Багатохвильовий лазерний доплерівський анемометр

Реферат: Багатохвильовий лазерний доплерівський анемометр (БЛДА) належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання високошвидкісних газових потоків. БЛДА заснований на зондуванні потоку двома пучками багатохвильового лазера, наприклад, аргонового, випромінюючого на трьох довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3. Геометрія зондування та прийому розсіяного випромінювання побудована таким чином, що на виході фотоприймача БЛДА формується потужний доплерівський сигнал, який представляє суперпозицію трьох синфазних високочастотних сигналів. БЛДА складається з блока формування паралельних пучків, оптичного пристрою тимчасових затримок, датчика, а також приймального блока. БЛДА забезпечує високе відношення сигнал/шум, а також автоматичне придушення сигналівперешкод. UA 108843 C2 (12) UA 108843 C2 UA 108843 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання швидкостей потоків рідини або газу. Відомий лазерний доплерівській анемометр (ЛДА) [1], шо включає лазер, фокусуючий об'єктив, апертурну діафрагму, змішувач, фотоприймач і вимірювач доплерівської частоти. Проте відомий ЛДА має невисоке відношення сигнал/шум при прийомі розсіяного назад випромінювання. Найбільш близьким технічним рішенням є вимірювач швидкості [2], який складається з оптично узгоджених блока формування двох паралельних лазерних пучків, що включає дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає фазорегулятор з блоком живлення, лінії затримки на шляху одного з зондуючих пучків і другої лінії затримки на шляху одного з розсіяних пучків, а також дзеркала на довжині хвилі λ1: датчика, який включає фокусуючий об'єктив, а також приймального блока, що включає фотоприймач, вихід якого з'єднаний з входом вимірювача доплерівської частоти. Відомий вимірювач при вимірюванні гіперзвукових потоків, розташованих на відносно великій відстані, має невисоке відношення сигнал/шум, що знижує точність вимірювання. Дальність його дії обмежується потужністю газових лазерів, що випромінюють на одній довжині хвилі λ1. В основу винаходу поставлено задачу підвищення відношення сигнал/шум, а також дальності дії за рахунок використання в вимірювачі потужного багатохвильового лазера, випромінюючого на трьох довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3, і також такої геометрії багатохвильового зондування та прийому розсіяного випромінювання, при якій доплерівські сигнали, які відповідають довжині хвиль λ1, λ2 і λ3, мають однакові частоти і синфазні. В цьому випадку на виході фотоприймача відношення сигнал/шум істотно більше, ніж при використанні лазерів однієї довжини хвилі λ1. Поставлена задача вирішується тим, що в вимірювачі швидкості, що складається з оптично узгоджених блока формування двох паралельних пучків, що включає дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає фазорегулятор з блоком живлення, лінію затримки на шляху одного з зондуючих пучків і другу лінію затримки на шляху одного з розсіяних пучків, а також дзеркала на довжині хвилі λ1, датчика, який включає фокусуючий об'єктив, а також приймального блока, що включає фотоприймач, вихід якого з'єднаний з входом вимірювача доплерівської частоти, додатково введені багатохвильовий лазер, що випромінює на трьох довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3, багатохвильовий світлодільник, частотозсуваючий пристрій з генератором високої частоти, дві оптичні лінії затримки, другий фазорегулятор з блоком живлення, два селективних дзеркала відповідно на довжинах хвиль λ2 і λ3, апертурна діафрагма з 8-мома отворами, багатохвильовий складовий змішувач для довжин хвиль λ1, λ2 і λ3; діафрагма з шістьма отворами, лінійка з 6-тьома інтерференційними світлофільтрами на довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3, причому в блоці формування пучків встановлені багатохвильовий селективний світлодільник, вхід якого узгоджений з багатохвильовим лазером, а також пристрій зсуву частоти; в датчику встановлена апертурна діафрагма з 8-мома отворами, узгодженими з фокусуючим об'єктивом; крім того, в оптичному пристрої тимчасових затримок встановлені лінії затримки відповідно на шляху трьох розсіяних пучків та їх виходи оптично узгоджені з першим входом селективного багатохвильового змішувача і два фазорегулятори, а два селективних дзеркала встановлені на шляху двох розсіяних пучків і оптично узгоджені з другим входом багатохвильового змішувача; в приймальному блоці встановлені на вході багатохвильовий змішувач, а також діафрагма з шістьма отворами і лінійка інтерференційних світлофільтрів перед фотоприймачем, крім того, кути прийому