УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ Советский патент 1974 года по МПК G01P5/26 

1

Известны устройства для измерения скорости, действие которых основано на выделении доплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном объектом в направлении, обратном падающему пучку. В полосе частот полезного сигнала на выходе этих устройств имеется высокий уровень шумов, частотный спектр которых определяется лазерными шумами и свойствами рассеивающего объекта.

Однако такие устройства имеют малое отношение сигнал/шум выходного сигнала.

Для снижения уровня шумов в предлагаемом устройстве установлены два квадратичных фотоприемника, между фокусирующей системой и фотоприемниками последовательно размещены фазосдвигающие элементы и расщепитель обратного рассеянного пучка, например призма Волластона, совмещенный с расщепителем падающего пучка. Выходы фотоприемников подключены к электронному блоку измерения частоты через дифференциальный усилитель.

На фиг. 1 показана оптическая схема устройства; на фиг. 2, а, б - векторные диаграммы.

Схема содержит последовательно расположенные источник 1 когерентного линейно-поляризованного света (лазер), фазовую четвертьволновую пластинку 2, объектив 3, расщепитель 4 обратного рассеянного пучка, например призму Волластона, совмещенный в фокальной плоскости объектива с расщепителем падающего пучка, объектив 5, образующий с объективом 3 телескопическую систему, 5 и фокусирующий объектив 6. Между объективами помещены фазосдвигающие элементы 7, которые могут быть выполнены в виде: двух полуволновых пластин, одноименные оси которых ориентированы под углом 22,5° к плоскости поляризации соответствующих расщепленных пучков; четвертьволновых пластин, помещенных в оба расщепленных пучка; полуволновой пластины, помещенной на пути рассеянного пучка и ориентированной одной из своих

5 осей под углом 22,5° к плоскости поляризации одного из падающих пучков.

Перед объективом 6 установлены диафрагмы 8 и 9 на пути расщепленных падающих пучков и полевая диафрагма 10, ограничивающая обратный рассеянный пучок. Квадратичные фотоприемники И и 12 с линзами 13, 14 и полевыми диафрагмами 15, 16 помещены соответственно на пути расщепленных призмой 4 рассеянных пучков. Выходы фотоприемников

5 подключены к электронному блоку 17 измерения частоты через дифференциальный усилитель 18.

Луч лазера, имеющий после прохождения четвертьволновой фазовой пластины и объек0 тива 3 круговую поляризацию, попадает на

поляризационную и расщепляется на два пучка одинаковой интенсивности с взаимно ортогональными поляризациями. Расщепленные пучкн объективом 5 преобразуются в параллельные и после прохождения фазосдвигающих элементов фокусируются объективом 6 на объект, скорость движения которого подлежит измерению. Рассеянный объектом в области пересечения падающих пучков свет собирается объективом 6, ограничивается диафрагмой 10 и объективом 5 направляется на поляризационную призму 4, где расщепляется на два пучка. Каждый из расщепленных рассеянных пучков линзами 13 (14) через диафрагмы 15 (16) направляются на соответствующий квадратичный фотоприемник 11 (12).

Если фазосдвигающие элементы 7 выполнены в внде двух иолуволновых пластин, одноименные оси которых ориентированы под углом 22,5° к плоскости поляризации соответствующих расщепленных падающих пучков, или одной полуволновой пластины, помещенной на пути рассеянного пучка н ориентированной также, то падающий на поляризационную призму рассеяниый пучок (фиг. 2) представляет две ортогональные поляризационные составляющие, EI и EZ, имеющие одинаковую интенсивность и повернутые относительно главных осей поляризационной призмы на угол 45°. Следовательно, в один из расщепленных пучков х составляющие от соответствующих поляризаций падающего на призму рассеянного пучка входят в фазе, тогда как в другой пучок fy - в противофазе, т. е.

Ex ijc + ix0)

Су - Cj,, с

Ху

где

с с i (О ... , , ,,

:..г-,у--у|- (со, + «й.),

s Е,у ф| ехр У (ш„ + f,

где соо - частота падающего светового пучка;

и содг - доплеровские сдвиги частоты в рассеянном пучке;

(Ks-K,) s,V{Ks-K,),

-

где V - вектор скорости рассеивающего объекта в области пересечения падающих пучков;

/Ci и /Са - волновые векторы соответствующих падающих пучков;

/Cs - волновой вектор выделенного рассеянного пучка.

Световые пучки описываются здесь плоскими водками

Случаю, когда фазосдвигающие элолспты выполнены в внде четвертьволновых пласт1П1, помещенных в оба расщепленных падающих пучка, соответствует векторная диаграмма,

показанная на фиг. 2. Из нее следует, что для расщепленпых рассеянных пучков также справедливы со.отн.оцюкпя (1).

Учитывая, что сигнал на выходе квадратичного фотопрпемипка можно представить в виде

у.,(2)

где а. - коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотонриемиика, 1олучаем из выражений (1) и (2)

I a.lE,, + E,, J +

|(0 ,

L

+ ,(Of.Wcos(Ao),0

(3)

гг/717 ,( , 2(0

/, а ,, -,, а.

(Осо8(Аш,о1,(4)

где

,, s,, V(K,K,).

Результирующий сигнал на выходе дифференциального усилителя равен разности сигналов с первого и второго фотопрпемников. Из формул (3) и (4) следует

Л/ /1 - /, 2а, (i) Е, (t) COS (ДшаО. (5)

Из сравнения выражения (5) с выражениями (3) и (4) видно, что из результирующего сигнала исключены постоянная составляющая п аддитивные щумы.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения скорости движения, содержащее последовательно расположенные источник когерентного линейно-поляризованного света, например лазер, расщепитель падающего пучка, фокусирующую оптическую систему, квадратичный фотоприемник с собирающим обратно рассеянное излучение объективом и электронный блок измерения частоты, отличающееся тем, что, с целью снижения уровня шумов, параллельно первому фотоприемнику установлен второй фотоприемник, между фокусирующей системой и фотоприемниками последовательно размещены фазосдвигающие элементы и расщепитель обратного рассеянного пучка, например призма Волластона, совмещенный с расщепителем падающего пучка, а выходы фотопрпемников через дифференциальный усилитель подключены к электронному блоку из.мерения частоты.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающие элементы выполнены в виде полуволновой нластины, установленной в каждом из двух падающих пучков под углом 22,5° к плоскости поляризации.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающий элемент выполнен в

вг1де полуволновой пластины, помещенно) на пути рассеянного пучка под углом 22,5° к плоскости поляризацпп.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающие элементы выполнены в виде четвертьволновых пластин, помещенных в оба расщепленных пучка.

а

jA

Ег,

п ОЕ2УV

иг.г