Лазерный доплеровский измеритель скорости Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 G01P5/00 

Изобретение относится к лазерным средствам измерения и может быть использовано в авиации, метеорологии, физике атмосферы, экологии и в других областях науки, техники и народном хозяйстве, где необходимо измерять скорость газовых потоков и иных объектов.

Известен лазерный доплеровский измеритель истинной воздушной скорости и сдвига ветра LATAS, состоящий из оптической головки, включающей лазер, оптический гетеродинный преобразователь, моностатический приемопередающий антенный блок, в котором приемная и передающая оптика совмещены, и блока обработки доплеровского сигнала, включающего устройство измерения и регистрации частоты

доплеровского сигнала и соответствующего ему значения скорости.

Недостатками измерителя являются сложность конструкции, настройки и юстировки оптического гетеродинного преобразователя, выполненного по схеме интерферометра Маха-Цандера с брюсте- ровским расщепителем, и повышенная подверженность к разъюстировкам е реальных условиях эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому является лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит4 последовательно установленные вдоль оптической оси лазер под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка, первую

2

00

о

х|

четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая - последовательно установленные по одну сторону от поляризационно-селективного расщепителя пучка зеркало и вторую четверть-волновую пластину, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя - линзу и фотоприемник, соединенный с блоком обработки доплеровско- го сигнала,

В данном лазерном доплеровском измерителе значительно упрощается настройка и юстировка оптического гетеродинного преобразователя. Однако такой измеритель обладает существенным недостатком, заключающимся в фазовом рассогласовании волновых фронтов сигнального и опорного излучений, что приводит к снижению величины отношения сигнал/шум.

Целью изобретения является увеличение величины отношения сигнал/шум за счет геометрической компенсации дифракционной расходимости сигнального пучка и снижения дробовых шумов фототока гетеродина путем уменьшения паразитной поляризации излучения гетеродина.

Поставленная цель достигается за счет того, что во вторую ветвь между поляриза- ционно-селективным расщепителем пучка и линзой введен линейный поляризатор, а поляризационно-селективный расщепитель пучка повернут относительно оптической оси на 90°.

На фиг.1 приведена схема оптической части лазерного доплеровского измерителя скорости; на фиг. 2 - ход оптических лучей в клине, который используется как поляри- зационно-селектирующий расщепитель.

Измеритель содержит две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер 1, под углом к оптической оси поляризацион- но-селектирующий расщепитель пучка 2, первую четвертьволновую пластину 3 и моностатический приемопередающий блок 4, а вторая - последовательно установленные по одну сторону от поляризационно-селективного расщепителя пучка зеркало 5 и вторую четвертьволновую пластину 6, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя - линзу 7, фотоприемник 8 и линейный поляризатор 9 и блок обработки доплеровского сигнала 10, вход которого соединен с выходом фотоприемника.

Измеритель работает следующим образом.

Линейно поляризованное излучение лазера 1 попадает на поляриззционно-селектирующий расщепитель 2, который отражает часть излучения для формирования опорного пучка (гетеродина), которое через линейный поляризатор 9, обрезающий паразитную часть поляризации, линзу детектора 7 поступает на поверхность фотодетектора 8: остальная часть излучения пропускается в прямом направлении и, проходя через четвертьволновую пластину 3,

0 где линейная поляризация переходит в круговую, и моностатический антенный блок 4, поступает в облучаемое полупространство; рассеянное аэрозольными частицами излучение собирается тем же самым антенным

5 блоком и снова проходит через пластину 3, где меняет круговую поляризацию на линейную, ортогональную плоскости рисунка, после чего отражается поляриза- ционно-селектирующим расщепителем в

0 дополнительный канал, где проходит через четвертьволновую пластину 6, отражается от зеркала 5 и снова проходит через пластину б, поворачивая тем самым плоскость поляризации на 90°(которая теперь совпадает

5 с плоскостью поляризации исходного пучка) и, проходя через расщепитель, поступает на линейный поляризатор, линзу детектора и далее на поверхность детектора, гдесме ши- вается с излучением гетеродина; блокобра0 ботки преобразованного доплеровского сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемного устройства, производит выделение сигнала промежуточной частоты и его дальнейшую обработку.

