Лазерный доплеровский измеритель скорости

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов. Выходной электрический сигнал оптического датчика измерителя поступает на входы квадратурного преобразователя доплеровского сигнала (ДС), содержащего два смесителя, квадратурный генератор несущей частоты и два выходных фильтра нижних частот, с выходов которых сигнал поступает на входы фазового компаратора и на входы первого и второго квадраторов, осуществляющих удвоение частоты информативного сигнала. С выходов квадраторов сигнал поступает на входы сумматора и вычитателя, который вместе с подключенным к его выходу делителем образует первый вычитатель цепи М последовательно включенных аналоговых вычислителей, осуществляющих функции преобразования вверх несущей частоты ДС и нормализации его амплитуды. Каждый из последующих аналоговых вычислителей содержит входной квадратор, двухвходовый сумматор и выходной делитель. На каждом этапе преобразования частоты амплитуда сигнала нормируется с помощью подключения к вычислителям сигнала с выхода первого сумматора через инвертор и пропорциональные звенья 20 и 22 с коэффициентом амплитудного преобразования к = 1/2, а также блока вычисления квадратного корня. На знаковый вход процессора доплеровского сигнала поступает сигнал с выхода компаратора, а на сигнальный вход процессора - с выхода делителя последнего аналогового вычислителя. Цель изобретения - повышение точности измерения, что достигается увеличением несущей частоты информационного сигнала, уменьшением относительной доли аппаратного времяпролетного уширения спектра ДС. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов. Цель изобретения повышение точности измерений. На чертеже показана блок-схема устройства. Устройство содержит оптический датчик, включающий, например, лазер 1, расположенные по ходу луча оптический однополюсный модулятор 2, формирующую систему 3, приемную оптическую систему 4 и фотоприемник 5, а также квадратурный преобразователь доплеровского сигнала, содержащий первый и второй смесители 6 и 7, к вторым входам которых подключены выходы квадратурного генератора 8 несущей частоты, один из выходов генератора также подключен к оптическому однополюсному модулятору 2, к выходу каждого смесителя 6 и 7 подключены первый и второй фильтры нижних частот 9 и 10, выходы которых подключены к входам фазового компаратора 11, первый и второй квадраторы 12 и 13 подключены к двум входам первого сумматора 14, выход фазового компаратора подсоединен к знаковому входу процессора 15 доплеровского сигнала. Устройство содержит также конечное число М 1,2, аналоговых вычислителей, первый из которых содержит вычитатель 16 и делитель 17, а все последующие вычислители 18 соединены последовательно. К выходу первого сумматора подключены последовательно соединенные инвертор 19 и первое пропорциональное звено 20, а также последовательно соединенные блок 21 вычисления квадратного корня и второе пропорциональное звено 22. Каждый из вычитателей 18 содержит входной квадратор 23, двухвходовый сумматор 24 и выходной делитель 25. Устройство работает следующим образом. Выходное излучение лазера 1 оптического датчика смещается по частоте на величину F однополюсным оптическим модулятором 2 и подается на оптическую систему 3, которая формирует в исследуемой среде лазерное зондирующее поле с известной узкополосной структурой, период которой равен Λ. Изображение этого поля в рассеянном свете формируется приемной оптической системой 4 на светочувствительной поверхности фотоприемника 5. В результате преобразования в фотоэлектрическом сигнале появляется переменная доплеровская составляющая, частота которой f_д= V/Λ+F, где V проекция скорости рассеивающих частиц относительно периодической пространственной структуры зондирующего оптического поля. Модулирующий сигнал частотой F, подаваемый на частотный модулирующий вход оптического датчика, вырабатывается квадратурным генератором 8, квадратурный вход которого подключен к вторым входам смесителей 6 и 7. К первым входам смесителей подключен фотоприемник 5. После смещения этих сигналов и фильтрации суммарной комбинационной частоты фильтрами 9 и 10 сигнал на выходе фильтров имеет вид i₁= Asin ω_дt i₁= A cos ω_дt при V > 0, i₂= Acos ω_дt i₁= A sin ω_дt при V < 0. (1) Сигналы i₁ и i₂ подаются на входы фазового компаратора 11, выходной сигнал которого определяется фазовыми соотношениями входных сигналов. На выходе фазового компаратора 11 сигнал определяется знаком измеряемой проекции скорости потока. Он подается на знаковый вход электронного процессора доплеровского сигнала (ДС) 15. На выходе квадраторов 12 и 13, выполняющих функции параметрического преобразователя высоты, сигнал приобретает следующий вид (для случая ): (2) На выходе первого сумматора 14 выделяется квадрат огибающей ДС. На выходе вычитателя 16 выделяются следующие сигналы: либо
(3)
Сигнал на выходе делителя 17 имеет следующий вид:
(4)
При использовании только одного первого аналогового вычислителя (М 1) этот сигнал подается на сигнальный вход электронного процессора ДС 15. На знаковый вход подается выходной сигнал фазового компаратора 11. Процессор ведет обработку сигнала, восстанавливая величину и знак измеряемой проекции скорости потока. При использовании последовательно соединенных аналоговых вычислителей 18 сигнал на выходе входного квадратора 23 имеет вид
(5)
Информация о знаке проекции скорости выделена фазовым компаратором 11. После сумматора 24 в сигнале остается лишь первое слагаемое суммы (5). Выходной делитель 25 нормирует амплитуду сигнала, и сигнал приобретает вид
i₈= Acos(4ω_дt). (6)
После прохождения М последовательно соединенных аналоговых вычислителей 18 сигнал приобретает вид
i_м= A cos(2^VYω_дt). (7)
Гауссова форма огибающей радиоимпульса доплеровского сигнала определяется гауссовой огибающей лазерных пучков. Длительность радиоимпульсов доплеровского сигнала на фиксированном относительном уровне при М-кратном увеличении частоты несущей оказывается, в сравнении с исходной длительностью, меньше в . Следовательно, число виртуальных полос возрастает в сравнении с числом реальных пространственных периодов зондирующего поля в . Это, в свою очередь, приводит к уменьшению относительной аппаратной ширины доплеровского спектра также в . В случае многочастотного сигнала в раз меняется отношение длительности радиоимпульсов к частоте несущей в импульсной последовательности, определяющей реализацию доплеровского сигнала. Это эквивалентно увеличению числа виртуальных полос в и соответственному уменьшению уровня фазового шума, что приводит к повышению точности измерений.

