CS261180B1 - Two-component two-colour laser anemometer - Google Patents

Abstract

Řešení se týká oboru laserové měřicí techniky, měření rychlostí. Podstata řešení spočívá v tom, že mezi sekce a dělení laserových paprsků je zařezen přimohledný spektrálně disperzní hranol, a že mezi sekci detekce rozptylových paprsků a fotodetektory je zařezen spektrálně disperzní hranol.The solution concerns the field of laser measuring techniques, speed measurement. Essence The solution lies in the fact that between section and division the laser beam is cut spectrally dispersive prism, and that between leakage detection section a photodetectors are spectrally dispersed prism.

Description

Vynález se týká dvousložkového dvoubarevného laserového anemometru, sestávajícího z elektronické části, z laseru, a z optické části obsahující sekce dělení laserových paprsků, objektiv, sekci detekce světelných rozptylových signálů, kolimátor s clonou a fotoderektory.The invention relates to a two-component two-color laser anemometer consisting of an electronic part, a laser, and an optical part comprising laser beam splitting sections, a lens, a light scattering detection section, an aperture collimator and photodetectors.

Dvousložkové dvoubarevné laserové anemometry měří současně dvě složky vektoru rychlosti tekutin nebo pevných těles. K tomu účelu jsou laserové paprsky pro měření jednotlivých složek vektoru rychlosti kódovány (spektrálně, polarizačně, apod.) a složený světelný rozptylový signál je potom dekódován pro vyhodnocení jednotlivých složek vektoru rychlosti. Nejrozšířenějším postupem je spektrální kódování a dekódování na dvou vybraných vlnových délkách laserového paprsku. Kódování se dosud dosahuje bud dichroickými děliči nebo jednoduchými spektrálně disperzními hranoly. Dekódování se dosud dosahuje dichroickými děliči a úzkopásmovými spektrálními filtry.Two-component two-color laser anemometers measure simultaneously two components of the velocity vector of liquids or solids. To this end, the laser beams are coded (spectrally, polarizing, etc.) for measuring the individual components of the velocity vector, and the composite light scattering signal is then decoded to evaluate the individual components of the velocity vector. The most widespread procedure is spectral coding and decoding at two selected wavelengths of the laser beam. Coding has so far been achieved either by dichroic dividers or by simple spectral dispersion prisms. Until now, decoding has been achieved with dichroic dividers and narrowband spectral filters.

Nevýhodou dosavadních dvousložkových dvoubarevných laserových anemomentrů je způsob spektrálního kódování a dekódování, při kterém dochází ke ztrátám užitečného výkonu světelného signálu nejméně 25 až 30 % v důsledku spektrálních transmisních charakteristik dichroických děličů a úzkopásmových spektrálních filtrů.A disadvantage of the prior art two-component two-color laser anemometers is the spectral coding and decoding method, which results in a loss of useful light signal power of at least 25 to 30% due to spectral transmission characteristics of dichroic splitters and narrowband spectral filters.

Mnohé z těchto nevýhod odstraňuje dvousložkový dvoubarevný laserový anemometr podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že mezi sekce dělení laserových paprsků je zařazen přímohledný spektrálně disperzní hranol, a že mezi sekci detekce světelných rozptylových signálů a fotodetektory je zařazen.spektrálně disperzní hranol.Many of these disadvantages are overcome by the two-component two-color laser anemometer according to the invention, which comprises a transparent spectral dispersion prism between the laser beam splitting section and a spectral dispersion prism between the light scattering detection section and the photodetectors.

Výhoda dvousložkového dvoubarevného laserového anemometru podle vynálezu spočívá v tom, že optickými prvky pro spektrální kódování a dekódování jsou pouze dva spektrálně disperzní hranolové prvky, což způsobuje, že oproti dosavadním řešením odpadají ztráty světelného signálu při průchodu úzkopásmovými spektrálními filtry, a že odpadají ztráty světelného signálu v důsledku nedokonalého spektrálního dělení v dichroických děličích.The advantage of the two-component two-color laser anemometer according to the invention is that the optical elements for spectral coding and decoding are only two spectrally dispersed prism elements, which means that the loss of light signal when passing through narrowband spectral filters is eliminated due to imperfect spectral division in dichroic dividers.

Další výhoda spočívá v tom, že spektrální kódování a dekódování je realizovatelné formou optických sekcí, které lze zařadit do některých komerčních optických soustav laserových dopplerovských anemometrů bez dalších nákladných úprav těchto soustav.Another advantage is that spectral coding and decoding is feasible in the form of optical sections, which can be included in some commercial optical systems of laser doppler anemometers without further costly modifications of these systems.

Příklad provedení dvousložkového dvoubarevného laserového anemometru podle vynálezu je znázorněn na připojeném výkrese, který představuje schematický náčrtek optické soustavy anemometru podle vynálezu.An exemplary embodiment of a two-component two-color laser anemometer according to the invention is shown in the attached drawing, which is a schematic diagram of the optical system of the anemometer according to the invention.

