SU1099284A1 - Лазерный доплеровский измеритель скорости - Google Patents

Abstract

. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, пол ризационный pacп eпитeль, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты , отличающийс  тем, что, с целью повьшени  чувствительности , в него введены формирователь двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными пол ризаци ми, установленный между лазером и фокусирующим объективбм и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщеЛител , пары вращателей плоскости пол ризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель , подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к блоку обработки доплеровской частоты. У

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  локальной скорости потока жидкости или газа оптическими средствами. Известен лазерный доплеровский из меритель скорости, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фоку сирующий и собирающий объективы, апе турную диафрагму, пол ризационный расщепитель, два фотоприемника и бло обработки доплёровской частоты, а также расщепитель, установленный меж ду лазером и фокусирун цим объективом и дифференциальный усилитель, через который выходы фотоприемников подклю чены к блоку обработки доплёровской частоты l) Однако известное устройство имее недостаточную Чувствительность, что ограничивает нижний диапазон измер  мых скоростей. Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности лазерного доплеровского измерител  скорости. Поставленна  цель дос игаетс  тем, что в лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собираклдий объективы апертурную диафрагму, пол ризационный расщепитель, два фотоприемника и блок обработки доплёровской частоты , введены формирователь двух сдвоенных лучей с различньми частотами и взаимно ортогональными пол ризаци  ми, установленный между лазером и фокусирующим объективом и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщепител , пары вращателей плоскости пол ризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам фотоприемников , а выходом - к блоку обра ботки.доплёровской частоты. Йа фиг. 1 представлена блок-схема лазерного доплеровского измерител  скорости, работакхцего на рассе нном вперед свете; на фиг. 2 - 6 - вариан ты построени  устройства формировани двух лучей, каждый из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные линейные пол ризации; на фиг. 7 - блок-схема лазерного доплеровского измерител  скорости, работающего на рассе нном назад свете; на фиг. 8 - 11 - варианты построени  устройства формировани  двух лучей, каждьш из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные круговые пол ризации; на фиг. 12 - блоксхема лазерного доплеробского измерител  скорости, работающего в рассе нном назад свете. Лазерный доплеровский измеритель (фиг. 1) состоит из лазера 1, излучающего луч 2, устройства 3, формирующего два луча 4 и 5, каждый из которых представл ет суперпозицию двух пространственно .7 совмещенных пучков, имеющих различные частоты f и fn к взаимно ортогональные линейные пол ризации , фокусирук цего объектива 6, области 7 измерени , движущейс  со скоростью V потока, собирающего рассе нный свет 8. объектива 9, апертурной диафрагмы 10 с крестообразным отверстием, пол ризационной 11ризМЫ .11, двух фотоприемников 12 и 13, смесител  14 и измерител  15 доплёровской частоты. Устройства 3 формировани  двух лучей состо т из расщепител  16, вращателей 17 и 18 плоскости пол ризации , четвертьволновых пластин 19 и 20 (фиг. 2); из устройства 21 сдвига частоты,, состо щего из четвертьволновых пластин 22 и 23 и вращающейс  четвертьволновой пластины 24, и полуволновой пластины 25 («г.