Доплерівський спосіб електромагнітного багатохвильового зондування і синфазного прийому

Реферат: Доплерівський спосіб багатохвильового електромагнітного зондування і синфазного прийому (ДСБЕЗіСП), в якому використовуються "n"- число когерентних джерел випромінення на різних довжинах хвиль 1, 2, ..., n, а також симетричного прийому розсіяного випромінення з просторовим розділенням їх по довжинах хвиль з подальшою фазовою просторовою фільтрацією, яка забезпечує синфазний прийом і детектування сигналів, сформованих при змішуванні і квадратичному детектуванні сумарного розсіяного випромінення на довжинах хвиль 1, 2, ..., n. UA 107289 C2 (12) UA 107289 C2 UA 107289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки та може використовуватися для вимірювання швидкості руху. Відомий спосіб вимірювання швидкості [1], оснований на зондуванні рухомого об'єкта лазерним пучком на довжині хвилі λ1 з подальшим оптичним змішуванням розсіяного електромагнітного випромінення з опорним пучком і квадратичним детектуванням, в результаті якого формується доплерівський сигнал, частота якого залежить від швидкості, довжини хвилі λ1 та напряму прийому. Проте відомий спосіб має невисоке відношення сигнал/шум, оскільки при збільшенні кутової приймальної апертури спостерігається не тільки ріст потужності розсіяного випромінення, що приймається, але також розширення спектру доплерівського сигналу, зменшення сигнал/шум і зниження точності вимірювання швидкості. Найбільш близьким технічним рішенням є доплерівський спосіб лазерного зондування [2] рухомого об'єкта (наприклад, сферичної часточки) двома когерентними пучками на одній довжині хвилі 1, що мають зсув по частоті відносно один одного рівний Ωм і перетинаються в зоні вимірювання під кутом γ1 з подальшим прийомом розсіяного випромінення в кінцевій кутовій апертурі, змішуванням двох розсіяних пучків і квадратичним детектуванням, в результаті якого виділяється сигнал на доплерівській частоті, величина якого залежить від швидкості  об'єкта V при заданих довжині хвилі 1 і 1. Однак, цей спосіб має суттєвий недолік, який полягає в тому, що із зростанням кутової приймальної апертури при прийманні розсіяного випромінення спостерігається зниження глибини модуляції і відношення сигнал/шум із-за зменшення ступеня фазового узгодження елементарних доплерівських сигналів. В основу винаходу поставлена задача збільшення відношення сигнал/шум, а отже і точності вимірювання доплерівської частоти, за рахунок використання режиму багатохвильового зондування парами пучків на довжинах хвиль 1, 2,…, n, кути зондування між якими 1, 2,…, n узгоджені між собою, а при симетричному прийманні розсіяного випромінення забезпечується фазова просторова узгоджена фільтрація сигналів по кожній із довжин хвиль і, що забезпечує синфазний прийом доплерівських сигналів, частоти яких не залежать від довжин хвиль 2, 3, ···, n.· Поставлена задача в пропонованому способі вирішується шляхом зондування рухомого об'єкта додатково "n"- числом пар когерентних пучків на довжинах хвиль 2, 3,…, i, n (і = 2, 3,…, n) із зсувом частоти одного із пучків із пари на величину м, які перетинаються в зоні вимірювання під узгодженими кутами 2, 3,…, n, що встановлюються відповідно до співвідношення     i  2 arcsin i sin 1 ,  2  1  де i=2,3,…,n, при цьому всі ці пучки лежать в площині, утвореній пучками на довжині хвилі 1, a бісектриси кутів 1, 2, 3,…, n всіх пар пучків відповідно на довжинах хвиль λ 1, λ2, λ3,…, λn співпадають в просторі, при цьому кожна пара пучків на довжині хвилі i (і = 1, 2,…, n) має стани поляризації (які можуть відрізнятися для інших пар пучків з j), які відповідають умовам