V směru šíření vstupního polychromatického laserového paprsku 2 s vlnovými délkamiIn the direction of propagation of the input polychromatic laser beam 2 with wavelengths

Í^sou zařazeny sekce 2, 2 dělení laserových paprsků. Mezi nimi jsou dva polychromatické laserové paprsky 11 a 12. Do paprsku 12 je zařezen přímohledný spektrálně disperzní hranol 2> ze kterého vystupuje monochromatický laserový paprsek 121 s vlnovou délkou 4^, a monochromatický laserový paprsek 122 s vlnovou délkou Λ₂· Mezi sekcí děleni laserových paprsků 2 ^a objektivem 5 je polychromatický laserový paprsek 111 a dva monochromatické laserové paprsky 131 a 132 s vlnovými délkami λ ₁ a λ ₂, které procházejí sekcí 4_ detekce rozptylových paprsků. Za sekci 2 detekce rozptylových paprsků je zařezen kolimátor s clonou 2» spektrálně disperzní hranol 9 a fotodetektory 71 a 72. Mezi ohniskovou rovinou 51 objektivu 2 ^a spektrálně disperzním hranolem 2 3^e svazek polychromatických rozptylových paprsků 12· Mezi spektrálně disperzním hranolem 9 a fotodetektory 71, jsou jednosložkové monochromatické rozptylové paprsky 191 a 192 s vlnovými délkami λ_χ a Λ₂ .Sections 2, 2 of laser beam splitting ^are included. Between them there are two polychromatic laser beams 11 and 12. A transparent spectral dispersion prism 2 is cut into the beam 12, from which a monochromatic laser beam 121 with a wavelength ^ 4 and a monochromatic laser beam 122 with a wavelength Λ ₂ emerges. ^{and the} objective 5 is a polychromatic laser beam 111 and two monochromatic laser beams 131 and 132 with wavelengths λ ₁ and λ ₂ , which pass through the stray beam detection section 4. Behind the diffusion beam detection section 2 is a collimator with an orifice plate 2 »spectrally dispersed prism 9 and photodetectors 71 and 72. Between the focal plane 51 of the objective 2 ^{and the} spectrally dispersed prism 2 3 ^{e a} polychromatic scattering beam 12 · , are single-component monochromatic scattering beams 191 and 192 with wavelengths λ _χ and Λ ₂ .

Fyzikální podstata vynálezu spočívá ve spektrálním kódování laserových paprsků dvousložkového dvoubarevného laserového anemometru, kterého je dosaženo rozkladem polychromatického laserového paprsku 12 na monochromatické laserové paprsky 121, 122 přímohledným spektrálně disperzním hranolem 2» ^a dále ve spektrálním dekódování měřeného světelného signálu, kterého je dosaženo rozkladem svazku polychromatických rozptylových paprsků 16 spektrálně disperzním hranolem 9 na jednosložkové monochromatické rozptylové paprsky 191, 192 Jednosložkové paprsky 191, 192 dopadají odděleně na fotodetektory 71, 72, kde jsou přeměněny na jednosložkové elektrické signály. Elektronickým zpracováním jednosložkových elektrických signálů je vyhodnocen vektor rychosti tekutiny nebo tělesa pohybujícího se v ohniskové rovině 51 objektivu 2·The physical principle of the invention consists in the spectral coding of the laser beams of a two-component two-color laser anemometer, which is achieved by decomposing the polychromatic laser beam 12 into monochromatic laser beams 121, 122 by a transparent spectral dispersing prism 2 ^and spectral decoding scattering beams 16 by a spectral dispersion prism 9 to monocomponent monochromatic scattering beams 191, 192 The monocomponent beams 191, 192 impinge separately on the photodetectors 71, 72, where they are converted to monocomponent electrical signals. The electronic velocity vector of the fluid or body moving in the focal plane 51 of the objective lens 2 is evaluated by electronic processing of one-component electrical signals.

Dvousložkový dvoubarevný laserový anemometr podle vynálezu s výhodou použít ve všech aplikacích laserové anenometrie na lokální měření vektoru rychlosti tekutina pevných těles.The two-component two-color laser anemometer according to the invention is preferably used in all applications of laser anenometry to locally measure the velocity vector of a solid body.

Claims (1)

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION Dvousložkový dvoubarevný laserový anemometr sestávající z elektronické části, z laseru a z optické části obsahující sekce dělení laserových paprsků, objektiv, sekci detekce světelných rozptylových signálů, kolimátor s clonou a fotodetektory, vyznačený tím, že mezi sekce (2, 3) dělení laserových paprsků je zařazen přimohledný spektrálně disperzní hranol (8), a že mezí sekci (4) detekce rozptylových paprsků a fotodetektory (71, 72) je zařazen spektrálně disperzní hranol (9).Two-component two-color laser anemometer consisting of an electronic part, a laser part and an optical part comprising laser beam splitting sections, a lens, a light scatter detection section, an iris collimator and photodetectors, characterized in that the laser beam splitting sections (2, 3) a spectral dispersion prism (8), and that a spectral dispersion prism (9) is included between the beam detection section (4) and the photodetectors (71, 72).