Способ разделения прямого и обратного световых потоков в лазерных доплеровских измерителях скоростей и лазерный доплеровский измеритель скорости потока обратного рассеяния Советский патент 1993 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и технической физике и может быть использовано в лазерных доплеров- ских системах, работающих в режиме обратного рассеяния.

Известно устройство приема оптических сигналов способом разделения пучков прямого и пучка рассеянного назад света в пространстве, в котором одновременно существуют противоположно направленные пучки прямого и рассеянного излучения, в котором операция разделения этих пучков осуществляется с помощью поворотного зеркала с отверстиями для прямых пучков, .Операция разделения прямого лазерного пучка на три прямых, причем два из них имеют частотный сдвиг, осуществляется двумя последовательно расположенными акустооптическими ячейками. Таким образом, для получения малых измерительных объемов и хорошего отношения сигнал/шум требуется увеличить апертуру прямых пучков света, но при этом ухудшается эффективность использования светосилы приемного объектива. Кроме того, используемое для разделения пучков прямого и рас- сеянногр света зеркало с тремя отверстиями под прямые лучи громоздко и трудоемко в изготовлении, что усложняет и удорожает всю конструкцию.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к данному является устройство приема оптических сигналов способом разделения прямого и рассеянного назад света в пространстве, в котором одновременно существуют противоположно направленные пучки прямого и пучок рассеянного излучения, содержащее последовательно расположенные лазер, поворотное зеркало, коллиматор, двухканальный двухчастотный акустооптический модулятор-расщепитель; коллиматор, поворотное зеркало, два объектива, согласующий объектив, поворотное зеркало, диафрагму и фотоприемник. Разделение прямых и рассеянного пучков света осуществляется на поворотном зеркале, определяющем предельную апертуру прямых пучков. Поверхность зеркала, свободная от отражающего покрытия, дает апертуру, оставшуюся для пропускания рассеянного назад света. .

Увеличение предельной апертуры прямых лучей на поворотном зеркале, позволяющее увеличить диаметр прямых пучков света, дает с одной стороны возможность уменьшения диаметра перетяжки в измерительном объеме и увеличения отношения сигнал/шум, с другой стороны, уменьшает апертуру зеркала, приходящуюся на прохождение рассеянного назад света, и тем самым, уменьшает мощность принимаемого рассеянного света и, следовательно, ухудшает отношение сигнал/шум. Кроме того,

используемое для разделения пучков прямого и пучка рассеянного назад света поворотное зеркало громоздко, трудно в изготовлении и удорожает конструкцию. Таким образом, недостатком.такого

0 способа и устройства, выполненного на его основе, являются высокие потери принимаемого рассеянного света и сложность конструкции. ,

Целью изобретения является уменыие5 ние потерь мощности принимаемого в обратном направлении рассеянхногр излучения.

На чертеже представлена структурная схема устройства, где 1 - лазер; 2,3- линзы

0 первого коллиматора; 4 - акустооптический модулятор-расщепитель; 5 - первый объектив; 6 - второй коллиматор; 7 - второй объектив; 8 - согласующий объектив; 9 - диафрагма; 10 - фотоприемник.

5 Поставленная цель достигается тем, что в известном способе приема оптических сигналов, заключающемся в том, что прямой лазерный пучок модулируют и расщепляют в прямом направлении, формируют измери0 тельную область в точке зондирования, при- нимают в обратном направлении рассеянный свет и формируют изображение измерительного объема на фотоприемнике, принимаемый рассеянный свет, распрост5 раняющийся в обратном направлении, колли: мируется и одновременно с прямым лазерным пучком модулируется, расщепляется и пространственно разделяется по углу между осями прямого и рассеянного пучков

0 света.

При этом при прямом распространении излучения используется режим дифракции Брэгга, а в обратном распространении рассеянного излучения используется режим

5 дифракции Рамана-Ната,

Для достижения поставленной цели путем использования акустооптического модулятора-расщепителя4 для пространственного разделения пучков пря0 мого и рассеянного назад света в известном устройстве приема оптических сигналов лазерного доплеровского анемометра обратного рассеяния, содержащем передающий .канал, состоящий из последовательно рас5 положенных лазера, коллиматора, акустооптического модулятора-расщепителя, коллиматора, первого и второго объективов, и канал формирования изображения измерительной области, содержащий согласую- щий объектив, диафрагму и фотоприемник,

фотоприемник установлен перед входной апертурой модулятора-расщепителя света, в канал формирования изображения измерительной области введен зкустооптиче- ский модулятор-расщепитель, оптически сопряженный с первым и согласующим объективом, при этом ориентация акустоопти- ческого модулятора-расщепителя для принимаемого в обратном направлении рассеянного излучения удовлетворяет уело- вию дифракции Рамана-Ната.

Устройство работает следующим образом..