5 Одним из основных элементов измерителя является поляризационно-селектирую- щий расщепитель, который должен обеспечивать как пространственное совмещение сигнального и гетеродинного пучков,

0 так и формирование опорного пучка. Рассмотрим его характеристики.

Коэффициент отражения для поляризации, параллельной плоскости рисунка (в дальнейшем Е-поляризация), в принципе

5 может быть доведен до нуля. Небольшие повороты пластины (клина) позволяют регулировать мощность гетеродина в довольно широких пределах, а использование толстой пластины или клина приводит к про0 странственному разделению пучков, отраженных от передней и задней граней. Для того, чтобы обеспечить пространственное совпадение сигнального и гетеродинного пучков, пучок гетеродина формируется

5 при отражении от задней грани. Ход лучей в клине показан на фиг.2. Определим коэффициент пропускания Ks для этой схемы. Он будет определяться коэффициентами пропускания излучения с Е-поляризацией через поверхности 1 и 2 при прямом прохождении

лазерного луча, коэффициентом отражения для Н-поляризации (ортогональной плоскости рисунка) и пропусканием для Е-поляри- зации для сигнального луча. Таким образом

Ks - О - К1еХ1 - К2е)К2н(1 - К2еХ1 - М

Коэффициенты Ке и Кн определяются по формулам Френеля для своих углов падения 1 , (pi , p (угол р не равен углу (р при работе с клином).

Величина мощности опорного сигнала будет определяться коэффициентами Кг пропускания на грани 1 и коэффициентом отражения на грани 2 для излучения с Е-по- ляризацией. Соответствующий коэффициент имеет вид

Кг (1 - Kie)(t - Kie)K2e

Поскольку излучение не является идеально поляризованным, при отражении под углом Брюстера от передней и задней поверхностей, степень деполяризации излуче- ния возрастет, так как ортогональная (плоскости фиг,2) компонента будет отражаться с большим коэффициентом. Соответствующий коэффициент Кп имеет вид

Кп (1- К1н)К2н(1 - KiH)

В табл.1 приведены расчетные значения коэффициентов Ks, Кг„ Кп в зависимости от угла падения излучения на клин из ZnSe с углом раствора 1°. В четвертой колонке приведено значение угла, под которым излучение покидает пластину.

Мощность паразитной засветки определяется не только мощностью лазера и ко- эффициентом Кп, но и степенью деполяризации лазерного излучения, которая может меняться от прибора к прибору. В общем случае для подавления мощности паразитной засветки возникает необходимость во введении в плечо 2-7 линейного поляризатора.

Принцип действия данного измерителя скорости, как и прототипа, основан на реализации зависимости:

vA/Зйгл (п,уо &L 3к

Q ОТГСТшЬ С 9 (G +(1-6&)#+а&/() , (2) где использованы следующие параметры:

rj- квантовая эффективность фотоприемника;

Я-длина волны зондирующего излучения;

{fa- объемный коэффициент обратного рассеяния в атмосфере; Рл - мощность лазера;

Л Ф - ширина полосы принимаемого сигнала;

G - функция рассогласований; h - пшстоянная Планка;.

