Двухкомпонентный лазерный анемометр Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

vl

00 :л:

:.с Изобретение относится к измерительной технике и может быть испол зёвано для измерения вектора скоро ти двумерного потока жидкости или газа оптическими средствами. Известен двухкомпонентный лазер вый анемометр, содержащий оптическ сопряженные лазер, два расщепителя два устройства сдвига частоты, фок сирующий и собирающий рассеянный назад свет объективы, поворотное зеркало и фотоприемник, а также дв измерителя доплеровской частоты 1 Однако расщепители в известном анемометре выполнены- поляризационными,что влечет за собой применение множества дополнительных поляризационных оптических элементов. Поэтому известный анемометр обладает низким отношением сигнал/шу при работе в рассеянном назад свете. Теоретические исследования диф ференциальной схемы с рассеянием назад на основе теории рассеяния Ми показывают, что величина доплеровского сигнала существенно зав сит от степени поляризационного со ласования смешиваемых волн. Причем коэффициент поляризационного согла сования равен единице только при наблюдении рассеянного излучения в направлении, близком к оптической оси схемы. Поэтому в известной схеме для обеспечения эффективной поляризащйонной селекции оптических сигна лов , исключающей неоднозначность в измерении ортогональных компонент с рости, необходимо принимать рассеян ное излучение в малой угловой апер туре, в пределах которой коэффициент поляризационного согласования равен единице. Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум. Поставленная цель достигается тем,что в двухкомпонентный лазерный анемометр, содержащий оптически сопряженные лазер, два расщепителя, два устройства сдвига частоты, фокусирующий .и собирающий рассеянный назад свет объективы, поворотное зеркало и фотоприемник, а также два измерителя доплеровской частоты, введены оптическая линия задержки и два электрических полосовых фильтра, а первый расщепитель выполнен в виде оптического устройства формирования трех лазерных пучков, лежащих в одной плоскости, при этом входы электрических полосо вых фильтров параллельно соединены с фотоприемниками, а выходы - с измерителями доплеровской частоты, а оптическая линия задержки расположена между первым и вторым расщепителями на пути центрального луча первого расщепителя. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого анемометра. Анемометр содержит лазер 1, излучающий луч 2, призменный расщепитель 3, делящий луч 2 на три параллельных луча 4 - 6, призменный расщепитель 7, делящий луч 5 на два луча 8 и 9 равной интенсивности, два устройства сдвига частоты 10 и 11, подключенные к электронным блокам питания 12 и 13 ,оптическую линию адержки. 14,выполненную,например,из отрезка световода длиной Л , фокусирующего объектива 15, области измерения 16, через которую движутся неоднородности потока, рассеивающие свет 17, собираемый объективом 15, поворотное зеркало 18, объектив 19, фотоприемник 20, два полосовых фильтра 21 и 22 и два измерителя доплероЁских частот 23 и 24. Двухкомпонентный лазерный анемометр работает следующим образом. В качестве источника когерентного измерения в схеме используется лазер 1, для которого известна функция степени временной когерентности (i) . Пучок 2, имеющий интенсивность IQ , делится расщепителем 3 на три параллельных луча, два из которых 4 и б имеют равные по значению интенсивности К1о0,25, а лу 5 - интенсивность Klo 0,5 к - коэффициент потерь). Луч 4 направляется на вход устройства сдвига частоты 10, с помощью которого осуществляется фиксированный сдвиг его частоты на величину f . , Далее два луча 4 и 6, распространяющиеся в горизонтальной плоскости симметрично относительно оптической оси схемы, фокусируются объективом 15 в область измерения двумерного потока 16. Луч 5 проходит оптическую линию задержки 14, с помощью которой предусматривается задержка луча 5 по времени на такую величину Jj , при которой модуль степени временной когерентности 2(t) равен нулю. Затем луч 5 делится расщепителем 7 на два луча 8 и 9 равной интенсивности. Причем луч 8 проходит устройство сдвига частоты 10, в котором смещается по частоте на фиксированную величину f ii . Далее лучи 8 и 9, распространяющиеся в вертикальной Ш10Скости симметрично относительно оси схемы,фокусируются объективом 15 в, область измерения 16. Четыре пучка, пересекаясь в фокусе объектива 15, создают в области измерения интерференци нное поле с горизонтально и вертикально расположенными полосами. Формирование такой структуры интерференционного поля объясняется тем, что лучи 4 и 6, 8 и 9 когерентны, T.ei для них (t) 1, а лучи 4и8,4и9, 6и8, би9 не когерентны, поскольку разность хода для таких лучей равняется L t, и у It) 0.

Рассеянное излучение 17 собирается объективом 15 и после отражения от зеркала 18 направляется лин ЗОЙ 19 на фотоприемник 20. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотодетектора 20 образуется переменная составляющая сигнала.

При этом первая составляющая сигнала, несу1цая информацию о горизонтальной проекции вектора скорости, выделяется полосовым фильтром21, настроенным на частоту S2i- . Вторая составляющая сигнала, несущая информацию о вертикальной проекции вектора скорости, выделяется полосовым фильтром 22, настроенным на частоту Й . Отфильтрованные от помех сигналы- с .выходов полосовых фильтров поступают на входы измерителей доплеровских частот 23 и 24, которые выдают информацию в аналоговом или

цифровом виде о величине и знаке двух ортогональных проекций вектора

скорости + УХ и +Vij .

В предлагаемом измерителе рассеянное излучение собирается в угловой anepTjpe значительно большей, чем в известной схеме, так как в схеме нет ограничений, накладываемых условием обеспечения полной поляризационной, развязки рассеянных волн.

0 Это приводит к увеличению мощности рассеянного излучения, принимаемой фотоприемником, и, следовательно, к повышению отношения сигнал/шум на порядок и более по сравнению е

5 известным. Кроме того, предлагаемое устройство значительно проще по конструкции, в нем используется меньше оптических элементов, что повышает экономические показатели схемы. Схема также проще в юстироЬке и в технической эксплуатации. Экономическая эффективность от внедрения одного образца измерителя, достигается за счет упрощения конструкции и технического обслуживания при ее эксплуатации.

ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ АНЕМОМЕТР, содержащий оптически сопряженные лазер, два расщепителя, два устройства сдвига частоты, фокусирующий и собирающий рассеянный назад свет объективы, поворотное зеркало 9 4 и фотоприемник, а также два измери- i теля доплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения соотношения сигнал/шум, в него введены оптическая линия задержки и два электрических полосовых фильтра, а первый расщепитель выполнен в виде оптического устрой ства формирования трех лазерных пучков, лежащих в одной плоскости, при этом входы электрических полосовых фильтров параллельно соединены с фотоприемниками, а выходы - с измерителями доплеровской частоты, а оптическая линия задержки расположена между первым и вторым расщепитеi лями на пути центрального луча пер.вого расщепителя. (Л