Способ измерения скорости движения объекта и устройство для его реализации

 

Использование: в области измерительной техники, в высокоточных быстродействующих системах дистанционного измерения линейной скорости, в системах ориентации и управления космическими и другими летательными аппаратами, а также в приборах и устройствах навигационных и геодезических систем. Сущность изобретения: пропускают плоско-поляризованный, монохроматический, узконаправленный световой луч через оптическую пластину, изготовленную из двулучепреломляющего кристалла, осуществляют преобразование оптического сигнала на выходе пластины в величину скорости движения объекта, при этом плоско-поляризованный, монохроматический, узконаправленный световой луч получают при помощи последовательно установленных и оптически согласованных объектива, узкополосного светофильтра и поляризатора, используя световой поток от движущегося объекта или от неподвижного источника, а скорость движения объекта определяют по частоте и фазе биений оптического сигнала на выходе пластины. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к классу электронно-оптических приборов, позволяющих определять параметры движения объекта или узла механизма, и может быть использовано в высокоточных быстродействующих системах дистанционного измерения линейной скорости, в системах ориентации и управления космическими и другими летательными аппаратами, а также в приборах и устройствах навигационных и геодезических систем.

Широко известен способ измерения линейной скорости движения, основанный на использовании зависимости частоты принимаемого на объекте или отраженного от него светового излучения от скорости движения этого объекта относительно источника света. Сущность указанных способов и устройств, их реализующих - лазерных доплеровских измерителей скорости, подробно описана в технической литературе ("Лазерные измерительные системы" /под ред. проф. Лукьянова, М. изд. Радио и связь, 1981, с. 151, [1]). Существует два способа с применением опорного (референтного) светового луча и без него (дифференциальный способ). В обоих случаях используется два когерентных, монохроматичных световых луча. В первом случае один из лучей направляется на движущееся тело и после отражения, получив доплеровское смещение частоты, поступает на приемное устройство. Второй луч поступает на приемное устройство, минуя движущееся тело и служит в качестве опорного. В приемном устройстве производится совмещение обоих лучей, их интерференция и выделение частоты биений светового сигнала, значение которой пропорционально скорости движения тела. Во втором случае оба луча, но под разными углами, направляются на движущееся тело и после отражения, получив разное за счет разного угла между направлением движения тела и распространением света доплеровское смещение частоты, поступают на приемное устройство, в котором, как и в первом случае, производится совмещение, интерференция и выделение сигнала биения. Однако ни тот, ни другой способ не позволяют определять знак скорости движения (удаление от источника света или приближение к нему), поэтому для этих целей используют дополнительные методы, в частности лучи света разной частоты. Наличие в указанных способах двух когерентных лучей, необходимость их совмещения на приемной стороне требуют высокой точности изготовления и юстировки оптических элементов системы, что значительно сужает возможности и область их применения.

Известен способ измерения линейной скорости движения объекта, основанный на зависимости разности фаз между "О" и "Е" лучами света, распространяющимися в двулучепреломляющих кристаллах, от скорости движения этих кристаллов относительно источника света (патент США N 379173б, кл. Q 01 P 3/36 [2]). Сущность указанного способа заключается в следующем. На неподвижное тело (узел механизма), скорость которого необходимо измерять, устанавливают оптическую пластину, изготовленную из кристалла, обладающего эффектом двойного лучепреломления света. Через оптическую пластину пропускают монохроматичный, плоскополяризованный луч света и при помощи поляриметра определяют значение разности фаз между "О" и "Е"- лучами на выходе пластины. Объект (узел механизма) приводят в движение, то есть запускают в работу и определяют текущее значение разности фаз между "О" и "Е"- лучами на выходе движущейся пластины. По разнице этих измерений определяют дополнительную разность фаз, вызванную движением оптической пластины. По величине и знаку дополнительной разности фаз при помощи вычислительно-преобразовательного устройства определяют значение скорости движения тела.

Реализующее данный способ измерения скорости движения объекта устройство содержит когерентный источник монохроматичного плоскополяризованного света, датчик скорости, выполненный в виде оптической пластины из двулучепреломляющего кристалла, типа кальцита, устанавливаемый на контролируемый объект (узел механизма), вычислительно-преобразовательное устройство, состоящее из поляриметра, включающего в себя последовательно установленные анализатор света и фотоприемное устройство для регистрации разности фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе пластины и логического устройства для преобразования выходного сигнала поляриметра в линейную или угловую скорость.

