскоростного волоконного переключателя, с которым также соединен через волоконную линию задержки еще большей длины выход четвертого усилителя, причем выходы высокоскоростных волоконных переключателей соединены с входами дополнительного высокоскоростного волоконного переключателя, который соединен с итоговым переключателем; подключение оставшихся усилителей происходит по такой же схеме, но подключение к итоговому переключателю происходит через волоконную бухту задержки, выход с итогового переключателя соединен с оптическим мультиплексором, с которым также соединены через другие сумматоры опорное излучение. Плечо делителя со значением 10% соединяется с сумматорами 25%/25%/25%/25%, которые соединены с входами переключателя, выход которого соединяется с оптическим мультиплексором.

Измерительный модуль ЛОГИН с многократным временным уплотнением сигналов выполнен на следующей элементной базе:

- Источники лазерного излучения - волоконные, с выходной мощностью 2 Вт и отстраиваемой длинной волны

- Оптический циркулятор - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический DWDM фильтр - волоконный, на центральную длину волны λ=1550 нм

- Оптический сумматор 90/10 - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический сумматор 25/25/25/25 - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический усилитель - на длину волны λ = 1550 нм, коэффициент усиления 10 дБ, минимальная входная мощность -40 дБм

- Оптические бухты (длиной 10, 20 и 30 км) - волоконные, на длину волны λ=1550 нм

- Фотодетектор - на длину волны λ=1550 нм с шириной полосы пропускания 20 ГГц

- Осциллограф - с шириной полосы пропускания 20 ГГц и частотой дискретизации 50 ГГц

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от каждого волоконного источника зондирующего излучения 1-8 с помощью оптических делителей 9-16 делится на части 10% (опорная часть) и 90% (зондирующая часть). Зондирующая часть с помощью оптических делителей 17-24 делится на 4 равные части и через блок циркуляторов 25 попадает на исследуемую поверхность 26. Далее отраженное излучение пропускается через оптические усилители 27-34. Затем, оптический сигнал попадает в систему переключателей 41-46.48 и волоконных катушек 35-40, 47. Далее сигнал в DWDM 49 разделяется, в зависимости от длины волны. Система переключателей и линий задержки различной длины вкупе с DWDM-фильтрами отвечает за формирование мультиплексированного сигнала с разделением каналов, в результате обеспечивается многократное временное уплотнение сигналов. Опорная часть лазерного излучения суммируется с помощью оптических делителей 50, 51. Затем, через оптический переключатель 52 и DWDM 53 суммируется с отраженным излучением в пропорции 90% (отраженное излучение) к 10% (опорное излучение) с помощью сумматоров 54-57. Результирующий сигнал поступает на фотодетекторы 58-61, откуда передается на канал регистрации осциллографа 62. Использование заявляемого устройства обеспечивает полное отсутствие наложения данных на опорные линии и друг на друга, значительное повышение качества и точности получаемых данных за счет полного отсутствия частотного уплотнения. Полное отсутствие наложения данных на опорные линии и друг на друга обеспечивается за счет уплотнения измерительных каналов по времени при помощи волоконных бухт.

Отсутствие частотного уплотнения и присутствие временного обеспечивается за счет пропускания оптического сигнала через систему переключателей и волоконных линий задержки, а также разделения с помощью оптического мультиплексора (DWDM) в зависимости от длины волны.

Изобретение относится к области регистрации скорости движущегося объекта. Устройство доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения содержит, по крайней мере, один измерительный модуль с источниками лазерного излучения для образования из них пар и формирования опорных и зондирующих ветвей измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте, и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, усилители отраженного излучения, осциллограф с фотодетекторами, при этом зондирующие ветви снабжены высокоскоростными волоконными переключателями с генераторами импульсов, через которые отраженный сигнал от усилителей по волоконной линии задержки передается на мультиплексор, при этом волоконные линии задержки отличаются друг от друга по длине. Технический результат – повышение точности получаемых данных при регистрации скорости движущегося объекта. 1 ил.

Устройство доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающее, по крайней мере, один измерительный модуль с источниками лазерного излучения для образования из них пар и формирования опорных и зондирующих ветвей измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте, и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, усилители отраженного излучения, осциллограф с фотодетекторами, элементы пассивной оптики в составе циркуляторов, сумматоров, делителей, обеспечивающих разделение излучения на зондирующее и опорное с соотношением 90% и 10% соответственно, мультиплексоры, волоконные линии задержки, которыми снабжены часть измерительных каналов и через которые выходы одного мультиплексора соединены с сумматорами и каналами осциллографа, высокоскоростные волоконные переключатели с генераторами импульсов, которыми снабжены опорные ветви и которые соединены с сумматорами через другой мультиплексор, отличающееся тем, что зондирующие ветви снабжены высокоскоростными волоконными переключателями с генераторами импульсов, через которые отраженный сигнал от усилителей по волоконной линии задержки передается на мультиплексор, при этом волоконные линии задержки отличаются друг от друга по длине.