Лазерный доплеровский измеритель скорости

 

Использование: контрольно-измерительная техника, измерение скорости газовых потоков. Сущность изобретения: измеритель скорости содержит две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательные вдоль оптической оси лазер, под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка, первую четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая - последовательно установленные по одну сторону от поляризацией но-сел актирующего расщепителя пучка зеркало и вторую четвертьволновую пластину, а по другую сторону от него - линзу и фотоприемник. Увеличение отношения сигнал-шум достигается введением во вторую оптическую ветвь между поляризационно-селективным расщепителем пучка и линзой линейного поляризатора и поворотом расщепителя относительно оптической оси на 90°. 2 ил. сл С

(! 9) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4835515/10 (22) 07,06.90 (46) 15.07.92. Бюл.¹26 (71) Н ауч но-исследовательский институт авиационного оборудования (72) В.X,Áðèêåíøòåéí,, А.В.Кобелевский, Г.А. Погосов, В.П, Полуя н и Н.Ш.Хайкин (53) 532.574 (088.8) (56) Woodfield А,А., Vaughan G.M "Airspeed

and wind shear measurement with airborne

СОг cw laser" — international 3ornal of

Aviation Safaty" v,1. Sept., ¹ 9. р.р. 207 — 224, 1983.

Патент Франции

N. 2556841, кл. G 01 Р 5/00, 1985, (54) ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ (57) Использование: контрольно-измерительная техника, измерение скорости газоИзобретение относится к лазерным средствам измерения и может быть использовано в авиации, метеорологии, физике атмосферы, экологии и в других областях науки, техники и народном хозяйстве, где необходимо измерять скорость газовых потоков и иных объектов.

Известен лазерный доплеровский измеритель истинной воздушной скорости и сдвига ветра lATAS, состоящий из оптической головки, включающей лазер, оптический гетеродинный преобразователь, моностатический приемопередающий антенный блок, в котором приемная и передающая оптика совмещены, и блока обработки доплеровского сигнала, включающего устройство измерения и регистрации частоты (s1)s G 01 Р 3/36, 5/00 .м фМФ М Юр

0 Г

1 вых потоков. Сущность изобретения: измеритель скорости содержит две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательные вдоль оптической оси лазер, под углом к оптической оси поляризэционно-селектирующий расщепитель пучка, первую четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая — последовательно установленные по одну сторойу от поляризационно-селектируюшего расщепи еля пучка зеркало и вторую четвертьволновую пластину, а по другую сторону от него— линзу и фотоприемник. Увеличение отношения сигнал-шум достигается введением во вторую оптическую ветвь между по)!яризационно-селективным расщепителем пучка и линзой линейного поляризатора и поворотом расщепителя относйтельйо "оптической оси на 90 . 2 ил. доплеровского сигнала-й соответствующего ему значения скорости. ф. . Недостатками измерителя являются сложность конструкции, настройки и юстировки оптического гетеродинного преобразователя, выполненного по схеме интерферометра Маха-Цандера с брюстеровским рэсщепителем, и повышенная под верженность к разъюстировкам в реальных условиях эксплуатации, — а

Наиболее близким к предлагаемому является лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка, первую

1748071 четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая— последовательно установленные по одну сторону от поляризационно-селективного расщепителя пучка зеркало и вторую четверть-волновую пластину, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя — линзу и фотоприемник, соединенный с блоком обработки доплеровского сигнала, В данном лазерном доплеровском измерителе значительно упрощается настройка и юстировка оптического гетеродинного преобразователя. Однако такой измеритель обладает существенным недостатком, заключающимся в фазовом рассогласовании волновых фронтов сигнального и опорного излучений, что приводит к снижению величины отношения сигнал/шум, Целью изобретения является увеличение величины отношения сигнал/шум за счет геометрической компенсации дифракционной расходимости сигнального пучка и снижения дробовых шумов фототока гетеродина путем уменьшения паразитной поляризации излучения гетеродина.

Поставленная цель достигается за счет того, что во вторую ветвь между поляризационно-селективным расщепителем пучка и линзой введен линейный поляризатор, а поляризационно-селективный расщепитель пучка повернут относительно оптической оси на 90, На фиг,1 приведена схема оптической части лазерного доплеровского измерителя скорости; на фиг, 2 — ход оптических лучей в клине, который используется как поляризационно-селектирующий расщепитель, Измеритель содержит две пересекающие друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер 1, под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка 2, первую четвертьволновую пластину 3 и моностатический приемопередающий блок 4, а вторая — последовательно установленные по одйу сторону от поляризационно-селективного расщепителя пучка зеркало 5 и вторую четвертьволновую пластину 6, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя — линзу 7, фотоприемник 8 и линейный поляризатор 9 и блок обработки доплеровского сигнала 10, вход которого соединен с выходом фотоприемника.