Измерение скорости в нем производится за счет определения дополнительной разности фаз между О и Е лучами, возникающей в пластине при движении объекта. Величина ее, как показано в [2] пропорциональна скорости движения объекта. Определение дополнительной разности фаз δϕ_v производится поэтапно. При помощи поляриметра производится измерение разности фаз между О и Е лучами, проходящими через оптическую пластину до начала движения, когда скорость объекта и, следовательно, пластины равна нулю Δϕ, а затем во время движения, непосредственно при измерении скорости объекта Dvʹ Логическое устройство определяет величину дополнительной разности фаз δϕ_v, равную разности этих измерений Δϕʹ- Δϕ и преобразует ее в скорость движения объекта в соответствии с выражением: где n_o, n_e показатели преломления оптической пластины для О и Е лучей соответственно, V скорость движения объекта, С скорость света.

В отличие от лазерных доплеровских измерителей скорости, измерение скорости движения этим способом осуществляется при помощи только одного луча, поэтому здесь не требуется применения сложной оптической системы. Не требуются также дополнительные меры для определения знака скорости, он получается автоматически при вычислении дополнительной разности фаз. Вместе с тем, указанный способ имеет два серьезных недостатка: необходимость остановки объекта (узла механизма) для определения или уточнения исходной величины разности фаз между "О" и "Е"- лучами и резко выраженную зависимость разности фаз от температуры и других параметров окружающей среды.

Кроме того, в основе описанных выше способа и устройства [2] лежат фазовые методы регистрации скорости и поэтому они не могут обеспечить высокой чувствительности и затрудняют регистрацию соответствующего информативного параметра из-за его аналогового характера, [1] с. 257.

В связи с этим данный способ и устройства, его реализующие, не нашли практического применения.

На фиг. 1 представлена структурная схема способа измерения скорости движения объекта; на фиг. 2 представлена функционально-логическая схема устройства измерения скорости движения объекта; на фиг. 3 представлена временная диаграмма работы устройства измерения скорости движения объекта.

Способ измерения скорости движения объекта заключается в следующем (фиг. 1,а). Световое излучение от источника 1 направляется объективом 2 через узкополосный световой фильтр 3, поляризатор 4, оптическую пластину 5 и анализатор света 6 на фотоприемник 7.

Объектив, световой фильтр и поляризатор используются для получения из обыкновенного света плоско-поляризованного, монохроматичного, узко-направленного светового луча.

Оптическая пластина изготавливается из кристалла, обладающего естественным двулучепреломлением света, например из кальцита (CaCO₃). Угол между оптической осью кристалла OO' и плоскостью поляризации поляризатора света OO'' составляет 45^o, поэтому в оптическом кристалле световая волна E = Acosωt распадается на две ортогонально поляризованные, неразделенные в пространстве, равные по амплитуде компоненты E_o и E_е, имеющие одинаковую частоту ω но распространяющиеся с разными фазовыми скоростями W_o и W_e (фиг. 16). За счет этого на выходе из кристалла каждая компонента будет иметь свое значение фазы световой волны v_o и ϕ_е где значение фазы "О"-волны на выходе из кристалла, n_o=c/W_o показатель преломления кристалла для "О" волны, l длина волны света на входе кристалла, l длина кристалла,
значение фазы "Е" волны на выходе из кристалла,
n_e=c/W_e показатель преломления кристалла для "Е"-волны.

Колебания световых волн обыкновенного луча E_o и необыкновенного луча Е_е переходят в анализаторе в одну плоскость плоскость поляризации анализатора, параллельную плоскости поляризации поляризатора. В результате этого происходит их интерференция и образуется результирующая световая волна Е_а. Она будет иметь исходную частоту w, а ее амплитуда будет зависеть от разности фаз между "O" и "E"- волной на выходе из кристалла:

где разность фаз между "O" и "E" волнами на выходе из кристалла,
Dn n_o n_е разность показателей преломления кристалла для "O" и "E" волн,
a 45^o.

Из формулы (2) видно, что амплитуда результирующей волны и, следовательно, интенсивность светового потока на входе фотоприемника в неподвижном состоянии зависит от разности фаз между "O" и "E"- лучами на выходе оптической пластины.