зондування і симетричного прийому, за яких спостерігається формування фазово-спряжених доплерівських сигналів з можливістю регулювання фази одного із пучків кожної пари на довжині хвилі i, далі розсіяне випромінення на довжинах хвиль 1, 2,…, n збирається в кутовій апертурі, напрям осі симетрії якої забезпечує виконання умов симетричного прийому, за якого спостерігається формування фазово-спряжених доплерівських сигналів на довжинах хвиль 1, 2,…, n потім розсіяне випромінення, яке приймається, просторово розділяється по довжинах хвиль 1, 2,…, n, при цьому кожний розсіяний пучок на відповідній довжині хвилі i підлягає фазовій просторовій фільтрації (ФПФ), погодженій з відносним розміром фондованого об'єкта q  2d {d i - діаметр об'єкта) із забезпеченням формування двох просторово розділених і узгоджених розсіяних пучків, кожен з яких підлягає в подальшомупослідовно змішування і квадратичному детектуванню, в результаті якого формуються два доплерівські сигнали на одній частоті, які знаходяться і в протифазі, котрі потім віднімаються, частоти цих двох сигналів однакові і не залежать від довжин хвиль електромагнітного випромінення 2, 3,…, n, які використовуються для зондування, і крім того, забезпечується синфазний прийом з високим співвідношенням сигнал/шум при заглушенні низькочастотних завад, які синфазні. 1 UA 107289 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 1 представлена блок-схема пристрою, яка реалізує пропонований доплерівський спосіб багатохвильового електромагнітного зондування і синфазного прийому (ДСБЕЗіСП). Пристрій (фіг. 1) містить: 11, 12, 13,…, 1n - джерела когерентного електромагнітного випромінення, кожен з яких випромінює колімований вузьконаправлений пучок 21, 22, 23,…, 2n відповідно на довжинах хвиль 1, 2, 3,…, n.· Ці пучки спрямовуються на вхід блока розщеплювача 3, на виході якого формуються пари пучків 411 і 412 - на довжині хвилі 1, 421 і 422 на довжині хвилі 2, 431 і 432 - на довжині хвилі 3 і т.д. 4n1 і 4n2 - на довжині хвилі n однакової потужності, які перетинаються в зоні вимірювання 5 під кутами, відповідно рівними 1, 2, 3,…, n, розсіяний пучок 6, 7 - блок просторового розділення пучка 6 на n-число пучків 81, 82, 83,…, 8n відповідно по довжинах хвиль 1, 2, 3,…, n 91, 92, 93,…, 9n - фазові просторові фільтри (ФПФ), узгоджені з відносним розміром сферичного об'єкта, який проходить через зону вимірювання 5  зі швидкістю V , на виході кожного ФПФ – 9i, формуються відповідно два пучки 1011 і 1012, 1021 і 1022, 1031 і 1032, ···, 10n1 і 10n2; 11 і 12 - блоки підсумовування пучків відповідно всіх пучків 1011, 1021, 1031, ···, 10n1, а також всіх пучків 1012,1022,1032,…, 10n2, 13 і 14 - квадратичні детектори, 15 диференціальний підсилювач, 16 - доплерівський процесор. Пристрій (фіг. 1), який реалізує пропонований спосіб, працює наступним чином. Нехай джерела когерентного електромагнітного випромінення 11, 12, …, 1n, наприклад в оптичному діапазоні довжин хвиль, формують на їх виході вузьконаправлені пучки 21, 22,…. 2n (n - число джерел випромінення) відповідно на довжинах хвиль 1, 2,…, n. Ці пучки спрямовуються на вхід блока розщеплювача 3, на виході якого формуються наступні пари пучків 411 і 412 - на довжині хвилі 1, 421 і 422 - на довжині хвилі 2, …, 4n1 і 4n2 - на довжині хвилі n. При цьому пучки 412, 422, …, 4n2 мають фіксований зсув частоти м (який лежить в області радіодіапазона) по відношенню до відповідних пучків 411, 421, …, 4n1 і кожна пара пучків на довжині хвилі i, · (і = 2, 3,…, n) перетинається в зоні вимірювання 5 (яка співпадає з початком системи координат ОХУ) під відповідним кутом i. Всі зондувальні пучки лежать в одній