Двохвильовий лазерний доплерівський анемометр

Реферат: Двохвильовий лазерний доплерівський анемометр (ДЛДА) складається з лазера на двох довжинах хвиль 1 і 2, блока формування паралельних пучків, оптичного блока часових затримок, датчика та вимірювального двоканального блока з двома фотоприймачами, які через диференціальний підсилювач підключені до входу вимірювача допплерівської частоти. За допомогою запропонованого двохвильового лазерного анемометра досягається високе значення відношення сигнал/шум та забезпечується заглушення сигналів-перешкод. UA 111504 C2 (12) UA 111504 C2 UA 111504 C2 5 10 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру великих швидкостей повітряних і газових потоків. Відомий лазерний допплерівський анемометр (ЛДА) [1], що включає в себе лазер, фокусуючий об'єктив, апертурну діафрагму, змішувач, фотоприймач і вимірювач допплерівської частоти. Проте, відомий ЛДА має невисокі співвідношення сигнал/шум при прийомі розсіяного назад випромінювання. Найбільш близьким технічним рішенням є ЛДА [2], що складається з оптично узгоджених лазера, випромінюючого на довжинах хвиль  1 і  2 , блока формування паралельних пучків, який включає двохвильовий розщеплювач, пристрій зсуву частоти, з підключенням до генератора високої частоти, дзеркало, оптичного пристрою часових затримок, який включає три лінії затримок, причому одна встановлена на шляху одного з зондуючих пучків, а два інші на шляху розсіяння пучків відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 , а також фазорегулятора з блоком живлення на шляху одного із зондуючих пучків, двох селективних дзеркал відповідно на 15 20 довжинах хвиль  1 і  2 ; датчика, який включає фокусуючий об'єктив; а також приймального блока, який включає фотоприймач та вимірювач допплерівської частоти. Відомий ЛДА має недолік, який полягає в тому, що на виході фотоприймача, окрім корисного доплерівського сигналу, формується також низькочастотна перешкода, частотні спектри яких можуть перекриватися, викликаючи зниження співвідношення сигнал/шум і точності виміру. В основу винаходу поставлено задачу компенсації низькочастотної перешкоди, що дозволяє підвищити відношення сигнал/шум. Це досягається шляхом формування доплерівських сигналів в протифазі від розсіяних пучків на довжинах хвиль  1 і  2 , а також при застосуванні двоканальної схеми прийому розсіяного вимірювання, відповідно на довжині хвилі  1 і  2 . Поставлена задача вирішується тим, що в двохвильовому лазерному доплерівському анемометрі, що складається з оптично узгоджених лазера, випромінюючого на довжинах хвиль 25 1 і  2 , блока формування паралельних пучків, який включає двохвильовий розщеплювач, , блок зсуву частоти з генератором високої частоти, дзеркало; оптичного блока часових затримок, який включає три лінії затримок, причому одна встановлена на шляху одного із зондуючих пучків, а дві інші на шляху розсіяних пучків відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 , а також фазорегулятор з блоком живлення на шляху одного із розсіяних пучків, два селективні 30 дзеркала відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 ; датчика, який включає фокусуючий об'єктив; а також вимірювального блока, який включає фотоприймач і вимірювач допплерівської частоти, причому два селективні дзеркала оптично узгоджені з першим і третім входом вимірювального блока, а вихід другої і третьої лінії затримки з другим і четвертим входом вимірювального блока, крім того, кут  2 , між розсіяними пучками, що приймаються, на довжині хвилі  2 , пов'язаний з 35 кутом  між зондуючими пучками, що перетинають в зоні виміру, та кут 1 між розсіяними пучками, що приймаються, на довжині хвилі  1 , наступним співвідношенням:   2 sin 1   2  2  arcsin  1   2    40   1   2    sin      1 ,    2    додатково встановлені, смуговий світофільтр на вході двохвильового розщеплювача, півхвильова пластина на шляху одного з розсіяних пучків, апертурна діафрагма з шістьма отворами, два селективні складові змішувачі на довжинах хвиль  1 і  2 , дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри, один на довжині хвилі  1 , а інший -  2 , фотоприймач, диференціальний підсилювач, причому селективний змішувач на  1 , діафрагма з 45 двома отворами і інтерференційний світлофільтр на 2 1 , встановлені перед першим  фотоприймачем, а селективний змішувач на , інтерференційний світлофільтр на 2 , встановлені перед другим фотоприймачем, виходи двох