Двухкомпонентный измеритель скорости воздушных потоков Советский патент 1993 года по МПК G01P3/36 G01S17/00 

V4 Ю х|

ч

Изобретение относится к измерению параметров воздушных потоков, а именно к бесконтактным оптическим измерениям средней скорости воздушных потоков. Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерений. Цель изобретения достигается выполнением схемы 16 управления лазером в виде первого 18 и второго 19 расширителей импульсов, схемы совпадения 21 инвертора 20, тактового генератора 22 и ключа 23. Блок 17 управления дефлектором 12 содержит формирователь обнуления 25, триггер 26 и сдвинутый регистр 24. Управляемый дефлектор 12 содержит входной телескоп 8, электрооптический модулятор 9 с блоком питания 14, двулучеп- реломляющую призму 10. Выходной телескоп 11. На входе приемной системы установлен неуправляемый дефлектор, выполненный в виде прямоугольной призмы. В систему обработки эхо-сигналов введены центрирующее устройство, мультиплексор, блок памяти, демультиплексор,усредни- тель, корректор, измеритель временных интервалов, вычислительное устройство и индикатор, 6 ил.

ы

Изобретение относится к области измерения параметров воздушных потоков, конкретно - к бесконтактным оптическим измерениям средней скорости воздушных потоков.

Известна оптическая система слежения, где сканирование луча осуществляется вращением плоского зеркала. Такой вариант сканирования связан с возможностью потерь и искажений на подвижном зеркале, кроме того, указанная оптическая система не решает задачи измерения скорости воздушных потоков.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является лазерный измеритель скорости, обеспечивающий решение задачи определения вектора скорости воздушного потока в горизонтальной плоскости. Он содержит передающую систему, состоящую из импульс- кого лазера с модулятором однократной модуляции добротности за один импульс накачки и схемой управления блоками питания модулятора и лампы накачки лазера, приемную систему, состоящую из теле- скопа, интерференционного фильтра, фокусирующей линзы, диафрагмы и фотоприемника, электрический выход которого связан с входом системы обработки эхо-сигналов, состоящей из последовательно сое- диненных усилителя, аналого-цифрового преобразователя и микроЭВМ. Передающая система и телескоп приемной системы управления на подвижной платформе с узлом управления, осуществляющей сканиро- вание луча лазера.

Недостатками описанного измерителя являются большое время измерения, составляющее несколько минут, недостаточная точность, наличие подвижных узлов и громоздкость измерительного устройства в целом.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в двухкомпонентном измерителе скорости воздушных потоков, содержащем передающую систему, состоящую из импульсного лазера, снабженного модулятором добротности с блоком питания, выполненным с ключом в выходной цепи, а также лампой накачки с блоком питания и схемой управления лазером,блока сканирования луча лазера, снабженного блоком управления, и приемную систему, состоящую из после- довательно установленных и оптически сопряженных телескопа, диафрагмы, интерференционного фильтра и фотоприемника, выход которого соединен со входом системы обработки эхо-сигналов, содержащей усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также первый тактовый генератор, выход которого соединен со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, блок сканирования луча лазера передающей системы выполнен в виде управляемого дефлектора, содержащего последовательно установленные и оптически сопряженные входной телескоп, электрооптический модулятор с блоком питания, выполненным с ключом в выходной цепи, двулучепреломляющую призму и выходной телескоп, схема управления лазером содержит последовательно соединенные первый расширитель импульсов, схему совпадения и ключ, последовательно соединенные второй расширитель импульсов и инвертор, выход которого соединен со вторым входом схемы совпадения, а также второй тактовый генератор, выход которого соединен со вторым входом ключа, выход которого соединен с ключом в выходной цепи блока модулятора добротности лазера, выход первого расширителя импульсов соединен со входом блока питания лампы накачки, блок управления управляемым дефлектором содержит последовательно соединенные формирователь обнуления, сдвиговый регистр и триггер, выход которого соединен с ключом и выходной цепи блока питания электрооптического модулятора управляемого дефлектора, второй вход триггера соединен с выходом формирователя обнуления, вход которого соединен с выходом схемы совпадения схемы управления лазером, второй вход сдвигового регистра соединен с выходом ключа схемы управления лазером, на входе приемной системы установлен неуправляемый дефлектор, выполненный в виде прямоугольной призмы, причем угол при вершине определяется выражением tg/3 sin a/n - cos а, где а - угол, под которым- осуществляется прием излучения, п - показатель преломления материала призмы, в систему обработки эхо-сигналов введены центрирующее устройство, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход центрирующего устройства - с первым входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные мультиплексор, блок памяти, демультиплексор, усреднитель, коррелятор, измеритель временных интервалов, вычислительное устройство и индикатор, вход мультиплексора соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход первого тактового генератора соединен со входами первого расширителя импульсов и второго тактового генератора.