розсіяного випромінювання α2 і α3 відповідно на довжині хвилі λ2 і λ3 вибираються в залежності від кута прийому розсіяного випромінювання α1 і кута між зондуючими пучками γ.     1     sin  i  2 arcsin  i sin 1   i    2  2  1 1   , 50 55 де λ1□λ2□λ3; і=2,3. Багатохвильовий лазерний доплерівській анемометр (БЛДА) включає (креслення): багатохвильовий лазер 1, який випромінює пучок 2 на трьох довжинах хвилі λ1, λ2 і λ3 (наприклад, аргоновий лазер), багатохвильовий світлодільник 3, який ділить пучок 2 на два пучки 4 та 5 рівної інтенсивності на кожній з довжин хвиль випромінювання λ1, λ2 і λ3, пристрій зсуву частоти 6 з генератором високої частоти 7, дзеркало 8, лінію затримки 9, апертурну діафрагму 10 з вісьмома круглими отворами, фокусуючи об'єктив 11, зону вимірювання 12, в якій два пучки 4 і 5 перетинаються у фокусі об'єктива 11 під кутом γ, розсіяні пучки 13, 14, 15, 16, 17 і 18, селективні дзеркала 19 для довжини хвилі λ3, селективні дзеркала 20 для довжини 1 UA 108843 C2 5 10 15 20 25 30 хвилі λ2, селективні дзеркала 21 для довжини хвилі λ1 лінії затримки 22, 23 і 24, багатохвильовий складовий змішувач 25 для довжин хвиль λ1, λ2 і λ3, діафрагму 26 з шістьма отворами, лінійку з шести інтерференційних світлофільтрів 27 для довжин хвиль λ1, λ2 і λ3, фотоприймач 28, вимірювач доплерівської частоти 29; а також блок формування двох паралельних пучків 34, що включає оптичні елементи та пристрої 3, 6 і 8; оптичний пристрій тимчасових затримок 35, що включає відповідно: 9, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 30 і 31; датчик 36, що включає відповідно: 10 і 11, приймальний блок 37, що включає відповідно: 25, 26, 27 і 28. БЛДА працює таким чином. Лазер 1 випромінює пучок 2 на трьох потужних довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3, який ділиться світодільником 3 на два пучки, рівним інтенсивності 4 і 5. Тобто потужність пучка 4: Р4=Рλ1+Рλ2+Рλ3 дорівнює потужності пучка5: Р5=Рλ1+Рλ2+Рλ3, де Рλі потужність випромінювання на довжині хвилі (і=1, 2, 3). Пучок 5, після проходження частотозсуваючого пристрою 6, зміщується по частоті на фіксовану величину ΩМ і потім, відбившись від дзеркала 8, поширюється, як і пучок 4, паралельно і симетрично щодо оптичної осі схеми OZ. Пучки 4 і 5 мають узгоджені стани поляризації, наприклад, ці пучки вертикально поляризовані. Пучки 4 і 5 після проходження через два отвори діафрагми 10 фокусуються об'єктом 11 в зоні вимірювання 12, в якій вони перетинаються під кутом γ (фіг. 1). Однак, оскільки пучок 5, після проходження лінії затримки 9 затримується за часом щодо пучка 4 на величину τ3≥τki (τki - максимальний час когерентності випромінювання, що відповідає довжині хвилі λ1), то в зоні вимірювання не формується інтерференційна картина. При проходженні через зону вимірювання 12, наприклад, повітряного потоку, розсіяне на мікрочастинках випромінювання у напрямках 13 і 14; 15 і 16, а також 17 і 18, розташованих симетрично відносно осі OZ, збирається об'єктивом 11 в межах малих круглих отворів апертурної діафрагми 10, яка перебуває в фокальній площині об'єктива 11. Розсіяні пучки 13 і 15, після проходження відповідних фазорегуляторів 30 і 31 і відображення відповідно від селективних дзеркал 19 і 20 на довжині хвилі λ3 і λ2 направляються на перший вхід складового змішувача 25. На цей же вхід змішувача направляється пучок 17, після відбиття від селективного дзеркала 21 на довжині хвилі λ3. Розсіяні пучки 14, 16 і 18, після проходження відповідних лінії затримання 22, 23 і 25, спрямовуються на другий вхід змішувача 25 (на фіг. 1 на шляху пучків 14, 16 і 18 показані дзеркала 19, 20 і 21, встановлення яких у схемі МЛДА не має принципового значення). Час затримки пучків 14 - τλ1; 16 - τλ2 і 18 - τλ3, що створюється за допомогою ліній затримки 22, 23 і 24, вибирають таким, щоб при оптичному змішуванні пар пучків: 13-14; 15-16; 17-18, для цих пар модуль ступеня комплексної тимчасової когерентності   i 3   1 35 , тобто вони були когерентні. На виході змішувача 25 формується шість пучків, відповідних довжинах хвиль: λ1, λ2, λ3, λ1, λ2 і λ3, які проходять через шість отворів діафрагми 26 і лінійку з шести інтерференційних світлофільтрів відповідно на довжинах хвиль: λ1, λ2, λ3, λ1, λ2 і λ3, і далі направляються на фотокатод фотоприймача 28. На виході фотоприймача 28 формуються три корисних високочастотних сигнали, відповідних оптичному зміщуванні розсіяних пучків на довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3, на доплерівській частоті gi  M  40 8     i     i   sin  Vx cos i   4   4  , (1) де αі - кут між розсіяними пучками (і - 1, 2, 3) на довжині хвилі λі, Vx - горизонтальна проекція вектора