площині ОХУ і бісектриси кутів 1, 2,…, n співпадають з віссю ОХ. Окрім того, в блоці розщеплювача 3 передбачена можливість плавного регулювання фази одного із пучків кожної пари пучків на довжині хвилі i (i=2, 3,…, n). Нехай через зону вимірювання проходить сферичний об'єкт, наприклад часточка, розмір якої  сумірний з довжинами хвиль зондувальних пучків, яка рухається зі швидкістю V . Кути i, під якими пари пучків на довжині хвилі i перетинаються в зоні вимірювання, встановлюються у відповідності до співвідношення     i  2 arcsin i sin 1 ,  2  1  де i=2, 3,…,n, крім того, стани поляризації кожної пари пучків на i, відповідають умовам зондування і симетричного прийому, при яких спостерігається формування фазово-спряжених доплерівських сигналів [3]. Розсіяне на часточки випромінення 6 збирається в кутовій апертурі а, причому бісектриса цього кута співпадає з напрямком ОХ (вперед або назад, β = 0, або β = 180°), чи лежать в площині OXZ, тобто спостерігається виконання умов симетричного прийому, при якому формуються фазово-спряжені доплерівські сигнали [3] на довжинах хвиль 1, 2,…, n. Прийняте симетрично розсіяне випромінення в кутовій апертурі далі за допомогою блока 7 просторово розділяється по довжинах хвиль 1, 2,…, n таким чином, що на виході блока 7 формуються пучки 81 - на довжині хвилі 1, 82 - на 2, 8n - на η. Кожний розсіяний пучок 8i, · на довжині хвилі i, далі направляється на відповідний фазовий просторовий фільтр (ФПФ) 9 i, синтез якого виконується у відповідності до умови формування на його виході двох пучків 10i1 i 10і2, при змішуванні яких на виході квадратичного детектора формуються протифазні доплерівські сигнали [4]. Всі пучки з першого виходу кожного ФПФ – 9i далі підсумовуються в блоці 11 і потім направляються на квадратичний детектор, наприклад фотоприймач 13. Відповідно всі пучки з других виходів кожного ФПФ 9і, а саме – 1012, 1022,…, 10n2 також підсумовуються в блоці 12 і далі направляються на квадратичний детектор 14, наприклад фотоприймач. Вихідні доплерівські сигнали, сформовані на виході детекторів 13 і 14, знаходяться в протифазі і після їх віднімання в диференціальному підсилювачі 15 надходять в доплерівський процесор 16. Доплерівський сигнал на виході детектора 13 являє собою суперпозицію "n" - числа синфазних доплерівських сигналів на одній доплерівській частоті, яка не залежить в даному випадку від довжини хвилі i зондувальних пучків. Доплерівський сигнал на виході детектора 14 також являє собою суперпозицію "n" - числа синфазних доплерівських сигналів, сформованих від прийому розсіяного випромінення на довжинах хвиль 1, 2,…, n, який відрізняється по фазі від 2 UA 107289 C2 5 10 15 20 доплерівського сигналу на виході детектора 13 на 180°. Низькочастотні завади на виході детектора 13 і 14 синфазні, тому після їх віднімання в диференціальному підсилювачі 15 спостерігається їх компенсація при суттєвому зростанні на порядок і більше відношення сигнал/шум. Даний спосіб доплерівського багатохвильового електромагнітного зондування і синфазного прийому можна реалізувати в пристрої з джерелами випромінення у всьому діапазоні електромагнітних хвиль: в НВЧ-діапазоні, інфрачервоному, оптичному та ультрафіолетовому, а також в рентгенівському і гамма-діапазоні довжин хвиль. Нині створені лазерні джерела випромінення для всього вказаного вище діапазону електромагнітного випромінення. Запропонований спосіб на відміну від прототипу дозволяє підвищити на порядок і більше відношення сигнал/шум, тобто ефективність прийому розсіяного випромінення і відповідно точність вимірювання частоти доплерівського сигналу і швидкості, що їй відповідає. Це забезпечується за рахунок реалізації синфазного прийому і формування доплерівських сигналів в протифазі після здійснення фазової просторової фільтрації на різних довжинах хвиль електромагнітного когерентного випромінення. Джерела інформації: 1. Marumder Μ. Κ., Wankum О. I., Appl. Opt., 1970, v.9, №5. p. 633. 