Изобретение позволяет за счет реализации перечисленных выше отличительных признаков сократить время измерения до нескольких секунд, пропорционально числу принятых эхо-сигналов повысить точность измерений,

В сравнении с прототипом данное устройство отличается наличием новых существенных признаков и, следовательно, соответствующих критерию изобретения новизна. Сравнение новых признаков данного решения с техническими решениями в данной области науки и техники показывает, что каждый в отдельности признак известен. Однако их выполнение в указанной взаимосвязи не обнаружено в других технических решениях, следовательно, данное решение соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 и 2 представлены структурные схемы соответственно передающей и приемной систем двухкомпонентного измерителя скорости воздушных потоков; на фиг.З - эпюры напряжений на выходе основных элементов схемы управления; на фиг.4 и 5 - оптические схемы хода лучей соответственно передающей и приемной систем; на фиг.6 - эпюры оптических и электрических сигналов.

Устройство содержит импульсный ла- зер 1. состоящий из активного элемента 2, блока накачки, включающего лампу 3 накачки, зеркала 4 и 5 резонатора лазера, модулятор 6 добротности лазера, призму 7, входной телескоп 8, электрооптический мо- дулятор 9, двулучепреломляющая призма 10, выходной телескоп 11, управляемый дефлектор 12, ключи Ki и Кг блоки 13 и 14 питания модуляторов, блок 15 питания лампы накачки, схема 16 управления лазером. блок 17 управления управляемым дефлектором 1.2, первый и второй расширители 18 и 19 импульсов, инвертор 20, схема 21 совпадения, тактовый генератор 22, ключ 23, сдвиговый регистр 24. формирователь 25 обнуления, триггер 26. На фиг.2 обозначены: неуправляемый дефлектор 27, телескоп 28, диафрагма 29, интерференционный фильтр 30, фокусирующая линза 31. Фотоприемник 32, усилитель 33, центрирующее устройство 34, аналого-цифрового преобразователя 35, первый тактовый генератор 36, мультиплексор 37. блок 38 памяти, демуль- типлексор 39, усреднитель 40, коррелятор 41, измеритель 42 временных интервалов, ариф- метическое устройство 43. индикатор 44.

На фиг.1 на одной оптической оси последовательно расположены активный элемент 2 импульсного лазера 1. призма 7 Плана, модулятор б добротности лазера,

зеркала 4 и 5 резонатора лазера. Лампа 3 накачки лазера, установлена параллельно активному элементу 2. На выходе лазера установлен управляемый дефлектор 12, включающий последовательно расположенные входной телескоп 8, электрооптический модулятор 9, двулучепреломляющую призму 10, выходной телескоп 11. В схеме 16 управления лазером параллельно соединены первый расширитель 18 импульсов и второй расширитель 19 импульсов, с выходом последнего соединен вход инвертора 20, входы схемы 21 совпадения соединены с выходами инвертора 20 и первого расширителя 18 импульсов, выход которого соединен также с блоком 15 питания лампы 3 накачки, входы ключа 23 соединены с выходами схемы 21 совпадения и второго тактового генератора 22, а выход ключа 23 соединен с ключом Ki выходной цепи блока 13 питания модулятора 6 добротности лазера. В схеме управления блоком 14 питания электрооптического модулятора 9 управляемого дефлектора 12 вход формирователя 25 обнуления соединен с выходом схемы 21 совпадения, а его выход - с входами сдвигового регистра 24 и триггера 26, выхрд которого соединен с ключом Кг цепи блока 14 питания электрооптического модулятора 9 дефлектора 12. вход сдвигового регистра 24 соединен с выходом ключа 23, а выход связан с входом триггера 26.