швидкості V . Ці три сигнали співпадають на частоті ωg1=ωg2=ωg3=ωg та підсумовуються, якщо для геометрії зондуючих і розсіяних пучків виконується наступне співвідношення,     1     sin  i  2 arcsin  i sin 1   i    2  2  1 1    , (2) 45 50 де λ1□λ2□λ3; і=2,3. Три корисних сигнали на одній частоті ωg, для конкретних параметрів оптичної схеми БЛДА, можуть мати різні фази. Тому для збільшення потужності сумарного корисного сигналу на частоті ωg необхідно забезпечити також фазове узгодження цих трьох сигналів [3]. Синфазність цих трьох сигналів забезпечується за допомогою фазорегуляторів 30 і 31. На виході фотоприймача 2 можуть формуватися також високочастотні сигнали-перешкоди, відповідно 5 сигналів-перешкод для кожної з довжин хвиль λ1, λ2 і λ3. Однак, для схеми БЛДА (фіг. 1) ці 15 сигналів-перешкод автоматично придушуються, оскільки для цих сигналів модуль комплексного ступеня тимчасової когерентності дорівнює нулю. 2 UA 108843 C2 Частота сигналу (1) вимірюється вимірювачем доплерівської частоти 29, який видає інформацію про модуль і знак проекції швидкості Vx. Схема БЛДА при виборі кутів зондування та прийому γ і α і, близьких за величиною має невисоку чутливість: 5 10    i      i   Гц  4 Sx    cos 4  sin 4   м / с  і     , (3) тому вона застосовується при вимірюванні великих швидкостей, наприклад, гіперзвукових. У розробленому БЛДА усунені недоліки властиві прототипу і відомим пристроям. У БЛДА забезпечується істотне підвищення відношення сигнал/шум за рахунок додатково встановленого багатохвильового потужного лазера, випромінюючого на довжинах, хвиль λ1, λ2 і λ3 (наприклад, аргоновий лазер), а також такої геометрії зондування та прийому розсіяного випромінювання, за якої корисні сигнали на довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3 не тільки мають одну частоту, а й сфазовані. Крім того, в БЛДА збільшується дальність дії при прийомі розсіяного назад випромінювання. БЛДА може використовуватися для вимірювання відносно великих швидкостей. 15 20 Джерела інформації: 1. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометри. - М.: Наука, 1982, стр. 67-69. 2. Лазерний доплерівський вимірювач швидкості. Землянский В.М., Гусєв М.О. Заявка на винахід, подана в Держпатент України, № 201006815 от 2.06.2010 р. 3. Землянский В.М. Измерение скорости потоков лазерным доплеровским методом. - К.: Вища шк., 1987 г. - 177 стр. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 Багатохвильовий лазерний доплерівський анемометр, що складається з оптично узгоджених блока формування двох паралельних пучків, який включає багатохвильове дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає фазорегулятор з блоком живлення, лінію затримки на шляху одного з зондуючих пучків і другу лінію затримки на шляху одного з розсіяних пучків, а також дзеркала на довжині хвилі λ1; датчика, який включає фокусуючий об'єктив, а також приймального блока, що включає фотоприймач, вихід якого з'єднаний з входом вимірювача доплерівської частоти, який відрізняється тим, що в нього додатково введені багатохвильовий лазер, що випромінює на трьох довжинах хвилі λ1, λ2 і λ3, багатохвильовий світлодільник, частотозсуваючий пристрій з генератором високої частоти, дві оптичні лінії затримки, другий фазорегулятор з блоком живлення, два селективних дзеркала відповідно на довжині хвилі λ2 і λ3, апертурна діафрагма з 8-ма отворами, багатохвильовий складовий змішувач для довжин хвиль λ1, λ2 і λ3, діафрагма з шістьма отворами, лінійка з 6-ти інтерференційних світлофільтрів на довжинах хвиль λ1, λ2 і λ3; причому в блоці формувань пучків встановлені багатохвильовий селективний світлодільник, вхід якого погоджено з багатохвильовим лазером, а також пристрій зсуву частоти; в датчику встановлена апертурна діафрагма з 8-ма отворами, узгоджена з фокусуючим об'єктивом; крім того, лінії затримки встановлені відповідно на шляху трьох розсіяних та їх виходи оптично узгоджені з першим входом багатохвильового змішувача, а два фазорегулятори і два селективних дзеркала встановлені на шляху двох розсіяних пучків і оптично узгоджені з другим входом багатохвильового змішувача; в приймальному блоці встановлені на вході багатохвильовий змішувач, а також діафрагма з шістьма отворами і лінійка інтерференційних світлофільтрів перед фотоприймачем, крім того, кути прийому розсіяного випромінювання α2 і α3 відповідно на довжинах хвиль λ2 і λ3 вибираються в залежності від кута прийому розсіяного випромінювання α1 і кута між зондуючими пучками γ, виходячи зі співвідношення:  i  i  2 arcsin  1 sin 1  i  1     sin  ,  2  1  2   де λ1□λ2□λ3; і=2,3. 3 UA 108843 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4