Лазерный доплеровский измеритель скорости Советский патент 1990 года по МПК G01P3/36 

,-

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем параметрического преобразования вверх частоты анализируемого допплеров- ского сигнала при уменьшении относительной доли спектрального ускоре- ния.

На чертеже показана блок-схема измерителя с

Измеритель содержит лазер 1, расположенную по ходу луча оптическую формирующую систему 2, приемную опти ческую систему 3 и фотоприемник 4, к которому последовательно подключены входной фильтр 5, автоматический регулятор 6 усиления и следящий процессор допплеровского сигнала (ДС), содержащий первый и второй параметрические преобразователи частоты, включающие смесители 7 и 8 и выходные полосовые фильтры 9 и 10 (ПФ), квадратурный генератор 11, управляемый напряжением (ГУН), двухвходовый детектор 12 частотного рассогласования (ДЧР), интегратор 13, Между выходом ПФ 9 и первым входом ДЧР 12 введена последовательность соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты (ППЧ), включающих смесители 14 и ПФ 15, а между выходом ПФ 10 и вторым входом ДЧР 12 - последовательность ППЧ, вклю чающих смесители 16 и ПФ 17. Каждая цепочка последовательно соединенных ППЧ образует квадратурную ветвь следящего процессора ДС, Сигнальные входы всех ППЧ объединены и соединены с выходом АРУ 6,

Измеритель работает следующим образом.

0

0

5

5

0

Лазер 1 и оптическая система 2 формируют в исследуемой среде лазерное зондирующее поле с известной узкополосной структурой, период которой равен - , Изображение этого поля в рассеянном свете формируется приемной оптической системой 3 на светочувствительной поверхности фотоприемника 4. В результате в фотоэлектрическом сигнале появляется переменная составляющая, частота которой f У/Д, где V - скорость рассеивающих частиц относительно периодической пространственной структуры зондирующего оптического поля, После фильтрации низкочастотного пьедестала и автоматической регулировки усиления сигнал на входе первых смесителей 7 и 8 можно представить в виде cos Wp t, где A - амплитуда; U7D . После смещения с сигналом квадратурного ГУН на выходе первых смесителей в каждой квадратурной ветви следящего процессора сигнал имеет (.с точностью до постоянной фазы) вид

i1eAcosu t cpsturt -Acos(u; tor)t+ + Acos(u) +u)t;

L Т) Г

i2 Acosu)-t -rA sin()t +

55

45 + - Asin(w +ш )t

Сигнал на выходе ПФ 9 и 10 в кажд ветви имеет вид

1 , . 1, A cos (

ia A sin ()r)t,

Соответственно, на выходе смесителей 14 и 16 второго ППЧ системы имеют вид

1 ж /

ц А сов (со -w )t- costo t

1 г1 2

т А cos()t + 7 A coswrt;

I 2

i - A sin((x W)t cosu t 2-2в rD

1г. i ,

7 A sin(2oo GJ) t + A sinkit.

(4JU Г 4

Вид,сигналов на выходе фильтров и 17:

1f

7 A cos()t;

1 2

Ј A .

При включении в каждую квадратурну ветвь последовательности из N ППЧ на входах ДЧР 12 получают сигналыi, Ј NA cosCNo -Wr)t; Ц NA sin()t.

При детектор 12 частотного рассогласования формирует сигнал, пропорциональный разности частот 2си - W , которьй интегратором 13 преобразуется в напряжение, управляющее частотой генератора 9. В результате действия цепи обратной связи частота ГУН OJr оказывается равной удвоенной частоте входного сигнала

Wr 2WD.

Результирующий сигнал с выхода ГУН следящего процессора оказывается эквивалентным сигналу в ситуации, когда пространственный период структуры зондирующего поля Д -v- составляет экв j1

половину реального

Времяпролетное уширение д f flf) допплеровского спектра

flf

JJ Л 8П ш мХ

где $ - размер зондирующего оптического поля;

М - число реальных пространственных периодов в структуре этого поля.

При N-кратном параметрическом преобразовании частоты ДС вверх относительная доля времяпролетного уширения Ј допплеровского спектра равна

L:.f in.

Nf о

.КУ./ЛУ.

мл л

К

гоГ

1569715

При гауссовой форме огибающей зондирующего объема лазерного анемометра относительная доля времяпролет- ного уширения спектра составляет ве- 5j

личину 4fbn/ЈD.

0

Таким образом, относительная доля времяпролетного (аппаратного) уширения допплеровского спектра оказывается в VN раз меньше, чем у известных измерителейо Снижение относительной доли аппаратного уширения спектра 5 ДС эквивалентно снижению уровня фазовых шумов в выходном сигнале измерительного устройства, что приводит к уменьшению погрешности измерений.

0 Фор мула изобретения

Лазерный допплеровский измеритель скорости, содержащий оптически согласованные лазер, оптическую формирую5 Щую и приемную системы, фотоприемник, к выходу которого последовательно подключены входной частотный фильтр, автоматический регулятор усиления и следящий процессор допплеровского

0 сигнала, включающий последовательно соединенные .двухвходовый детектор частотного рассогласования, интегратор и квадратурный генератор, управляемый напряжением, первый и второй выходы которого подключены к опорным входам соответственно первого и второго параметрического преобразователя частоты, каждый из которых содержит двухвходовый смеситель и выходной по- лосовой фильтр, причем сигнальные входы первого и второго параметрических преобразователей частоты объединены и подключены к выходу автоматического регулятора усиления, о т л и чающий с я тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно содержит четное количество параметрических преобразователей частоты, одна половина которых соединена последовательно по опорным входам и включена между выходом первого параметрического преобразователя частоты и первым входом детектора частотного рассогласования, а вторая половина соединена последовательно по опорному входу и включена между выходом второго параметрического преобразователя частоты и вторым входом детек- тора частотного рассогппсования, при

5

0

5

0

5

715697158

этом сигнальные входы дополнительных тот объединены и подключены к выходу параметрических преобразователей час- автоматического регулятора усиления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет снижения относительной доли аппаратного уширения спектра ДС. Допплеровский сигнал (ДС) с выхода фотоприемника 4 поступает через автоматический регулятор усиления (АРУ) 6 на вход следящего процессора ДС, содержащего последовательно включенные двухвходовый детектор частотного рассогласования 12, интегратор 13 и квадратурный генератор, управляемый напряжением (ГУН) 11. Сигнал, поступающий с каждого из выходов ГУН подвергается N - кратному преобразованию частоты вверх по отношению к частоте входного ДС, где N - число последовательно соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты, каждый из которых содержит смеситель и выходной полосовой фильтр. Сигнальные входы всех смесителей объединены и подключены к выходу АРУ 6. 1 ил.