З); четвертьволновой пластины 26 и полуволновой пластины 27, при этом 28 зеемановский лазер (фиг. 4); из интерферометра Жамена, состо щего из двух полупрозрачных зеркал 29 и 30 и двух зеркал 31 и 32, частотосдвига лцего устройства 33, полувблновых пластин 34 и 35, зеркала 36 (фиг.5); из двух четвертьволновых пластин 37 и 38, при этом 39 - кольцевой лазер, излучающий два пространственно разделенных луча 2 (фиг. 6). В лазернсГм измерителе скорости, представленном на фиг. 7, в отличие от схемы на фиг. 1 установлен пол ризащсонный расщепитель 11, состо щий из четвертьаолновой пластины 40 и пол ризационной призмы 41. В этой схеме устройство 3 формировани  двух лучей состоит из расщепител  42 и вращателей 43 и 44 плоскости пол ризации (фиг, 8); из ортогонального преобразовател  45 пол ризации, состо щего из четвертьволновых пластин 46 и 47 и полуволновой пластины 48, при этом 49 - зеемановский лазер (фиг. 9); из устройства 50 сдвига частоты, состо щегб из вращаю щейс  полуволновой пластины 51 к четвертьволновой пластины 52, двух четвертьволновых пластин 53 и 54 (фиг. 10); из светоделител  55 и дву поворотных зеркал 56 и. 57, при этом 58 - зеемановский лазер (фиг.П В лазерном измерителе скорости, представленном на фиг. 12, в отличие от схем на фиг. 1 и 7 установлены зеркало 59 и диафрагма 60 со щелеобразным отверстием, лежащим в плоское ти лучей 4 и 5. Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 1) рабо- ает следующим образом. Лазер 1 излучает линейно пол ризованньй луч 2, поступающий на вход устройства 3 формировани  двух лу- , чей, на выходе которого формируютс  два параллельных луча 4 и 5, причем луч 4 представл ет суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков, один из которых, вертикально пол ризованный ., имеет частоту ff,a другой имеющий горизонтальную пол ризацию, частоту f2. Луч 5 также сострит из двух пучков, один из которых, пол ризованный в вертикальной плоскости имеет частоту fe, а другой, горизонтально пол ризованный - частоту f. Далее лучи 4 и 5 фокусируютс  объективом 6 в исследуемую область 7 пото ка. Рассе нное движущимис  частицами излучение Я собираетс , объективом 9в пределах пространственнои области ограниченной диафрагмой 10, и направ л етс  объективом 9 на вход пол риза ционной призмы 11, котора  делит рассе нное излучение на два пучка, один из которых, имек ций горизонталь ную пол ризаци, поступает на фотодетектор Т2, другой, имекиций вертикальную пол ризацию - на фотодетектор 13. В результате оптического гетеродинировани  на выходе фото- детектора 12 образуетс  переменна  составл юща  сигнала на частоте.. -An +(0tf, а на вьвсоде фотоприбмника ТЗ - равна  ей по амплитуде переменна  составл юща  сигнала на частоте ЬЯ-оз, где ь.Д 2i(,). Сигналы с выходов фотоприемииков Т2 и 13 поступают на входы смесите4 л  14, на выходе которого вьщел.зтс  разностна -частота, равна  2У| котора  измер етс  измерителем 15 доплеровской частоты. Рассмотрим более подробно работу различных вариантов построени  схем устройства 3 формировани  двух лучей , которые могут быть использованы в рассматриваемой схеме. В устройстве 3 (фиг. 2) луч 2 делитс  расщепителем 16 на два луча. Один из лучей 4 поступает на вращатель 17 плоскости пол ризации, которьй, например , представл ет электрооптическую пластину, помещенную во вращающеес  с угловой скоростью Д П полуволновое электрическое поле. На выходе четвертьволновой пластины 19 в этом случае имеютс  вертикально и горизонтально пол ризованные составл ющие волны с частотами 00, Wo+лЛ и 4;.i(iq;-ftnj fMJ(j-частота излучени  лазера). Луч 5 проходит через аналогичный , враща тель 18 плоскости пол ризации и четвертьволновую пластину 20, азимут оси которой составл ет в,0,+90° где - азимут оси четвертьволновой пластины 19. В этом случае на выходе пластины 19 формируетс  также вертикально и горизонтально пол ризованные составл ющие волны соответственно с частотами Oj Сд)о- ЬП, и W,COo+u«,. В устройстве 3 (фиг. 3) линейно пол ризованный луч 2 поступает на вход устройства 21 сдвига частоты, которое состоит из последовательно установленных четвертьволновой пластины 22, вращакщейс  с угловой скоростью ЛЯ , четвертьволновой пластины 24 (например, электрооптический кристалл, помещенный во вращающеес  четвертьволновое электрическое поле) и четвертьволновой .