В приемной системе (см. фиг.2) на пути следования оптических сигналов, принимаемых с направления под углом «относительно оптической оси передающей системы, установлены последовательно неуправляемый дефлектор 27, телескоп 28 с диафрагмой 29, расположенной в фокальной плоскости его обьектива, интерференционный фильтр 30, фокусирующая линза 31 и фотоприемник 32. В системе обработки эхо-сигналов последовательно соединены фотоприемник 32, усилитель 33, центрирующее устройство 34, аналого-цифровой преобразователь 35, мультиплексор 37, блок 38 памяти, демультиплексор 39, коррелятор 41, усреднитель 40, измеритель 42 временных интервалов, арифметическое устройство 43 и индикатор 44, выходы первого тактового генератора 36 соединены со входами аналого-цифрового преобразователя 35, второго тактового генератора 22 и первого расширителя 18 импульсов.

Описанная схема 16 управления лазером позволяет реализовать принцип многократной модуляции добротности лазера за один импульс накачки.

На фиг.4 представлена оптическая схема хода лучей передающей системы с координэтными осями у и rj. По оси у распространяется обыкновенный луч, а необыкновенный луч распространяется по оси г/под углом а. Выходной телескоп 11 установлен наоборот. Это дает возможность выбором величин фокусных расстояний Fi1 и Fa1 увеличить в k Fa /Fv раз угол а отклонения. Однако, т.к. при этом увеличивается и угловая расходимость лучей то выбор указанных величин указанных величин решается на ос- нове компромиез. Выбором фокусных расстояний F1 и F2 входного телескопа 8 можно полностью или частично скомпенсировать увеличение указанной угловой расходимости лучей., ..;

Излучение, рассеянное на атмосферном аэрозоле в обратном направлении вдоль трасс следования указанных двух групп импульсов, поступает на вход приемной системы измерителя (см. фиг.2).

На фиг.5 представлена часть оптической схемы приемной системы и ход лучей ( в случае отсутствия явления рефракции на трассе) в направлении на приемную систему из некоторой области СИ (или.О2).з.ондиру- емой трассы (на фиг.б показано сечение облучаемой области). В качестве неуправляемого дефлектора 27 показана прямоуголь- ная призма. В данном случае для уменьшения потерь света за счет отражения используется нормальное падение света на ее приемную поверхность, Угол о., под которым осуществляется прием излучения с направления, совпадающего с осью у, и угол /3 при вершине прямоугольной приз- мы, для которого излучение на выходе призмы распространяется параллельно оси телескопа, связаны между собой выражением

tq р- Sing

Т9Р n-cosa

где п - показатель преломления материала призмы.

Из фиг.5а, видно, что если излучение поступает на вход приемной системы в на- правлении, совпадающем с осью ц , то луч 1 и аналогичные ему, попав на призму, преломятся в ней и далее будут следовать параллельно оси у. В результате, пройдя телескоп 28 (через точку 00, они будут сфо- кусированы на чувствительной поверхности фотоприемника 32. Те лучи, которые под тем же углом «(лучи 2) непосредственно попадают на приемную линзу телескопа 28, будут сфокусированы в точке 02 и могут быть легко задержаны диафрагмой 29.