-)})

0

со- частота зондирующего излучения; у0 параметр фокусировки измерителя:

Rn - эффективный радиус распределения поля излучателя на приемопередающей апертуре;

Rn Ро VI +0/л-Уд Г

Я

Rr - эффективный радиус распределения поля гетеродина на приемопередающей апертуре;

V 1 +(Уг-УдГ

я

УЛ - параметр фокусировки излучателя; д уг- параметр фокусировки гетероди

на; yr-Ро - радиус распределения поля на выходе лазера;

FQ - эффективная дальность фокусиров- ки измерителя; 1 1

F0

1

+

1

F 2|лул(1+у) Уг(1+У)

F - фокусное расстояние моностатического приемопередающего блока; |л - расстояние проходимое зондирующим излучением от лазера до приемопередающей апертуры; л И + з

1г-эквивалентное расстояние проходимое излучением гетеродина до приемопере- дающей апертуры; Ir з-li - 2I2

h - расстояние от поляризационно-се- лектирующего расщепителя (2) до лазера (1);

12 - расстояние от поляризационно-се- лектирующего расщепителя (2) до отражателя (5);

з - расстояние от поляризационно-се- лектирующего расщепителя (2) до выходной апертуры антенного блока (4);

1Д - дифракционная длина; д :

дк - рассогласование характерных размеров полей излучателя и приемника;

А, - R R - УяУг(ул+уг) lA (S R + R2 fi+#+2y№ А () рассогласование фокусных расстояний приемного и передающего каналов;

а- г

4улуг(1+у2)(1+у) 1-УлУг д

(4)

При условии сильной фокусировки ( у0 1) величина arctg быстро стремитп

ся к л /2. Из выражений (3) и (4) видно, что для одновременного равенства нулю рассогласований дк и 5i необходимо и достаточно, чтобы выполнялось равенство л г, что эквивалентно условию И г.

Предлагаемый измеритель обладает более высоким по отношению к прототипу отношением сигнал/шум при прочих равных условиях (одинаковой мощности лазера, коэффициенту обратного рассеяния, геометрических размерах и т.д.). Для удобства сравнения положим значение множителя

п АДгг Рл,,

ТГШТч- равным единицы. Как правило

расстояния между оптическими элементами в измерителе имеет один и тот же порядок величины, поэтому для оценок положим: It 12 1з 1/|. Подставим в соотношение (1) конкретные значения параметров, характерных для используемых на практике измерителей:

z0 2 мм F 500 мм

Зависимость величин отношения сигнал/шум (отн.ед.) для прототипа и заявляемого измерителя от расстояния И (в метрах) приведена в табл.2.

Таким образом, измеритель имеет значение отношения си гнал/шум почти в два раза большее, чем прототип.

Проведенные испытания показали, что параметры заявляемого измерителя скорости близки к теоретическим значениям и лежат в пределах экспериментальной ошибки, Величина отношения сигнал/шум для отражения излучения от шероховатого диска при мощности лазера 4,5 Вт составила 0,9 от теоретической оценки.

Формула изобретения Лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий две пересекающие

друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, под углом к оптической оси поляризационно-се- лектирующий расщепитель пучка, первую

четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая - последовательно установленные по одну сторону от поляризациоино-селектирующе- го расщепителя пучка зеркало и вторую четвертьволновую пластину, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя - линзу и фотоприемник, о т- личагащийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности за счет увеличения отношения сигнал - шум, во вторую ветвь между поляризационно-селективным расщепителем лучка и линзой введен линейный поляризатор, а полиризационно-се- лективный расщепитель пучка повернут

относительно оптической оси на 90°.

Использование: контрольно-измерительная техника, измерение скорости газовых потоков. Сущность изобретения: измеритель скорости содержит две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательные вдоль оптической оси лазер, под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка, первую четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая - последовательно установленные по одну сторону от поляризацией но-сел актирующего расщепителя пучка зеркало и вторую четвертьволновую пластину, а по другую сторону от него - линзу и фотоприемник. Увеличение отношения сигнал-шум достигается введением во вторую оптическую ветвь между поляриза- ционно-селективным расщепителем пучка и линзой линейного поляризатора и поворотом расщепителя относительно оптической оси на 90°. 2 ил. сл С

Результаты расчета пропускания и отражения для

ZnSe (клин с углом раствора 1°)

Зависимость величин отношения сигнал/шум от расстояния

Таблица 1

Таблица 2

О

Фиг 2.