При движении оптической пластины относительно источника светового излучения в ней будет наблюдаться эффект Доплера как для "O" волны, так и для "E"- волны. Величина доплеровского смещения исходной частоты светового излучения w, как показано на с. 270 в книге "Специальная теория относительности", авт. Угаров В.А. изд. "Наука", Москва, 1977 г. [3] при распространении его в движущейся среде зависит от показателя преломления этой среды:

где B V/c,
V скорость движения оптической среды с показателем преломления n относительно источника света, имеющего частоту ω₀.

V угол между направлением светового излучения и скоростью движения среды. В нашем случае при V=0 частота колебаний "O" и "E"-волн, поступающих в анализатор, будет различной из-за разной величины показателей преломления
n_o и n_e в оптической пластине.

Для "O"-волны:
,
для "Е"-волны:
где V скорость движения пластины относительно источника света. Таким образом, при движении объекта в анализатор света поступают две ортогонально-поляризованные компоненты света, но уже, в отличие от неподвижного состояния, с разными частотами

где значение фазы "O" и "E"-волн на выходе движущейся оптической пластины. Значение их отличается от значений ϕ₀, ϕ_e/ на величину дополнительной разности фаз между "O" и "E"-волнами, вызванную движением пластины относительно источника света.

После интерференции "O" и "E"-волн в анализаторе образуется результирующая световая волна, которую можно записать в следующем виде:


где дополнительная разность фаз между "O" и "E" лучами на выходе оптической пластины, возникающая за счет ее движения относительно источника света. Ее величина определена в [2] Таким образом, световую волну на выходе анализатора можно представить как:

Как видно из формулы (6), первый множитель представляет собой низкочастотную синусоидальную функцию, частота ν_нч и фаза Δϕʹ которой зависит от скорости движения оптической пластины относительно источника светового излучения, а второй множитель высокочастотную, тоже синусоидальную функцию, частота ν_вч которой практически равна частоте исходного светового излучения . Форма сигнала изображена на фиг. 1в. Таким образом, при движении источника света и оптической пластины в составе приемно-регистрирующего устройства друг относительно друга на входе фотоприемного устройства будет наблюдаться биение светового сигнала с частотой

и начальной фазой

Оба параметра можно использовать для измерения скорости движения тела V относительно источника света.

Определение дополнительной разности фаз

и вычисление по ней скорости движения лежит в основе метода [2] Определение частоты биений светового сигнала ν_нч на выходе анализатора света и вычисление по ней при помощи вычислительно-преобразовательного устройства 8 скорости движения в соответствии с формулой (7) лежит в основе предлагаемого метода. При этом дополнительная разность фаз δϕ_v может использоваться для определения знака скорости и грубого канала измерения ее величины. В качестве источника света в данном методе может использоваться световой поток, излучаемый собственно движущимся относительно неподвижного устройства измерения скорости контролируемым объектом, световой поток автономного источника света, специально размещаемого на контролируемом объекте, световой поток, отражаемый контролируемым объектом, например солнечный свет или свет дополнительного подсвечивающего устройства, размещенного совместно с устройством измерения скорости. Одним из преимуществ данного способа по сравнению с [2] является то, что не требуется размещать оптическую пластину на контролируемом объекте. Она размещается непосредственно в устройстве измерения скорости.

Описанный выше способ может быть использован для дистанционного измерения скорости движения, например, самолета, автомобиля, космического аппарата относительно неподвижного устройства слежения за ними или наоборот скорости движения объекта, на котором непосредственно размещается устройство измерения скорости, например космической станции относительно неподвижного источника светового излучения солнца, луны, др. звезды или устройства слежения, подсвечивающего контролируемый объект.

Устройство для осуществления описанного выше способа ( фиг. 2) содержит расположенные последовательно источник 1 светового излучения, объектив 2, узкополосный световой фильтр 3, поляризатор света 4, используемые для получения плоско-поляризованного, монохроматичного, узконаправленного светового луча, датчик 5 скорости, изготовленный из двулучепреломляющего кристалла, вычислительно-преобразовательное устройство 6, состоящее из вычислительного блока 7, источника 8 опорного напряжения, блока 9 автоматической регулировки усиления и двух каналов преобразования, каждый из которых содержит последовательно установленные и соединенные полупрозрачные зеркала 10, 11, анализаторы света 12, 13, фотоприемники 14, 15, усилители-ограничители 16, 17, вторые входы которых подключены к выходу блока 9 автоматического регулирования усиления и формирователи меток 18, 19, вторые входы которых подключены к выходу источника 8 опорного напряжения, а выходы - к соответствующим входам вычислительного блока 7. Полупрозрачное зеркало 11 устанавливается под углом 45^o, а полупрозрачное зеркало 10 - перпендикулярно к направлению распространения светового луча.

