Лазерный доплеровский измеритель скорости Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения локальной скорости потока жидкости или газа оптическими средствами. Известен лазерный доплеровский из меритель скорости, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фоку сирующий и собирающий объективы, апе турную диафрагму, поляризационный расщепитель, два фотоприемника и бло обработки доплёровской частоты, а также расщепитель, установленный меж ду лазером и фокусируняцим объективом и дифференциальный усилитель, через который выходы фотоприемников подклю чены к блоку обработки доплёровской частоты l) Однако известное устройство имее недостаточную Чувствительность, что ограничивает нижний диапазон измеря мых скоростей. Целью изобретения является повышение чувствительности лазерного доплеровского измерителя скорости. Поставленная цель дос игается тем, что в лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собираклдий объективы апертурную диафрагму, поляризационный расщепитель, два фотоприемника и блок обработки доплёровской частоты, введены формирователь двух сдвоенных лучей с различньми частотами и взаимно ортогональными поляризация ми, установленный между лазером и фокусирующим объективом и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщепителя, пары вращателей плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к блоку обра ботки.доплёровской частоты. Йа фиг. 1 представлена блок-схема лазерного доплеровского измерителя скорости, работакхцего на рассеянном вперед свете; на фиг. 2 - 6 - вариан ты построения устройства формировани двух лучей, каждый из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные линейные поляризации; на фиг. 7 - блок-схема лазерного доплеровского измерителя скорости, работающего на рассеянном назад свете; на фиг. 8 - 11 - варианты построения устройства формирования двух лучей, каждьш из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные круговые поляризации; на фиг. 12 - блоксхема лазерного доплеробского измерителя скорости, работающего в рассеянном назад свете. Лазерный доплеровский измеритель (фиг. 1) состоит из лазера 1, излучающего луч 2, устройства 3, формирующего два луча 4 и 5, каждый из которых представляет суперпозицию двух пространственно .7 совмещенных пучков, имеющих различные частоты f и fn к взаимно ортогональные линейные поляризации, фокусирукяцего объектива 6, области 7 измерения, движущейся со скоростью V потока, собирающего рассеянный свет 8. объектива 9, апертурной диафрагмы 10 с крестообразным отверстием, поляризационной 11ризМЫ.11, двух фотоприемников 12 и 13, смесителя 14 и измерителя 15 доплёровской частоты. Устройства 3 формирования двух лучей состоят из расщепителя 16, вращателей 17 и 18 плоскости поляризации, четвертьволновых пластин 19 и 20 (фиг. 2); из устройства 21 сдвига частоты,, состоящего из четвертьволновых пластин 22 и 23 и вращающейся четвертьволновой пластины 24, и полуволновой пластины 25 («г.З); четвертьволновой пластины 26 и полуволновой пластины 27, при этом 28 зеемановский лазер (фиг. 4); из интерферометра Жамена, состоящего из двух полупрозрачных зеркал 29 и 30 и двух зеркал 31 и 32, частотосдвигаялцего устройства 33, полувблновых пластин 34 и 35, зеркала 36 (фиг.5); из двух четвертьволновых пластин 37 и 38, при этом 39 - кольцевой лазер, излучающий два пространственно разделенных луча 2 (фиг. 6). В лазернсГм измерителе скорости, представленном на фиг. 7, в отличие от схемы на фиг. 1 установлен поляризащсонный расщепитель 11, состоящий из четвертьаолновой пластины 40 и поляризационной призмы 41. В этой схеме устройство 3 формирования двух лучей состоит из расщепителя 42 и вращателей 43 и 44 плоскости поляризации (фиг, 8); из ортогонального преобразователя 45 поляризации, состоящего из четвертьволновых пластин 46 и 47 и полуволновой пластины 48, при этом 49 - зеемановский лазер (фиг. 9); из устройства 50 сдвига частоты, состоящегб из вращаю щейся полуволновой пластины 51 к четвертьволновой пластины 52, двух четвертьволновых пластин 53 и 54 (фиг. 10); из светоделителя 55 и дву поворотных зеркал 56 и. 57, при этом 58 - зеемановский лазер (фиг.П В лазерном измерителе скорости, представленном на фиг. 12, в отличие от схем на фиг. 1 и 7 установлены зеркало 59 и диафрагма 60 со щелеобразным отверстием, лежащим в плоское ти лучей 4 и 5. Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 1) рабо- ает следующим образом. Лазер 1 излучает линейно поляризованньй луч 2, поступающий на вход устройства 3 формирования двух лу- , чей, на выходе которого формируются два параллельных луча 4 и 5, причем луч 4 представляет суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков, один из которых, вертикально поляризованный., имеет частоту ff,a другой имеющий горизонтальную поляризацию, частоту f2. Луч 5 также сострит из двух пучков, один из которых, поляризованный в вертикальной плоскости имеет частоту fe, а другой, горизонтально поляризованный - частоту f. Далее лучи 4 и 5 фокусируются объективом 6 в исследуемую область 7 пото ка. Рассеянное движущимися частицами излучение Я собирается, объективом 9в пределах пространственнои области ограниченной диафрагмой 10, и направ ляется объективом 9 на вход поляриза ционной призмы 11, которая делит рассеянное излучение на два пучка, один из которых, имекяций горизонталь ную поляризаци, поступает на фотодетектор Т2, другой, имекиций вертикальную поляризацию - на фотодетектор 13. В результате оптического гетеродинирования на выходе фото- детектора 12 образуется переменная составляющая сигнала на частоте.. -An +(0tf, а на вьвсоде фотоприбмника ТЗ - равная ей по амплитуде переменная составляющая сигнала на частоте ЬЯ-оз, где ь.Д 2i(,). Сигналы с выходов фотоприемииков Т2 и 13 поступают на входы смесите4ля 14, на выходе которого вьщел.зтся разностная-частота, равная 2У| которая измеряется измерителем 15 доплеровской частоты. Рассмотрим более подробно работу различных вариантов построения схем устройства 3 формирования двух лучей, которые могут быть использованы в рассматриваемой схеме. В устройстве 3 (фиг. 2) луч 2 делится расщепителем 16 на два луча. Один из лучей 4 поступает на вращатель 17 плоскости поляризации, которьй, например, представляет электрооптическую пластину, помещенную во вращающееся с угловой скоростью Д П полуволновое электрическое поле. На выходе четвертьволновой пластины 19 в этом случае имеются вертикально и горизонтально поляризованные составляющие волны с частотами 00, Wo+лЛ и 4;.i(iq;-ftnj fMJ(j-частота излучения лазера). Луч 5 проходит через аналогичный , враща тель 18 плоскости поляризации и четвертьволновую пластину 20, азимут оси которой составляет в,0,+90° где - азимут оси четвертьволновой пластины 19. В этом случае на выходе пластины 19 формируется также вертикально и горизонтально поляризованные составляющие волны соответственно с частотами Oj Сд)о- ЬП, и W,COo+u«,. В устройстве 3 (фиг. 3) линейно поляризованный луч 2 поступает на вход устройства 21 сдвига частоты, которое состоит из последовательно установленных четвертьволновой пластины 22, вращакщейся с угловой скоростью ЛЯ , четвертьволновой пластины 24 (например, электрооптический кристалл, помещенный во вращающееся четвертьволновое электрическое поле) и четвертьволновой .пластины 23. На выходе такого устройства 21 имеются две пространственно совмещенные горизонтально и вертикально поляризованные волны с частотами 0о иОд-2Ла. Этот пучок делится расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через полуволновую пластину 25, с помощью которой осуществляется поорот плоскости поляризации волны а 90, В устройстве 3 (фиг. 4) зеемавовский двухчастотньй лазер 26 излучает уч 2, представляющий суперпозицию двух взаимно ортогонально поляризованных по кругу волн с частотами Si и-Йо- Этот пучок с помощью четвертьволновой пластины 26 преобразуется в две волны с взаимно ортогонал линейными поляризациями, которые делятся расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем на пути луча 5 установлена полуволновая пластина 27 осуществлякицая поворот плоскости поляризации луча 5 на 90. В устройстве 3 (фиг. 5) линейно поляризованный луч 2 с частотой СОд делится светоделителем 29 на два луча, один из которых затем делится светоделителем 30 на два луча 4 и 5. Луч 5, отразившись от светоделителя 30, проходит через полуволновую пластину 35, предназначенную для поворота плоскости поляризации луча на 90°. Второй луч, отразившись от светоделителя 29 и зеркала 31, прохо . дит через частотосдвйгающее устройство 33 (например, акустооптическую ячейку Брегта), где смещается по частоте. Далее этот луч после отражения от зеркала 32 и прохождения полуволновой пластины 34, предназначенной для поворота плоскости поляри зации на 90, делится светоделителем также на два луча 4 и 5. Таким образом луч 4 пр.едставляет суперпозидаю двух пространственно совмещенных пучков, имеющих горизонтальную и вертикальную поляризацию и соответст«енно частоты О иоо, G3o+uQ,. Луч 5 состоит также из горизонтально и вертикально поляризованных сост.авпяющих .волн соответственно на частотах СО(Ор+йГ, ИМо. В устройстве 3 (фиг. 6) кольцевой лазер 39 с анизотропным резонатором reHepHpyet два пространственно разделенных луча 2, каждый из которых состоит из двух ОрТОГОНаЛЬЙО ПОЛЯрИзованных по кругу составляющих на частотах Со, HW . С помощью четвертьволновых пластин 37 и 38, азимут оси одной из которых развернут на 90 по отношению к азимуту-оси второй пластины, формируются два луча 4 и 5, 1нме1ацих взаимно ортогональные линейHbie поляризаций. Рассмотрим особенность работы схе мы лазерного доплеровского измерителя (фиг. 7), в котором используется устройство 3 дпя формирования двух лучей 4 и 5, каждый из которых состоит из двух взаимно ортогональных поляризованных по кругу пучков с частотами и f 2 . Лучи 4 и 5. фокусируются объективом 6 в область измерения. Рассеянное излучение 8 собирается объективом 9 и направляется на вход поляризационного расщепителя 11, состоящего из четвертьволновой пластины 40 и поляризационной призмы 41. Рассеянное излучение 8, имеищее круговую поляризацию, преобразуется с помощью четвертьволновой пластины 40 в излучение с линейной поляризацией. Поляризационная призма 41 делит рассеянное излучение 8 на два пучка, один из которых направляется на фотоприемник 12, а другой - на фотоприемник 13. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемника 12 образуется сигнал на частоте д О. Urfi а на выходе фотоприемника 13 - на частоте ДЙ-COg-. Эти сигналы поступают н,а смеситель, на выходе которого вьщеляется раэностная частота 2Од-, которая измеряется измерителем 15 доплеровской частоты. .Рассмотрим ряботу различных устройства 3 формирования двух лучей, которые мэгут быть использованы в схеме по фиг. 7. В устройстве 3 (фиг. 8) луч 2 делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, которые далее проходят через вращатели 43 и 44 плоскости поляризации. Если устройство 43 вращает плоскость поляризации луча, например, по часовой стрелке, а устройство 44 против часовой стрелки, то луч 4 состоит из право- и левоциркулярно поляризованньрс волн соответственно на частотах CJ, иуя, а луч 5 состоит из левои правоциркулярно поляризованных волн соответственно на частотах со к GJ, В устройстве 3 (фиг. 9) зеемановский лазер 49 излучает луч 2, который делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через ортогональный преобразователь поляризации (состоящий из последовательно расположенных четвертьволновой, полуволновой и четвертьволновых пластин), который преобразует поляризацию входного пучка на взаимно ортогональное состояние поляризации. В устройстве 3 (фиг.10) луч 2 поступает на вход устройства 50 сдвига частоты, состоящего, например, из вращающейся полуволновой пластины 51 и четвертьволновой пласти ны 52, на выходе которого образуются две ортогонально линейно поляризационные составляющие волны на частотах СОд и со . Далее луч 2 делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, на пути которых установлены четверть волновые пластины 53 и 54, причем азимут 0 оси пластины 53 равен , где S - азимут оси пластины 54. В устройстве 3 (фиг. 11) зееманов ский лазер 58 излучает луч 2, который делится светоделителем 55 на два луча. Один луч проходит через светоделитель 55, а второй, отразившись от светоделителя 55, направляется на зеркала 56 и 57. Так как при отражении происходит изменение направления электрического вектора, луч 5 состоит из двух составляющих на частоте f и f, имеющих взаимно ортогональные круговые поляризации п отношению к соответствующим составляющим луча 4 на частотах и 2 . Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 12) работает следующи образом. Лазер 1 излучает луч 2, поступающий на вход устройства 3 формирования двух лучей, которое может быть выполнено либо по схемам на фиг. 2-6 либо по схемам на фиг. 8-11. Параллельные лучи 4 и 5 фокусируются объе тивом 6 в область 7 измерения. Рассе янное назад излучение 8 собирается 1 84. объективом 6 в пределах щелеобрг.знсй диафрагмы 60 и после отражения от зеркала 59 направляется объективом 9 на поляризационный расщепитель 11. Если лучи 4 и 5 состоят из двух линейно поляризованных составляющих, одна из которых поляризована в плоскости лучей 4 и 5, то рассеянное излучение сохраняет неизменным свое состояние поляризации при приеме излучения в пределах щелеобразной диафрагмы. Б этом случае поляризационный расщепитель 11 делит пучок 8 на два луча, один из которых, поляризованный в горизонтальной плоскости, направляется на фотоприемник 12, а другой, поляризованный в вертикальной плоскости, на фртоприемник 13. В результате оптического гетеродикирования Hai выходе фотоприемников 12 и 13 образуются сигналы соответствен+ Og и U п - %, котоно на частотахдП смеситель Г4. Сигрые поступают на нал разностной частоты выхода в измеритель 15 смесителя поступает доплеровской частоты. Предлагаемьй измеритель имеет более высокую чувствительность по сравнению с известным. Повышение чувствительности в два- раза достигается за счет использования в измерителе устройства формирования двух пучков и двухканальной схемы приема. Повышение чувствительности позволяет расширить нижний диапазон измеряеь ых скоростей и повысить точность измерения очень малых скоростей.

. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризационный pacп eпитeль, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности, в него введены формирователь двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными поляризациями, установленный между лазером и фокусирующим объективбм и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщеЛителя, пары вращателей плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к блоку обработки доплеровской частоты. У

Фыг.г

Фиг.З

И

J

ф1/г.

фиг. 5 J7

I

Т

П 1

ЬН

f% w. 5

г

9

фт.8

J fL л

00

А fz Ю. ОО

4 Фш.9

Фг/г. Ю