Лазерный луч направляется на акусто- оптический модулятор-расщепитель 4 под углом Брэгга, который можно отрегулировать перемещением линз коллиматора 2 и 3 перпендикулярно оптической оси. В модуляторе-расщепителе 4 формируется акустическая бегущая фазовая решетка, на которой происходит дифракция падающего пучка света. В результате входной пучок расщепляется на два пучка - прямой и дифрагированный, смещенный по частоте на (О0, равную частоте колебаний, подаваемых на модулятор. Оптические элементы 5, б, 7 переносят точку расщепления лучей в исследуемую область, где формируется измерительный объем. .Оптические неоднородности движущейся среды, напри- мер, микрочастицы в жидкости или газе порождают рассеянный свет, имеющий доплеровский сдвиг частоты, определяемый скалярным произведением вектора компоненты скорости YX и волйового вектора оп- тической схемы . - Tt.x. Для дифференциальной схемы ЛДА величина о)g зависит от угла сходимости 2 «лазерных пучков, а его интенсивность определяется диаграммой рассеяния и апертурой формирующего объектива. Направление распространения рассеянного света центрировано относительно оптической оси устройства и отличается от направления входного лазерного пучка на угол 0(фиг.1).

Таким образом, на некотором расстоянии от входной апертуры ячейки можно наблюдать пространственно разнесенные прямой и рассеянный пучка света. Согласующий объектив 8 с диафрагмой 9 обеспечивают пространственную фильтрацию и перенос изображения измерительного объема на фоточувствительную поверхность фотоприемника 10. Теоретическая часть рассеянного света совпадает с ходом прямого пучка. Поэтому идеального разделения световых потоков в такой схеме достичь невозможно. Но в отличие от прямого лазерного пучка, испытывающего Брэгговскую дифракцию, для рассеянного пучка света условия Брэг- говс.кой дифракции не выполняются, а происходит дифракция Рамана-Ната. С другой стороны, Рамановские дифракционные порядки рассеянного света, если они-не смешиваются друг с другом и прямым пучком, то они будут также порождать синфазные доплеровские сигналы. Таким образом, Ра- . мановская дифракция рассеянного света не порождает потери света и не ухудшает отношения сигнал/шум.

В данном устройстве переориентация ячейки 4 не требуется, и пучок рассеянного света пропускается через эту же ячейку, чтобы получить эффект разделения потоков света.

Данное техническое решение позволяет строить миниатюрные оптические устройства с м.алыми фокусными расстояниями, в то время, как разделительное зеркало в устройстве-прототипе практи- чески полностью будет перекрывать рассеянный свет из-за большой апертуры прямых лазерных пучков, Кроме того, такая конструкция позволяет менять взаимное расположение и гауссовы параметры фокусируемых пучков света в широких пределах, так как отсутствует разделительное зеркало, что является определяющим при построении перестраиваемых оптических схем.

Изобретение относится к измерительной технике и технической физике и может быть использовано в лазерных доплеровских системах, работающих в режиме обратного рассеяния. Целью изобретения является уменьшение потерь мощности принимаемого в обратном направлении рассеянного излучения. Цель изобретения достигается тем, что излучение, рассеянное измерительной областью, преобразуют в коллимированный пучок, одновременно с прямым лазерным излучением его модулируют и расщепляют в режиме дифракции Рамана-Ната. А в лазерный доплеровский измеритель скорости потока обратного рассеяния в канал формирования изображения измерительной области введен акустоопти- ческий модулятор-расщепитель 4, оптический сопряженный с первым 5 и согласующим 8 объективами, при этом ориентация акустооптического модулятора- расщепителя 4 для принимаемого в обратном направлении рассеянного излучения удовлетворяет условию дифракции Рамана-Ната, 2 с.п.ф-лы, 1 ил. (л

Формула изобретения 1. Способ разделения прямого и обратного световых потоков в лазерных доплеров- скихизмерителях скоростей, заключающийся в модулировании зондирующего лазерного пучка, расщеплении его в режиме дифракции Брэгга, передаче его в прямом направлении, формировании измерительной области в точке зондирования, приеме рассеянного излучения измерительной областью в обратном направлении и формировании изображения измерительной

области, отличающийся тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, излучение, рассеянное измерительной областью, преобразуют в коллимированный пучок, одновременно с прямым лазерным излучением его модулируют и расщепляют в режиме дифракции Рамана-Ната.

акустооптического модулятора-расщепителя, снабжённого генератором, первого объектива, второго коллиматора и второго объектива, а также канал формирования изображения измерительной области, состоящий из оптически сопряженных согласующего объектива, диафрагмы и фотопрйемника, при этом акустооптический модулятор-расщепитель установлен под углом Брэгга к прямому излучению, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью увеличения отношения сигнал/шум, в канал формирования изображения измерительной области введен акустооптический модулятор-расщепитель, оптически сопряженный с первым и согласующим объективом, при этом ориентация акустооптического модулятора-расщепителя для принимаемого в обратном направлении рассеянного излучения удовлетворяет условию дифракции Рамана-Ната.