Из фиг.56 видно, что, если излучение поступает на вход приемной системы с направления, совпадающего с осью у, то луч 1

и аналогичные ему будут сфокусированы на чувствительной поверхности фотоприемника 32, а лучи 2 могут быть задержаны диафрагмой 29.

На фиг.ба показаны эпюры зондирующих импульсов генерируемых лазером, соответствующие эпюрам, показанным на фиг.Зд. Как было сказано выше, два первых зондирующих импульса распространяются вдоль трассы, совпадающей с осью у два последующих зондирующих импульса распространяются вдоль трассы, совпадающей с осью ij. Через интервал времени г0 показана следующая серия из 4-х зондирующих импульсов, посылаемых аналогичным образом. Если трасса, на которой измеряют среднюю скорость, имеет протяженность L, то должно выполняться соотношение At 2L/c, где с -скорость света.

На фиг.б, б представлены эпюры мощности оптических сигналов обратного рассеяния на входе фотоприемника 32. Величина запаздывания Ati обусловлена тем, что перекрытие полей зрения оптических приемной и передающей систем, сконструированных по биаксиальной схеме имеет место на некотором расстоянии А у от измерительной системы.

На фиг.бв представлены эпюры напряжений на выходе центрирующего устройства 34.;:-;: . . .. ; :

На фиг.бг показаны интервалы времен ДТчу, ДТ2у,ДТцу и ДТ2, в течение которых . аналого-цифровой преобразователь 35 выполняет последовательное преобразование и измерение напряжений для четырех реализаций, а мультиплексор 37 осуществляет ввод преобразованных данных в секции I-IV блока 38 памяти.

На фиг.бг также показаны полученные на выходе коррелятора 41 функции взаимной корреляции

1

Ат

Riy(t-fb) д / Uiy(t)Uiy(t +r-r0)dt;

. l AT R2y (r - r0) д / U2y (t) Uy (t + т - r0)dt;

19Дт- Щ () «.L / и«; (t) (My (t +

+ r-r0)dt;

AT

R2r}(T-i:0)- / (t) (t +

+ r-r0)dt:

где Uiy(t), U2y(t). Ьщ, U2(t) - данные, извлекаемые соответственно из секций блока 38 памяти, Uiy (t + r-r0), Uay (t + T-TO), Uii;(t-Кг:-Го), LJb(t+T-TO) - текущие значения напряжений для сигналов обрат

ного рассеяния, полученных при зондировании трасс через интервалы времени т0, TO + At, r0 4-2 At и TO + 3 Д t соответственно.

На фиг.6, д показаны корреляционные функции Ry и Rrf как результат осреднения функций Riy, R2y и , Rirj соответственно, в усреднителе 40,

В измерителе 42 временных интервалов производят измерение интервалов времен TymnTtym, соответствующих максимумам корреляционных функций Ry и Rrj.

В вычислительном устройстве 43 производят вычисления

Vy С Гут/То, Vfy С Щт/То ,

Vx (Vrj - Vy cos «)/sin a ;

(aH-) arctgVx/Vy,

где с - скорость распространения света, А у С rym и A.J; С щт. р - угол между вектором скорости V и осью ц .

Число зондирующих импульсов выбирается, исходя из основного требования: максимальное увеличение отношения сигнал-шум. Ограничение на увеличение числа зондирующих импульсов накладывают процессы, вытекающие из физики работы лазера в режиме модулированной добротности. При этом важны такие характеристики, как время жизни рабочих состояний, время накачки, выбор частоты следования импульсов.

При времени накачки, составляющем величину Т, а также, учитывая, что интервал между импульсами

At ,

где tx - время жизни атомов в рабочем состоянии;

L - длина трассы зондирования;

с - скорость света, получим максимальное ЧИСЛО ИМПуЛЬСОВ Ммакс T/tx.

При этом ограничение на длину трассы зондирования будет вытекать из неравенства L с -1ж/2.

Возможны другие методы получения многоимпульсной генерации лазера за один импульс накачки, например с использованием эффекта самосинхронизации мод лазера.

