Двухкомпонентный лазерный анемометр — SU 1078336 (original) (raw)
СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН И 9) (11) б С 01 Р 5/О л,ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ ЕТЕЛЬСТ Н АВТОРСКОМУ УДАРСТНЕННЫЙ КОМИТЕТ СССДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИ(71) Киевский ордена Трудового Красного Знамени институт инженеровгражданской авиации(54)(57) ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙАНЕМОМЕТР, содержащий оптически сопряженные лазер, два расщепителя, дваустройства сдвига частоты, фокусирующий и собирающий рассеянный назадсвет объективы, поворотное зеркало и фотоприемник, а также два измери- (теля доплеровской частоты, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения соотношения сигнал/шум,в него введены оптическая линия задержки и два электрических полосовых фильтра, а первый расщепительвыполнен в виде оптического устройства формирования трех лазерныхпучков, лежащих в одной плоскости,при этом входы электрических полосовых фильтров параллельно соединеныс фотоприемниками, а выходы - с измерителями доплеровской частоты, аоптическая линия задержки расположена между первым и вторым расщепителями на пути центрального луча пер,вого расщепителя, 1078336Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения вектора скорос-, ти дВумерного потока жидкости или газа оптическими средствами.Известен двухкомпонентный лазер ный анемометр, содержащий оптически сопряженные лазер, два расщепителя, два устройства сдвига частоты, фокусирующий и собирающий рассеянный назад свет объективы, поворотное зеркало и фотоприемник, а также два измерителя доплеровской частоты 1,Однако расщепители в известном анемометре выполнены поляризационными,что влечет за собой применение множества дополнительных поляризационных оптических элементов,Поэтому известный анемометр обладает низким отношением сигнал/шум при работе в рассеянном назад свете. Теоретические исследования дифференциальной схемы с рассеянием назад на основе теории рассеяния Ми показывают, что величина доплеровского сигнала существенно зависит от степени поляризационного сог 25 ласования смешиваемых волн, Причем, коэффициент поляризационного согласования равен единице только при наблюдении рассеянного излучения в направлении, близком к оптической 30 оси схеМы. 10 Поэтому в известной схеме для обеспечения эффективной поляризапионной селекции оптических сигналов,исключающей неоднозначность в измерении ортогональныхкомпонент скорости, необходимо принимать рассеянное излучение в малой угловой апертуре, в пределах которой коэффициент поляризационного согласования равен единице.Целью изобретения является повышение отношения сигнал/шум. 40 50 5Поставленная цель достигается тем,что в двухкомпонентный лазерный анемометр, содержащий оптически сопряженные лазер, два расцепителя, два устройства сдвига частоты, фокусирующий и собирающий рассеянный назад свет объективы, поворотное зеркало и фотоприемник, а также два измерителя доплеровской частоты, введены оптическая линия задержки и два электрических полосовых фильтра, а первый расщепитель выполнен в виде оптического устройства формирования трех лазерных пучков, лежащих в одной плоскости, при этом входи электрических полосо вых фильтров параллельно соединены с фотоприемниками, а выходы - сизмерителями доплеровской частоты, а оптическая линия задержки расположена между первым и вторым рас щепителями на пути центрального лу- ча первого расщепителя.На чертеже представлена блок-схема предлагаемого анемометра.Анемометр содержит лазер 1, излучающий луч 2, призменный расщепитель 3, делящий луч 2 на три параллельных луча 4 - 6, призменный расщепитель 7, делящий луч 5 на два луча 8 и 9 равной интенсивности, два устройства сдвига частоты 10 и 11, подключенные к электронным блокам питания 12 и 13,оптическую линию задержки 14,выполненную, например,иэ отрезка световода длиной А , фокусирующего объектива 15, области измерения 16, через которую движутся неоднородности потока, рассеивающие свет 17, собираемый объективом 15, поворотное зеркало 18, объектив 19, фотоприемник 20, два полосовых фильтра 21 и 22 и два измерителя доплеровских частот 23 и 24.Двухкомпонентный лазерный анемометр работает следующим образом.В качестве источника когерентного измереиия в схеме используется лазер 1, для которого известна функция степени временной когерентности11. Пучок 2, имеющий интенсивность 1 д, делится расщепителем 3 на три параллельных луча, два из которых 4 и 6 имеют равные по значению интенсивности К 1, 0,25, а лу 5 - интенсивность К 1 0,5 К - коэффициент потерь). Луч 4 направляется на вход устройства сдвига частоты 10, с помощью которого осуществляется фиксированный сдвиг его чаототы на величину 1Далее два луча 4 и 6, распространяющиеся в горизонтальной плоскости симметрично относительно оптической оси схемы, Фокусируются объективом 15 в область измерения двумерного потока 16. Луч 5 проходит оптическую линию задержки 14, с помощью которой предусматривается задержка луча 5 по времени налтакую величину с , при которой модуль степени временной когерентностиЩ равен нулю, Затем луч 5 делится расщепителем 7 на два луча 8 и 9 равной интенсивности. Причем луч 8 проходит устройство сдвига частоты 10, в котором смещается по частоте на фиксированную величину 1 ) 1 . Далее лучи 8 и 9, распространяющиеся в вертикальной плос. кости симметрично относительноосисхемы, фокусируются объективом 15 в, область измерения 16. Четыре пучка, пересекаясь в фокусе объектива 15, создают в области измерения интерФеренцинное поле с горизонтально и вертикально расположенными полосами. Формирование такой структуры интерференционного поля объясняетФили г.уж ся тем, что лучи 4 и б, 8 и 9 когерентны, т,е, для них(Ц = 1, а лучи 4 и 8, 4 и 9, б и 8, б и 9 не когерентны, поскольку разность хода для таких лучей равняется-"кС и(13 = О.Рассеянное излучение 17 собирается объективом 15 и после отражения от зеркала 18 направляется линзой 19 на фотоприемник 20. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотодетектора 20 образуется переменная составляющая сигнала.При этом первая составляющая сиг. нала, несущая информацию о горизонтальной проекции вектора скорости, выделяется полосовым фильтром 21, настроенным на частоту Я . Вторая составляющая сигнала, несущая информацию о вертикальной проекции вектора скорости, выделяется полосовым фильтром 22, настроенным на частоту Й, Отфильтрованные от помех сигналы с,выходов полосовых фильтров поступают на входы измерителей доплеровских частот 23 и 24, которые выдают информацию в аналоговом или цифровом виде о величине и знаке двух ортогональных проекций вектора скорости + Ч и +М . В предлагаемом измерителе рас сеянное излучение собирается в угловой апертуре значительно большей,чем в известной схеме, так как всхеме нет ограничений, накладываемыхусловием обеспечения полной паляризационной развязки рассеянных волн,Это приводит к увеличению мощности рассеянного изпучения, принимаемой фотоприемником, и, следовательно, к повышению отношения сигнал/шумна порядок и более по сравнению еизвестным. Кроме того, предлагаемоеустройство значительно проще поконструкции, в нем используетсяменьше оптических элементов, что 20повышает экономические показателисхемы, Схема также проще в юстировке и в технической эксплуатации.Экономическая эффективность отвнедрения одного образца измерителя, 25достигается за счет упрощения конструкции и технического обслуживанияпри ее эксплуатации.