Измеритель работает следующим образом.

Линейно поляризованное излучение лазера 1 попадает на поляризационно-селектирующий расщепитель 2, который отражает часть излучения для формирования опорного пучка (гетеродина). которое через линейный поляризатор 9, обрезающий па5 разитную часть поляризации, линзу детектора 7 поступает на поверхность фотодетектора 8; остальная часть излучения пропускается в прямом направлении и, проходя через четвертьволновую пластину 3, 10 где линейная поляризация переходит в круговую, и моностатический антенный блок 4, поступает в облучаемое полупространство; рассеянное аэрозольными частицами излучение собирается тем же самым антенным

15 блоком и снова проходит через пластину 3, где меняет круговую поляризацию на линейную, ортогональную плоскости рисунка, после чего отражается поляризационно-селектирующим расщепителем в

20 дополнительный канал, где проходит через четвертьволновую пластину 6, отражается от зеркала 5 и снова проходит через пластину 6, поворачивая тем самым плоскость поляризации на 90 (которая теперь совпадает

25 с плоскостью поляризации исходного пучка) и, проходя через расщепитель, поступает на линейный поляризатор, линзу детектора и далее на поверхность детектора, где смешивается с излучением гетеродина; блок обра30 ботки преобразованного доплеровского сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемного устройства, производит выделение cMfHGllB промежуточной частоты и его дальнейшую обработку, 35 Одним из основных элементов измерителя является поляризационно-селектирующий расщепитель, который должен обеспечивать как пространственное совмещение сигнального и гетеродинного пучков, 40 так и формирование опорного пучка. Рассмотрим его характеристики.

Коэффициент отражения для поляризации, параллельной плоскости рисунка (в дальнейшем Е-поляризация), в принципе

45 может быть доведен до нуля. Небольшие повороты пластины (клина) позволяют регулировать мощность гетеродина в довольно широких пределах, а использование толстой пластины или клина приводит к про50 странственному разделению пучков, отраженных от передней и задней граней.

Для того, чтобы обеспечить пространственное совпадение сигнального и гетеродинного пучков, пучок гетеродина формируется

55 при отражении от задней грани. Ход лучей в клине показан на фиг.2. Определим коэффициент пропускания К для этой схемы. Он будет определяться коэффициентами пропускания излучения с Е-поляризацией через поверхности 1 и 2 при прямом прохождении

1748071 (4) 5 лазерного луча, коэффициентом отражения для Н-поляризации (ортогональной плоскости рисунка) и пропусканием для Е-полярйзации для сигнального луча, Таким образом

Ks = (1 - К1еК1 — К2е)К2н(1 - K2e)(1 - K1e) 5

Коэффициенты К, и Кн определяются по формулам Френеля для своих углов паде-ния р1, рг, р1 (угол р> не равен углу р1 при работе с клином).

Величина мощности опорного сигнала 10 будет определяться коэффициентами Кг. пропускания на грани 1 и коэффициентом отражения на грани 2 для излучения с Е-по- ляризацией, Соответствующий коэффицйент имеет вид .. :- 15

КГ = (" К !е)(1 К1е)К2е

Поскольку излучение не является идеально поляризованным, при отражений под- углом Брюстера от передней и задней по. верхнс стей, степень деполяризации излуче- 20 ния возрастет, так как ортогональная (плоскости фиг.2) компонента будет отражаться с большим коэффициентом, Соот- ветствующий коэффициент Кц имеет вид

Kri = (1 - К1н)К2н(1 - К1н)

В табл.1 приведены расчетные значе- . ния коэффициентов К,, КГ„К, в зависимости от угла падейия излучения на клин из ZnSe .с углом раствора 1О. В четвертой колонке . приведено значение угла, под которым из- ЗО луч ение покйдает пластину.

Мощность паразитной засветки опре- . депяется не только мощностью лазера и. ко «зффициентом Кп, но и степенью деполяризации лазерного излучения, кото- Ç5 .рая может меняться от прибора к прибору. ,.В общем случае для подавления мощности паразитной засветки возникает необходимость во введении в плечо 2 — 7 линейного, поляризатора. " ", .: 40

Принцип действия данного измерителя скорости, как и прототипа, основан на реа-.. лизации зависимости: Аул 7г Д Д

0 =-Д вЂ” Гà — (g+BICtg()$(1i 45

О =1+(1 -g)4+gq1-Ж), (2) где использованы следующие параметры: у- квантовая эффективность фотопри- 50 емника;