Оптический кристалл датчика скорости 5 ориентируется таким образом, что его оптическая ось перпендикулярна к направлению распространения луча, а угол между ней и плоскостью поляризации анализатора 12, поляризатора 4 составляет 45^o.

Устройство работает следующим образом. Световой поток, поступающий от контролируемого объекта через объектив 2, узкополосный (интерференционный) световой фильтр 3, поляризатор света 4 и полупрозрачное зеркало 11 попадает в оптический двулучепреломляющий кристалл датчика 5 скорости. При этом естественный свет преобразуется в монохроматичный, плоско-поляризованный, узконаправленный луч, условно показанный на фиг. 3,а. В оптическом кристалле свет, поляризованный под углом 45^o к оптической оси кристалла, распадается на две ортогонально-поляризованные, равные по амплитуде, нераздельные в пространстве компоненты "O"-луч и "E"-луч. Фазовые скорости световых волн "O" и "E"-лучей различны. Значение их определяется естественной анизотропией кристалла:
W_o=c/n_o фазовая скорость "O"-волны
W_e=c/n_e- Фазовая скорость "E"-волны,
где n_o, n_e показатели преломления кристалла для "O" и "E"-волн. Пройдя через оптический кристалл, одна часть светового потока E1 проходит далее через полупрозрачное зеркало 10, анализатор света 12 и попадает на фотоприенник 14 первого канала преобразования. Вторая часть светового потока Е2 отражается от полупрозрачного зеркала 10, проходит через оптический кристалл 5 в обратном направлении, отражается под углом 45^o от полупрозрачного зеркала 11, проходит через анализатор света 13 и попадает на фотоприемник 15 второго канала преобразования.

При движении оптического кристалла 5 вместе с приемно-регистрирующими устройствами 2-19 и источника света 1 друг относительно друга на вход фотоприемника 14 в соответствии с выражением (6) будет поступать световой сигнал, частота биений и фаза низкочастотной составляющей которого находятся в прямо пропорциональной зависимости от скорости движения кристалла. Форма сигнала наглядно показана на фиг. 3,б. На вход фотоприемника 15 будет поступать такой же световой сигнал, но фаза этого сигнала Δϕ₂ будет постоянной, то есть ее значение не будет зависеть от скорости движения кристалла, так как световой сигнал проходит в кристалле замкнутый путь.

Поэтому в предлагаемом устройстве второй отраженный световой поток, и канал преобразования используется в качестве опорного для определения знака скорости движения. Форма этого сигнала наглядно показана на фиг. 3,в.

Фотоприемниками 14, 15 производится демодуляция светового сигнала и преобразование его в электрическое напряжение или ток. Форма сигналов на выходе фотоприемников наглядно изображена на фиг. 3г, д. Колоколообразные сигналы i1, i2 поступают с выхода фотоприемников на вход усилителей-ограничителей 16,17, в которых производится усиление и ограничение их по амплитуде с целью выделения участка с максимальной крутизной. Выделение рабочего участка с максимальной крутизной, соответствующего значению фаз Δϕ₁ и Δϕ₂, кратных углу П/2, производится с целью повышения чувствительности схемы формирования меток. Установление оптимального значения коэффициента усиления производится блоком автоматической регулировки усиления 9, управление которым осуществляется с вычислительного устройства 7. Коэффициент усиления усилителя-ограничителя выбирается таким, чтобы последовательности меток М1 и М2 были равномерными. Это и будет соответствовать настройке усилителя-ограничителя на рабочий участок, соответствующий фазе светового сигнала, кратной П/2. Трапециообразные сигналы И1, И2, наглядно изображенные на фиг. 3,е, ж, с выхода усилителей-ограничителей поступают на вход формирователей меток 18, 19, выполняющих функции схемы сравнения. На второй вход формирователей меток от источника опорного напряжения 8 подается опорное напряжение Иоп, величина которого равна половине амплитуды напряжения сигналов, поступающих с усилителей-ограничителей.

Формирователи меток вырабатывают импульсы короткой длительности метки М1 и М2, как только величина напряжения на информационном входе сравняется с опорным напряжением. Последовательности меток М1 и М2, наглядно изображенные на фиг. 3, з, и, поступают в вычислительный блок 7. Вычислительный блок производит измерение и преобразование в цифровой код периода следования меток Tизм и временного сдвига меток М1 относительно меток М2 Δt, статистическую обработку поступающей информации, вычисляет величину и знак скорости движения объекта.

