Оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 G01P5/00 

Изобретение относится к области лазерных средств измерения и преимущественно может быть использовано в лазерных системах для определения параметров полета летательного аппарата. (ЛА), вектора скорости ветра, сдоига ветра и пр.

Известно устройство измерения скорости ветра с помощью лазерного доплеров- ского измерителя скорости (ЛДИС), рассматриваемого как аналог изобретения, в котором скорость измеряется с помощью гетеродинного преобразования лазерного излучения, рассеянного на аэрозолях воздуха, причем область, из которой принимается рассеянный сигнал, формируется фокусировкой луча антенной системой (АС) упомянутого измерителя на заданное расстояние в нужном направлении. Возможности и точность работы устройства в большой степени зависят от конструктивных особенностей оптической системы ЛДИС (ОС ЛДИС).

За прототип выбрана ОС ЛДИС, в которой луч лазера частично пропускается светоделительной пластиной, создавая луч

гетеродинного канала. Основной луч, отразившись от светоделительной пластины, проходит через плоскопараллельную пластину, расположенную к оси луча под углом Брюстера, поворотное зеркало, четвертьволновую пластину и достигает антенны, которая фокусирует луч на заданное расстояние. Излучение, рассеянное на аэрозолях, движущихся в фокальной зоне измерителя, принимается апертурой АС и через четвертьволновую пластину, поворотное зеркало направляется к пластине Брюстера. от которой, в силу иного направления поляризации (ортогонального поляризации излучения, работающего на передачу), отражается в направлении второй светоделительной пластины, где происходит совмещение оптических .осей луча гетеродинного канала и луча, отраженного от пла- стины Брюстера с последующим фокусированием смешанного излучения линзой на площадку фотодетектора.

Недостаток прототипа заключается в отсутствии фильтрации излучения, рассеянСО

с

VI

Os

о ел VI

него в фокальной зоне АС от излучения, рассеянного до и после фокальной зоны. Например, наличие движущихся облаков за фокальной зоной вносит большие затруднения в измерении скорости ветра в фокальной зоне. Также очевидно, что паразитный сигнал, принятый от аэрозолей или, что еще хуже, от частиц тумана, вдоль оптической оси АС, гетеродинируется так же, как и полезный сигнал, из-за чего вносится значительная неопределенность в процессе измерения скорости ветра в заданной фокальной области.

Целью изобретения является снижение уровня излучения, рассеянного вдоль оптической оси антенны, и падающего на апертуру антенны из пространства, лежащего вне фокальной зоны.

Эта цель достигается тем, что в ОС ЛДИС, содержащую моностатическую антенну, пластину Брюстера, четвертьволновую и полуволновую пластины, линзу фотодетектора, светоделительные пластины, поворотные зеркала вводится аксион- ный кольцеобразователь, расположенный между светоделительной пластиной и пластиной Брюстера.

На фиг. 1 представлена ОС ЛДИС, где 1

-лазер, 2,3- светоделительные пластины, 4 - аксионный кольцеобразователь, 5 - пла,- стина Брюстера, 6 и 7 - поворотные зеркала, 8 - четвертьволновая пластина, 9 - АС, 10- полуволновая пластина, 11 -линза, 12

-фотодетектор.

На фиг. 2 изображен кольцеобразова тель, представляющий собой пластину со скошенными под углом 45° торцевыми гранями и с 45-градусной конусной выборкой.

Работа ОС ЛДИС осуществляется следующим образом: плоскополяризованный лазерный луч, частично пропускаемый светоделительной пластиной 2, отражается от этой пластины и поступает на кольцеобразователь 4. Роль кольцеобразователя заключается в трансформации луча круглого сечения в луч с кольцеобразным сечением с заданными внешним и внутренним радиусами. Принцип действия кольцеобразователя следует из рассмотрения (с учетом полного внутреннего отражения от конусных поверхностей) хода лучей на фиг. 2.

Кольцеобразный пучок проходит через пластину5, расположенную коси пучка под углом Брюстера, что обеспечивает проходимость излучения с заданным направлением поляризации, отражается от поворотного зеркала б и проходит через четвертьволновую пластину 8, после чего поляризация луча из плоской переходит в круговую. АС 9 производит телескопическое уширение

кольцевого пучка до его апертурного значения и обеспечивает фокусировку излучения в заданную область пространства. При этом в АС задействованы периферийные области

оптических элементов (внешние кольцевые зоны).

В фокальной области кольцевой раскрыв, обеспечивает практически такую же, как и круглый раскрыв, зону концентрации

0 энергии, что позволяет использовать в ОС ЛДИС моностатическую антенну. Прием рассеянного излучения производится на всю апертуру АС и далее, изменив после прохождения четвертьволновой пластины 8

5 вид поляризации с кругового на плоскополяризованный, ортогональный поляризации излучения лазера 1, отразившись от пластин 5 и 3, собирается линзой 11 на площадке фотодетектора 12, куда попадает так0 же часть излучения лазера, прошедшего через пластину 2, зеркало 7, полуволновую пластину 10, обеспечивающую поворот плоскости поляризации излучения лазера на 90°, чем достигается совмещение плоско5 стей поляризации принятого АС излучен ия и излучения лазера, смесительную пластину 3 и линзу 11, являющуюся опорным пучком для гетеродинирования принятого излучения.

0 Кольцеобразное сечение луча формируется везде после выхода излучения из антенны, за исключением фокальной области, и, частично размываясь, сохраняется в пространстве. Этот вывод подтверждается рас5 четами, проведенными на ЭВМ. В таблице представлены данные расчета доли мощности излучения, приходящейся на площадь, ограниченную геометрическим изображением внутренней окружности кольца, для

0 случаев формирования поля излучения кольцевым и круглым раскрывами. При расчетах использовались соотношение внутреннего и внешнего радиусов кольца е

о

5 0,75 и параметр АС а -т-р- 20.

Расчеты, представленные в таблице, показывают, что использование кольцеобразного сечения луча с заданными параметрами снижает уровень паразитно0

5

го рассеянного излучения на 5,5-7,5 дБ. Макетные испытания подтвердили справе дивость расчетов.

Формула изобретения Оптическая система лазерного допле- ровского измерителя скорости, содержащая моностатическую антенну, пластину Брюстера, четвертьволновую и полуволновую пластины, линзу фотодетектора, светоделительные пластины, поворотные зеркала, о т- личающаяся тем, что, с целью повышения точности за счет снижения уровня излучения из пространства, лежащего вне фокальной зоны, введен аксионный кольцеобразователь, расположенный между светоделительной пластиной и пластиной Брюстера.

Использование: в лазерных системах для определения параметров полета летательного аппарата, вектора скорости ветра, сдвига ветра и пр. Сущность изобретения: система содержит моностатическую антенну, пластину Брюстера, четвертьволновую и полуволновую пластины, линзу фотодетектора, светоделительные пластины, поворотные зеркала. Между светоделительной пластиной и пластиной Брюстера расположен аксионный кольцеобразователь. 2 ил.

ft/2./

Фиг.2