А — длина вопнь! зондирующего излучения; ф — объемный коэффициент обратного рассеяния в атмосфере: 55

Pii — мощность лазера;

Л Ф вЂ” ширина полосы принимаемого сигнала;

G — функция рассогласований;

h — п1остоянная Планка;. е

- частота зондирующего излучения;

У, — параметр фокусироцки измеритеп R2+ Rr

Уо— Fo

; .Г4 — эффективный радиус распределения поля излучателя нэ приемопередающей апертуре; -: . Р:.ЯРУ«

) л Rr — эффективный радиус распределе ния поля гетеродина на приемопередэющей апертуре;

- : Rr = Po r Уд

Ул

У, — параметр фокусировки излучател

l ля Ул —— ! д

Уг — параметр фокусировки гетеродиГ ! на; Уг=— ! д

Ро — радиус распределения поля на вы-ходе лазера; . F — эффективная дальность фокусировки измерителя;

F (+ 1

Ул(" +Угл) У(1 +Ж

F — фокусное-расстояние моностатическаго приемопередающего блока; ! л — расстояние проходимое зондирующим йзлучением от лазера до приемопередаюЩей апертуры; !л = I> + !з

l, — эквивалентное расстоянйе проходимое излучением гетеродина до приемопереДаюЩей апеРтУРы; !г = !з - li 2!2

t> — расстояние от поляризационно-селектирующего расщепителя (2) до лазера (1);

l2 — расстояние.от поляризационно-селектирующего расщепителя (2) до отражателя (5); ! з — расстояние от поляризационно-селектирующего расщепйтеля (2) до выходной апертуры антенного блока (4); о ! д — дифракционная длина; !д = — — . DR — рассогласование характерных размеров полей излучателя и приемника;

Ул У. (У + Уг) 4 1Г (2 2 . г ! г + л ) ji + ф + 2 Pл Уr д - рассогласование фокусных расстояний приемного и передающего каналов; ) л+Pr +2giigr 1 !л !г

4У„У,(1+)4)(1+Р) 1 У r !д

При условии "сильной" фокусировки (Уе» 1) величина arcing быстро стремит1748071

Таблица 1

Результаты расчета пропускания и отражения для

ZnSe (клин с углом раствора l ) Таблица 2

Зависимость величин отношения сигнал/шум от расстояния ся к л /2, Из выражений (3) и(4) видно, что для одновременного равенства нулю p8c" согласований BR и д необходимо и достаточно, чтобы выполнялось равенство

1л =-1г, что эквивалентно условию! = Ь.

Предлагаемый измеритель обладает бо. лее высоким по отношению к прототипу отношением сигнал/шум при прочих равных условиях (одинаковой мощности лазера, коэффициенту обратного рассеяния, геометрических размерах и т,д.); Для удобства сравнения положим значение множителя и Лачуг Рл — равным единицы. Как правило

Ю с0 расстояния между оптическими элементами в измерителе имеет один и тот же порядок величины, поэтому для оценок положим:

1 = lz= l3=lg, Подставим в соотношение(1) конкретные значения параметров, характерных для используемых на практике измерителей:

zp=2 мм F=500 мм

Зависимость величин отношения сигнал/шум (отн.ед,) для прототипа и заявляемого измерителя от расстояния l1 (e метрах) приведена в табл.2.

Таким образом, измеритель имеет значение отношения сигнал/шум почти в два раза большее, чем прототип;

Проведенные испытания показали, что параметры заявляемого измерителя скорости близки к теоретическим значениям и лежат в пределах экспериментальной ошибки, Величина отношения сигнал/шум для отражения излучения от шероховатого дис5 ка при мощности лазера 4,5 Вт составила 0,9 от теоретической оценки, Формула изобретения

Лазерный доплеровский измеритель скорости, содер>кащий две пересекающие

10 друг друга оптические ветви, первая из которых содержит последовательно установленные вдоль оптической оси лазер, под углом к оптической оси поляризационно-селектирующий расщепитель пучка, первую

15 четвертьволновую пластину и моностатический приемопередающий блок, а вторая— последовательно установленные по одну сторону от поляризационно-селектирующего расщепителя пучка зеркало и вторую чет20 вертьволновую пластину, а по другую сторону от поляризационно-селективного расщепителя — линзу и фотоприемник, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности за счет увеличе25 ния отношения сигнал — шум, во вторую ветвь между поляризационно-селективным расщепителем пучка и линзой введен линейный поляризатор, а полиризационно-селективный расщепитель пучка повернут

30 относительно оптической оси на 90, 1748071. Составитель А. Кобелевский

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор И. Муска.Редактор Н. Горват

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2501 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5