Инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения локальной скорости потоков жидкости или газа оптическими средствами.

Известна инверсно-дифференциальная схема лазерного доплеровского измерителя скорости, состоящая из лазера, фокусирующего и собирающего объективов ,диафрагмы с двумя отверстиями, светоотражателя, светоделителя, фотоприемника и измерителя доплеровской частоты tl3.

Недостатком схемы является ее низкая чувствительность при малых углах рассеяния, что ограничивает нижний диапазон измеряемых скоростей .

Наиболее близкой к изобретению является инверсно-дифференциальная схема измерителя скорости, содержащая последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, устройство сдвигачастоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейся полуволновой пластинок, фокусирующий и собиракадий объективы, диафрагму с двумя отверстиями, распложенную перпендикулярно оптической оси схемы, поляризационный расщепитель и два фотоприемника, подклюэченных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты 2

Данная схема обладает низким отношением сигнал-шум вследствие того, что на фотоприемники направляются два рассеянных пучка, распространяющихся под углом друг к другу, поэтому только незначительная часть мощности рассеянного пучка участвует в фотосмещении. Следовательно, мощность, принимаемая фотоприемником, определяется не ра.змером двух отверстий .в диафрагме, а размером диафрагмы, установленной перед фотоприемником. Размер этой диафрагмы выбирается равным полупериоду интерференционной картины, создаваемой от пересечения двух рассеянных пучков в области изображения собирающего объектива, причем мощность, принимаемая фотоприемником, тем меньше, чем больший угол рассеяния используется в схеме. Таким образом, в известной схеме повышение чувствительности, достигаемое за счет увеличения угла приема рассеянного света, приводит к значительному снижению отношения сигнал-шум, что практически затрудняет выделение сигнала из помех и снижает точность измерения.

Цель изобретения - повыиение точности измерений за счет увеличения соотношения сигнал - шум.

Поставленная цель достигается тем, что в инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский иэмеритеа

скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, устройство-сдвига частоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейся полуволновой пластинок, фокусиругаций и собирающий объективы, диафрагму с двумя отверстиями, расположенную перпендикулярно оптической оси схемы, поляризационный расщепитель и два фотоприемника , подключенных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты, дополнительно введны полуволновая пластинка, светоотражатель и светоделитель, при этом светоотражатель и светоделител расположены между диафрагмой и поляризационным расщепителем и оптически сопряжены с двумя отверстиями диафрагмы, дополнительная полуволновая пластинка установлена между светоотражателем и светоделителем, четвертьволновая пластинка устройства сдвига частоты установлена за вращагадейся полуволновой пластинкой, а геометрическая ось, проходящая через противолежащие отверстия диафрагмы, составляет угол i45 с-осью наибольшей скорости света вчетвертьволновой пластинке устройства сдвига частоты.

На чертеже представлена блоксхема предлагаемого измерителя.

-Инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский измеритель скорости содержит лазер 1, излучающий линейно поляризованный луч 2, устройство сдвига частоты 3, состояще из. вращающейся в магнитном (либо электрическом) поле полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой платинки 5, фокусирукщий объектив 6, область измерения 7, собИраивдий расеянные лучи 8 и 9 объектив 10, диафрагму 11 с двумя отверстиями, светоотражатель 12, полуволновую пластинку 13, светоделитель 14, поляризационный расщепитель 15, фотоприемники 16 и 17, смеситель 18 и измеритель доплеровской частоты 19.

Измеритель скорости работает слдующим образом.