Формула изобретения

Лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий оптический датчик с частотным модулирующим входом к фотоэлектрическому входу которого последовательно подключен преобразователь доплеровского сигнала, содержащий квадратурный генератор несущей частоты, фазовый компаратор, первый и второй смесители, выходы каждого из которых подключены к первому и второму входам фазового компаратора соответственно через первый и второй фильтры нижних частот, первый и второй квадраторы, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров нижних частот, процессор доплеровского сигнала, знаковый вход которого подключен к выходу фазового компаратора, а также первый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго квадраторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены инвертор, первое и второе пропорциональные звенья, блок вычисления квадратного корня, М последовательно соединенных аналоговых вычислителей, первый из которых выполнен в виде вычитателя и делителя, а каждый последующий в виде последовательно соединенных входного квадратора, двухвходового сумматора и выходного делителя, причем выход первого сумматора подключен через последовательно соединенные инвертор и первое пропорциональное звено с одним из входов каждого двухвходового сумматора, а также через последовательно соединенные блок вычисления квадратного корня и второе пропорциональное звено к второму входу каждого из выходных делителей, в первом аналоговом вычислителе первый и второй входы вычитателя подключены соответственно к выходам первого и второго квадраторов, а выход вычитателя к первому входу делителя, к второму входу которого подключен выход блока вычисления квадратного корня, а выход последнего аналогового вычислителя подключен к сигнальному входу процессора доплеровского сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 29-2000

Извещение опубликовано: 20.10.2000        

---