Минимальное число импульсов, при котором еще может быть достигнута поставленная цель равно трем. Например, два зондирующих импульса, посылаемые по трассе вдоль оси у или rj. и один импульс, посылаемой по этим же трассам через интервал времени TO. При этом результат усреднения может быть получен по двум возможным функциям взаимной корреляции. В примере, который иллюстрирован фиг.б, максимальное число усредняемых

0

5

корреляционных функций составляет четыре (для четырех зондирующих импульсов): корреляции между реализациями 1- и 3-, 2- и 4-, 1- и 4-, 2- и 3-ей. Для получения максимального числа корреляционных функций используют дополнительные секции блока памяти, показанные на фиг.2 пунктиром.

Возможное число функций взаимной корреляции составляет (N /2)2,

Статистическое усреднение полученных корреляционных функций повысит точность определения скорости. Действительно, дисперсия оценки положения максимума корреляционной функции otm имеет вид

Ј

0

5

0

5

0

5

0

5

/TV 2 - ОТт -

4 (С/Ш)Вых где г« - радиус корреляций;

(С/Ш)вых - отношение сигнал-шум на выходе коррелятора.

Ввиду статической независимости флуктуации, при усреднении (N/2)2 корреляционных функций дисперсия шумов должна уменьшиться в v(N/2)2 раз. Следовательно, дисперсия оценки положения максимума уменьшиться в то же число раз, т.е.

(С/Ш)еых

Двухкомпонентный измеритель скорости воздушных потоков работает следующим образом.

В исходном состоянии ключи Ki и Kg разомкнуты, ключ 23 закрыт, а сдвиговый регистр 24 и триггер 26 обнулены.

При подаче команды Пуск на вход первого расширителя 18 импульсов схемы 16 управления лазером (см. эпюру напряжения на фиг.4а) на выходе первого расширителя 18 импульсов формируется импульс (фиг.4б) длительность которого равна длительности Т импульса накачки лампы 3 накачки, а на выходе второго расширителя 19 импульсов формируется импульс (фиг.4в), длительность At которого определяется условием

ДГ 1/ГТГ, где frr - частота тактового генератора 22.

Импульс с первого расширителя 18 импульсов запускает блок 15, питания лампы 3 накачки и поступает на схему 21 совпадения. Импульс со второго расширителя 19 импульсов, пройдя инвертор 20. также поступает на схему 21 совпадения. На выходе ее формируется импульс, показанный на фиг.4, г, который открывает ключ 23. В результате на ключ KI поступают импульсы тактового генератора 22 (см. фиг,4,д), которые на протяжении интервала Т замыкают и размыкают ключ Ki. а лазер за это время генерирует N - T/At импульсов (для простоты показано четыре импульса). С выхода ключа 23 импульсы тактового генератора 29 поступают также на сдвиговый регистр 24. В течение времени Т/2, соответствующего поступлению в блок 17, управления N/2 импульсов (в данном случае двух импульсов), ключ Кг продолжает находиться в разомкнутом состоянии и импульсы, пройдя через управляемый рефлектор 12 без отклонения, будут следовать далее по трассе без отклонения в направлений, совпадающем с осью у. По прошествии интервала времени, равного Т/2, сдвиговый регистр 24 переводит триггер 26 в состояние 1, в котором находится в течение последующего интервала времени, равного Т/2 (см. фиг.4,е). В результате ключ Ка замыкается и в течение указанного интервала времени находится в этом состоянии. При замыкании ключа К2 управляемый рефлектор 12 отклонит последующие два импульса на угол а, обеспечивая их распространение вдоль трассы, совпадающие с направлением г. Через время Т после открытия ключа 23 формирователь 25 обнуления переводит сдвиговый регистр 24 и триггер 26 в исходное состояние, когда генерация лазера отсутствует. На выходе фотоприемника 32 формируются электрические сигналы, соответствующие сигналам обратного рассеяния, попадающим в приемную систему устройства. Далее блок 35 выполняет последовательное преобразование четырех полученных реализаций, а мультиплексор 37 вводит данные в блок памяти 38. В блоке 41 вычисляются функции