Лазер 1 излучает луч 2, который поступает на вход устройства сдвига частоты 3, состоящего из вращающейся полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой пластинки 5. На выходе такого устройства сдвига частоты 3 образуются два пространственно совмещенных луча со взаимно ортогональными линейными состояниями поляризации Е и Е (Р мер, горизонтальная и вертикальная поляризация, если азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки равен 45°) и различными частотами и Юр-Й ,где ii; угловая частота излучения лазера; Sf - частотное смещение луча лазера после прохождения его через уст ройство сдвига частоты 3 . Эти два луча фокусируются объективом 6 в область измерения 7, движущегося с скоростью V потока. Рассеянный под углом 8 луч 8 (1ч собираетс объективом 10 и направляется через отверстие а диафрагмы 11 на светоо ражатель 12, а затем (после прохож дения полуволновой пластинки 13 и светоделителя 14) луч 8 поступает . на вход поляризованного расщепителя 15. Рассеянный под углом & луч 9(Kg) собирается также объективом 10и направляется через отверстие б диафрагмы 11 (после отражения его от светоделителя 14) на вход поляризационного расщепителя 15. П чем юстировкой светоотражателя 12 и светоделителя 14 добиваются пространственного совмещения лучей 8 и 9, т.е. чтобы их оптические оа совпадали при распространении рассеянных лучей.от светоделителя до фотоприемников. Поскольку диафрагма 11расположена так, что ось, проходящая через центры отверстий а и б и расположенная перпендикулярно оптической оси облучающего луча к лежит в плоскости (0X2 или ОУ2), образованной оптической осью облучакицего луча и пло.скостью поляри зации одного из расщепленных по частоте лучей (Ё или ЕО поэто му рассеянные лучи 8 и 9, собираемы в пределах отверстий а и б диафраг мы 11, как следует из векторной те рии рассеяния МИ, имеют также линейное состояние поляризации. Следовательно, если пространственная ориентация двух отверстий диафрагмы выбрана так, что ось, проходящая через противоположные отверсти составляет угол f 45 с азимутом ос наибольшей скорости четвертьволновой пластинки, то в этом случае рассеянное излучение, проходящее через эти отверстия, сохраняет неи менным свое состояние поляризации. В общем случае при приеме излучени в других направлениях, как следует из векторной теории рассеяния, происходит изменение поляризации рассеянного излучения (например, рассеянное излучение имеет элиптическую поляризацию) . С помсядью полуволновой пластинки 13 осуществляется поворот азимута линейно поляризованного луча 8 на угол 90 Таким образом на выходе поляризационного расяцепителя формируется рассеянный пучок с горизонтальным состоянием поляризации, вся мощность которого принимается приетлНИКОМ 16, и излучение с вертикальным состоянием поляризации, вся . мощность которого принимается фотоприемником 17. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотопрйемника 16 образуется переменная составлягацая сигнала на частоте 2SI + и), а на выходе фотоприемника 17 - равная ей по амплитуде переменная -составляющая сигнала на частоте 2Я-и;д,где доплеровский сэдвиг частоты, пропсрцирнальный проекции вектора скорости V на разност( ный волновой вектор Kg - Kj Сигналы с выходов фотоприемников 16 и 17 поступают на входы смесителя 18, на выходе которого вьделяется разностная частота биений, равная 2 о которая измеряется измерителем доплеровской частоты 19. На чертеже представлены два варианта расположения диафрагмы 11. Если отверстия а и б расположены вертикально (вдоль оси ОУ), то осуществляется измерение вертикальной составлякяцей ..вектора скорости. При расположении отверстий диафрагмы вдоль оси ОХ Доплеровекая частота сигнала, измеряемая,измерителем частоты 19, пропорциональна горизонтальной составляющей вектора скорости. Если возникает необходимость измерить проекцию вектора скорости на ось, составляющую с осью ОХ, например, угол 40, то необходимо, во-первых,установить азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки 5 равным 95, во-вторых, обеспечить согласование ориентации отверстий диафрагмы 11с плоскостью поляризации одного из облучающих лучей 7, т.е. поворотов диафрагмы вокруг Оси добиться, чтобы ось, проходящая через отверстия а и б, составляла угол 45 с осью наибольшей скорости пластинки 3. Есл-и эти условие не выполнить, то рассеянное излучение, собираемое в пределах отверстий диафрагмы, в общем случае имеет эллиптическую поляризацию, что приводит к появлению на выходе казкдого фотоприемника двух спектров с частотами . Следовательно, в этом случае выделить полезный сигнал из помех на выходе смесителя становится затруднительным.-. В предлагаемом измерителе рассеянное излучение., проиедшее светоя Д1злитеяь и поляризационный расщепитель, полностью направляется на фотоириемник. Это приводит к увеличению мощности рассеянного излучения принимаемого фотоприемником и, , следовательно, к повышению отношения сигнал - шум по сравнению с известной схемой. Так, в известной 5 схеме угол между рассеянными лучами, направляемыми на фотоприемник, равен 2в-5.В этом случае в предла1080084бгаемой отношение сигнал - шум на порядок больше, чем в известной схе ме.

J А 5

t1

W