2. Дубнищев Ю. Η., Ринкевичюс Б. С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. - М.: Наука, 1982 г. - С. 67-69. 3. Землянский В. М. Измерение скорости потоков лазерным доплеровским методом. - К.: Вищ. шк., 1987 г. - 177 с. 4. Землянский В. М., Чудесов А. П. Синтез противофазных симметричных пространственных фильтров для дифференциальной схемы когерентно-оптического преобразователя. Електроніка та системи управління. - 2008. - №4. -С. 15-21. 25 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 Доплерівський спосіб багатохвильового електромагнітного зондування і синфазного прийому, що оснований на зондуванні рухомого сферичного об'єкта, розмір якого сумірний з довжиною хвилі електромагнітного випромінення 1, двома когерентними вузьконаправленими пучками на довжині хвилі 1, які мають зсув по частоті відносно один одного, рівний м, і перетинаються в зоні вимірювання під кутом 1, в якій ці пучки мають плаский хвильовий фронт, з подальшим прийомом розсіяного випромінення в кінцевій кутовій апертурі, його змішуванням і квадратичним детектуванням для виділення сигналу на доплерівській частоті, величина якого  залежить від швидкості об'єкта V при заданих 1 і довжині хвилі 1, який відрізняється тим, що рухомий об'єкт опромінюється додатково числом пар когерентних пучків на довжинах хвиль 1, 3, ..., i, n(i = 2, 3, ..., n) із зсувом частоти одного із пучків із пари на величину ΩΜ, які перетинаються в зоні вимірювання під узгодженими кутами 2, 3, ..., n, що встановлюються    відповідно до співвідношення:  i  2 arcsin i sin 1 , де i = 2, 3, ..., n, при цьому всі ці пучки  2  1  лежать в площині, утвореній пучками на довжині хвилі 1, а бісектриси кутів 1, 2, 3, ..., n всіх пар пучків відповідно на довжинах хвиль 1, 2, 3, ..., n співпадають в просторі, причому кожна пара пучків на довжині хвилі i,· (і = 1,2, ..., n) має стани поляризації (які можуть відрізнятися для інших пар пучків з j), що відповідають умовам зондування і симетричного прийому, за яких спостерігається формування фазово-спряжених доплерівських сигналів з можливістю регулювання фази одного із пучків кожної пари на довжині хвилі i, далі розсіяне випромінення на довжинах хвиль 1, 2, ..., n збирається в кутовій апертурі, напрям осі симетрії якої забезпечує виконання умов симетричного прийому, за якого спостерігається формування фазово-спряжених доплерівських сигналів на довжинах хвиль 1, 2, ..., n, потім розсіяне випромінення, яке приймається, просторово розділяється по довжинах хвиль 1, 2, ..., n, при цьому кожний розсіяний пучок на відповідній довжині хвилі i підлягає фазовій просторовій 2d фільтрації (ФПФ), погодженій з відносним розміром зондованого об'єкта q  (d - діаметр i об'єкта), із забезпеченням формування двох просторово розділених і узгоджених розсіяних пучків, кожен з яких підлягає в подальшому послідовному змішуванню і квадратичному детектуванню для формування двох доплерівських сигналів на одній частоті, які знаходяться і в протифазі, котрі потім віднімаються, частоти цих двох сигналів однакові і не залежать від довжин хвиль електромагнітного випромінення 2, 3, ..., n, які використовуються для 3 UA 107289 C2 зондування, і крім того, забезпечується синфазний прийом з високим співвідношенням сигнал/шум при заглушенні низькочастотних завад, які синфазні. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4