пластины 23. На выходе такого устройства 21 имеютс  две пространственно совмещенные горизонтально и вертикально пол ризованные волны с частотами 0о иОд-2Ла. Этот пучок делитс  расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через полуволновую пластину 25, с помощью которой осуществл етс  поорот плоскости пол ризации волны а 90, В устройстве 3 (фиг. 4) зеемавовский двухчастотньй лазер 26 излучает уч 2, представл ющий суперпозицию двух взаимно ортогонально пол ризованных по кругу волн с частотами Si и-Йо- Этот пучок с помощью четвертьволновой пластины 26 преобразуетс  в две волны с взаимно ортогонал линейными пол ризаци ми, которые дел тс  расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем на пути луча 5 установлена полуволнова  пластина 27 осуществл кица  поворот плоскости пол ризации луча 5 на 90. В устройстве 3 (фиг. 5) линейно пол ризованный луч 2 с частотой СОд делитс  светоделителем 29 на два луча , один из которых затем делитс  светоделителем 30 на два луча 4 и 5. Луч 5, отразившись от светоделител  30, проходит через полуволновую пластину 35, предназначенную дл  поворота плоскости пол ризации луча на 90°. Второй луч, отразившись от светоделител  29 и зеркала 31, прохо . дит через частотосдвйгающее устройство 33 (например, акустооптическую  чейку Брегта), где смещаетс  по частоте. Далее этот луч после отражени  от зеркала 32 и прохождени  полуволновой пластины 34, предназначенной дл  поворота плоскости пол ри зации на 90, делитс  светоделителем также на два луча 4 и 5. Таким образом луч 4 пр.едставл ет суперпозидаю двух пространственно совмещенных пучков, имеющих горизонтальную и вертикальную пол ризацию и соответст«енно частоты О иоо, G3o+uQ,. Луч 5 состоит также из горизонтально и вертикально пол ризованных сост.авп ющих .волн соответственно на частотах СО(Ор+йГ, ИМо. В устройстве 3 (фиг. 6) кольцевой лазер 39 с анизотропным резонатором reHepHpyet два пространственно разделенных луча 2, каждый из которых состоит из двух ОрТОГОНаЛЬЙО ПОЛЯрИзованных по кругу составл ющих на частотах Со, HW . С помощью четвертьволновых пластин 37 и 38, азимут оси одной из которых развернут на 90 по отношению к азимуту-оси второй пластины , формируютс  два луча 4 и 5, 1нме1ацих взаимно ортогональные линейHbie пол ризаций. Рассмотрим особенность работы схе мы лазерного доплеровского измерител  (фиг. 7), в котором используетс  устройство 3 дп  формировани  двух лучей 4 и 5, каждый из которых состоит из двух взаимно ортогональных пол ризованных по кругу пучков с частотами и f 2 . Лучи 4 и 5. фокусируютс  объективом 6 в область измерени . Рассе нное излучение 8 собираетс  объективом 9 и направл етс  на вход пол ризационного расщепител  11, состо щего из четвертьволновой пластины 40 и пол ризационной призмы 41. Рассе нное излучение 8, имеищее круговую пол ризацию, преобразуетс  с помощью четвертьволновой пластины 40 в излучение с линейной пол ризацией. Пол ризационна  призма 41 делит рассе нное излучение 8 на два пучка, один из которых направл етс  на фотоприемник 12, а другой - на фотоприемник 13. В результате оптического гетеродинировани  на выходе фотоприемника 12 образуетс  сигнал на частоте д О. Urfi а на выходе фотоприемника 13 - на частоте ДЙ-COg-. Эти сигналы поступают н,а смеситель, на выходе которого вьщел етс  раэностна  частота 2Од-, котора  измер етс  измерителем 15 доплеровской частоты. .