Для вычисления скорости движения в вычислительном устройстве используется частота следования меток М1 или М2 ν_нч, а для определения знака скорости используется знак временного сдвига меток М1 относительно меток М2. Из формулы (7) получается формула преобразования меток М1 и М2 в скорость движения:

а signV = signΔtt
где Δn n_o n_е разность показателей преломления кристалла для "O" луча и "E" луча,
период следования меток М1 или М2,
длина волны светового излучения на входе неподвижной пластины.

Таким образом, процесс измерения скорости движения тела в предлагаемом устройстве сводится к измерению, статистической обработке временного интервала Tизм и преобразованию его вычислительным устройством, в соответствии с формулой (8), в скорость движения тела.

Для оценки разрешающей способности предлагаемого способа измерения скорости движения можно использовать кристалл селена Se, у которого большое значение разности показателей преломления (n_o n_е). При этом необходимо учитывать, что значение частоты биений светового сигнала n_нч, в отличие от дополнительной разности фаз δϕ_v/ в фазовом методе, не зависит от толщины оптического кристалла. Из формулы (8) вытекает:

При значениях: Δn = 0,8, λ = 0,8˙10^-4 см (в этой области электромагнитных волн кристалл селена прозрачен, смотри "Методы модуляции и сканирования света", авт. Е.Р. Мустель и др. М, Наука, 1970 г. с. 78 [4]); ν_{нч min} 10 Гц (минимальная частота измерений скорости движения получается V_min= 1·10^-3 см/с). То есть минимальное значение скорости, которое может измеряться предлагаемым способом, равно: 1·10^-3 см/с, что на несколько порядков выше, чем в устройстве [2]
Для оценки диапазона измерений необходимо определить максимальное значение скорости движения, измеряемого при помощи этого же кристалла селена. Для этого можно принять ν_{нч max} 1·10⁹Гц (для современных частотомеров эта величина не представляет трудностей) и тогда получается

Следовательно, диапазон измерения скорости движения на основе предлагаемого метода при использовании, например, кристалла селена очень широк и колеблется от 1·10^-3 см/с до 1 км/с. При необходимости измерения более высоких скоростей можно использовать в качестве датчика скорости двулучепреломляющий кристалл с более низким значением разности (n_o - n_e). Например, применив кристалл КДР, у которого n_o 1,47, n_e 1,51 для λ 0,546 мкн (с. 44 [5]), можно измерять скорости порядка 100 км/с.

Таким образом, основным преимуществом, отличающим предлагаемые способ и устройство от прототипа, является более высокая разрешающая способность, достигающая порядка 1·10^-3 см/с, широкий диапазон измеряемых скоростей от 1·10^-3 см/с до 100 км/с и более, а также простота реализации.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости движения объекта, заключающийся к пропускании плоскополяризованного, монохроматичного, узконаправленного светового луча через оптическую пластину, изготовленную из двулучепреломляющего кристалла, и преобразовании оптического сигнала на выходе пластины в величину скорости движения объекта, отличающийся тем, что плоскополяризованный, монохроматичный, узконаправленный световой луч получают при помощи последовательно установленных и оптически согласованных объектива, узкополосного светофильтра и поляризатора, используют световой поток от движущегося объекта или от неподвижного источника, а скорость движения объекта определяют по частоте и фазе биений оптического сигнала на выходе пластины.

2. Устройство для измерения скорости движения объекта, содержащее источник света, оптическую пластину из двулучепреломляющего кристалла и вычислительно-преобразовательный блок, отличающееся тем, что в него введены последовательно установленные между источником света и оптической пластиной оптически согласованные объектив, узкополосный светофильтр и поляризатор, а вычислительно-преобразовательный блок состоит из источника опорного напряжения, блока автоматической регулировки усиления, вычислителя и двух каналов преобразования, каждый из которых выполнен в виде последовательно установленных и соединенных полупрозрачного зеркала, анализатор света, фотоприемника, усилителя-ограничителя и формирователя меток, при этом вторые входы усилителей-ограничителей соединены с выходом блока автоматической регулировки усиления, вторые входы формирователей меток соединены с источником опорного напряжения, а их выходы с входами вычислителя, выход которого соединен с входом блока автоматической регулировки усиления, а в качестве источника света используется световой поток от объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3