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Двухкомпонентный измеритель скорости воздушных потоков, содержащий передающую систему, состоящую из импульсного лазера, снабженного модулятором добротности с блоком литания, выполненным с ключом в выходной цепи, а также лампой накачки с блоком питания, и схемой управления лазером, блока сканирования луча лазера, снабженного блоком управления, и приемную систему, состоящую из последовательно установленных и оптически сопряженных телескопа, диафрагмы, интерференционного фильтра и фотоприемника, выход которого соединен с входом системы обработки эхо-сигналов, содержащий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также первый тактовый генератор, выход которого соединен с вторым входом аналого-цифрового преобразовзаимной корреляции, после осреднения функций в усреднителе 40. В блоке 42 происходит измерение интервалов между максимумами корреляционных функций, после

чего в блоке 43 происходит вычисление скорости воздушного потока, величина которой отображается на индикаторе 44.

Данное техническое решение позволяет значительно, по сравнению с прототилом, сократить время измерений. Так, если при реализации в прототипе временного корреляционного анализа это время составляет Тизм 5-10 мин, то в данном решении оно составит Тизм Го, т.е. практически будет определяться интервалом времени между двумя зондирующими посылками, который может меняться в пределах от долей до 3-5 секунд.

Лазерный измеритель скорости воздушных потоков позволит реализовать также следующие преимущества.

Наличие управляемого устройства отклонения луча, обеспечивающего последовательное распространение зондирующих

импульсов по разным зондируемым направлениям, дает возможность осуществить прием эхо-сигналов на один фотоприемник и, следовательно, требует толь ко один канал системы обработки эхо-сигналов, что уменьшает число узлов и габариты измерителя.

Измерение компонент среднего вектора скорости воздушных потоков в горизонтальной плоскости осуществляется всего за два акта генерации лазера.

:

вателя, о тли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерений, блок сканирования луча лазера передающей системы выполнен в виде управляемого дефлектора, содержащего последовательно установленные и оптически сопряженные входной телескоп, электрооптический модулятор с блоком питания, выполненным с ключом в выходной цепи, двулучепреломляющую призму и выходной телескоп, схема управления лазером содержит последовательно соединенные первый расширитель импульсов, схему совпадения и кяюч, последовательно соединенные второй расширитель импульсов и инвертор, выход которого соединен с вторым входом схемы совпадения, а также второй тактовый генератор, выход которого соединён с вторым входом ключа, выход которого соединен с ключом в выходной цепи блока

питания модулятора добротности лазера, выход первого расширителя импульсов соединен с входом блока питания лампы накачки, блок управления управляемым дефлектором содержит последовательно соединенные формирователь обнуления, сдвиговый регистр и триггер, выход которого соединен с ключом в выходной цепи блока питания электрооптическогр модулятора управляемого дефлектора, второй вход триггера соединен с выходом формирователя обнуления, вход которого соединен с выходом схемы совпадения схемы управления лазером, второй вход сдвигового регистра соединен с выходом ключа схемы управления лазером, на входе приемной системы установлен неуправляемый дефлектор, выполненный в виде прямоугольной призмы, причем угол при вершине определяется выражением

tg/ sin a/n - cos a: где а - угол, под которым осуществляется прием излучателя;

п - показатель преломления материала призмы,

в систему обработки эхо-сигналов введены центрирующее устройство, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход центрирующего устройства - с первым входом аналого-цифрового преобразователя, последовательно соединенные мультиплексор, блок памяти, демультиплексор, усреднитель, коррелятор, измеритель временных интервалов, вычислительное устройство и индикатор, вход мультиплексоров соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, выход первого тактового генератора соединен с входами первого расширителя импульсов и второго тактового генератора.

fLOJL

и

т/г

CD

Фиг.5