Рассмотрим р боту различных устройства 3 формировани  двух лучей , которые мэгут быть использованы в схеме по фиг. 7. В устройстве 3 (фиг. 8) луч 2 делитс  расщепителем 42 на два луча 4 и 5, которые далее проход т через вращатели 43 и 44 плоскости пол ризации. Если устройство 43 вращает плоскость пол ризации луча, например, по часовой стрелке, а устройство 44 против часовой стрелки, то луч 4 состоит из право- и левоциркул рно пол ризованньрс волн соответственно на частотах CJ, иу , а луч 5 состоит из левои правоциркул рно пол ризованных волн соответственно на частотах со к GJ, В устройстве 3 (фиг. 9) зеемановский лазер 49 излучает луч 2, который делитс  расщепителем 42 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через ортогональный преобразователь пол ризации (состо щий из последовательно расположенных четвертьволновой , полуволновой и четвертьволновых пластин), который преобразует пол ризацию входного пучка на взаимно ортогональное состо ние пол ризации. В устройстве 3 (фиг.10) луч 2 поступает на вход устройства 50 сдвига частоты, состо щего, например, из вращающейс  полуволновой пластины 51 и четвертьволновой пласти ны 52, на выходе которого образуютс  две ортогонально линейно пол ризационные составл ющие волны на частотах СОд и со . Далее луч 2 делитс  расщепителем 42 на два луча 4 и 5, на пути которых установлены четверть волновые пластины 53 и 54, причем азимут 0 оси пластины 53 равен , где S - азимут оси пластины 54. В устройстве 3 (фиг. 11) зееманов ский лазер 58 излучает луч 2, который делитс  светоделителем 55 на два луча. Один луч проходит через светоделитель 55, а второй, отразившись от светоделител  55, направл етс  на зеркала 56 и 57. Так как при отражении происходит изменение направлени  электрического вектора, луч 5 состоит из двух составл ющих на частоте f и f, имеющих взаимно ортогональные круговые пол ризации п отношению к соответствующим составл ющим луча 4 на частотах и 2 . Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 12) работает следующи образом. Лазер 1 излучает луч 2, поступающий на вход устройства 3 формировани  двух лучей, которое может быть выполнено либо по схемам на фиг. 2-6 либо по схемам на фиг. 8-11. Параллельные лучи 4 и 5 фокусируютс  объе тивом 6 в область 7 измерени . Рассе  нное назад излучение 8 собираетс  1 84. объективом 6 в пределах щелеобрг.знсй диафрагмы 60 и после отражени  от зеркала 59 направл етс  объективом 9 на пол ризационный расщепитель 11. Если лучи 4 и 5 состо т из двух линейно пол ризованных составл ющих, одна из которых пол ризована в плоскости лучей 4 и 5, то рассе нное излучение сохран ет неизменным свое состо ние пол ризации при приеме излучени  в пределах щелеобразной диафрагмы . Б этом случае пол ризационный расщепитель 11 делит пучок 8 на два луча, один из которых, пол ризованный в горизонтальной плоскости, направл етс  на фотоприемник 12, а другой, пол ризованный в вертикальной плоскости, на фртоприемник 13. В результате оптического гетеродикировани  Hai выходе фотоприемников 12 и 13 образуютс  сигналы соответствен+ Og и U п - %, котоно на частотахдП смеситель Г4. Сигрые поступают на нал разностной частоты выхода в измеритель 15 смесител  поступает доплеровской частоты. Предлагаемьй измеритель имеет более высокую чувствительность по сравнению с известным. Повышение чувствительности в два- раза достигаетс  за счет использовани  в измерителе устройства формировани  двух пучков и двухканальной схемы приема. Повышение чувствительности позвол ет расширить нижний диапазон измер еь ых скоростей и повысить точность измерени  очень малых скоростей.

Фыг.г

Фиг.З

И

J

ф1/г.

фиг. 5 J7

I

Т

П 1

ЬН

f% w. 5

г

9

фт.8

J fL л

00

А fz Ю. ОО

4 Фш.9

Фг/г. Ю

Claims (1)

1. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ

   ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризацион ный расщепитель, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены формирователь * двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными поляризациями, установленный между лазером и фокусирующим объективбм и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщепителя, пары вращателей плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к блоку обработки доплеровской частоты.

   Φοι 7