фотоприймачів через 1 UA 111504 C2 диференціальний підсилювач сполучені з вимірювачемдопплерівської частоти, а апертурна діафрагма встановлена у фокальній площині фокусуючого об'єктива. Двохвильовий лазерний доплерівський анемометр (ДЛДА) включає (Фіг. 1): лазер 1, випромінюючий пучок 2 на двох потужних лініях випромінювання  1 і  2 , смуговий світофільтр 5 3, який пропускає випромінювання на довжинах хвиль  1 і  2 , двохвильовий світлорозподілювач 4, що ділить пучок 2, на два пучки 5 і 6 однакової інтенсивності, як на довжині хвилі  1 , так і  2 , пристрій зсуву частоти 7 з генератором високої частоти 8, лінію затримки 9, апертурну діафрагму 10 з шістьма круглими отворами, фокусуючий об'єктив 11, зону виміру 12, в якій два пучки 5 і 6 перетинаються у фокусі об'єктиву 11 під кутом  , розсіяні 10 пучки 13, 14, 15 і 16, селективні дзеркала 17 для довжини хвилі  1 , селективні дзеркала 18 для довжини хвилі  2 , лінії затримки 19, півхвильову пластину 20, однохвильові складові змішувачі 15 21 на довжині хвиль  1 та  2 , діафрагми 22 з двома отворами, фотоприймачів 25 та 26, диференційного підсилювача 27, вимірювача доплерівської частоти 28, фазорегулятора 29 з блоком живлення 30, дзеркала 31; а також блок формування двох паралельних пучків 32, який включає елементи та пристрої: 3, 4, 7 та 31; оптичний блок часових затримок 33, який включає відповідно: 9, 17, 18, 19, 20 та 29; датчик, який включає відповідно: 21, 22, 23, 24, 25, 26 та 27. ДЛДА працює наступним чином. Лазер 1 випромінює пучок 2 на двох потужних довжинах хвиль  1 і  2 , який розщеплюється світлорозділювачем 4 на два пучки 5 та 6 однакової потужності: 20 P5  P6  P1  P 2 , де 25 Pі - потужність випромінювання на довжині хвилі і (і=1,2). Пучок 6 зміщується по частоті на фіксовану величину м пристроєм зсуву частоти 7 і потім, відбившись від дзеркала 31, проходить лінію затримки 9 і далі поширюється, як і пучок 5, паралельно і симетрично відносно оптичній осі схеми OZ. Пучки 5 і 6, після проходження отворів діафрагми 10, фокусуються об'єктивом 11 в зоні виміру 12, в якій вони перетинаються під кутом  (Фіг. 1). Пучки 5 і 6 мають узгоджені поляризації, проте в зоні виміру вони не інтерферують, оскільки ці пучки не когерентні, через затримку пучка 6 на відповідний час 3  кі 30 ( кі - максимальний з двох час когерентності випромінювання, що відповідає довжині хвилі і ).  При проходженні через зону виміру 12 мікрочасток, що рухаються із швидкістю потоку V , розсіяне назад випромінювання в напрямах 13,14,15 і 16, розташованих симетрично відносно осі схеми OZ, збирається об'єктивом 11 в межах малих отворів апертурної діафрагми 10, розташованій в фокальній площині об'єктива 11. Розсіяний пучок 15, після проходження 35 фазорегулятора 29 і віддзеркалення від селективного дзеркала 17 на довжині хвилі 1 , далі 1 спрямовується на перший вхід селективного змішувача 21 на довжині хвилі . Розсіяний пучок 16, після проходження лінії затримки 19, спрямовується на другий вхід цього змішувача 21. Час затримки пучка 16 вибирається таким, щоб при оптичному змішуванні  ( ' )  1 40 пучків 15 і 16 модуль комплексної міри тимчасової когерентності 1 3 . На виході змішувача 21 формуються два пучки, які після проходження діафрагми 22 і інтерференційного світлофільтра на довжині хвилі 1 23, спрямовуються на фотоприймач 25. В  результаті оптичного змішування двох розсіяних пучків на довжині хвилі 1 , на виході фотоприймача 25 формується високочастотний корисний доплерівський сигнал на частоті пропорційної проекції швидкості Vx : 1  м  45 8     1     1  Sin  Vx , coS 1   4   4  (1) 1 де - кут між розсіяними пучками 15 і 16 (Фіг. 1), а сигнали - перешкоди автоматично пригнічуються через прояв ефектів когерентності. 2 UA 111504 C2 Розсіяний пучок 13, після віддзеркалення від селективного дзеркала 18 на довжині хвилі  2 , проходить півхвильову пластину 20 та спрямовується на перший вхід селективного змішувача 21 на довжині хвилі  2 . Розсіяний пучок 14, після проходження лінії затримки 19, спрямовується на другий вхід цього змішувача 21. Час затримки пучка 14 вибирається таким, щоб при 5  ( ' )  1 оптичному змішуванні пучків 13 і 14 модуль комплексної міри часової когерентності  2 3 . 3 виходу змішувача 21 розсіяні пучки спрямовуються через діафрагму 22 та інтерференційний світлофільтр 24 на довжині хвилі  2 далі на вхід фотоприймача 26, на вході якого формується корисний доплерівський сигнал на частоті:  2  м  10 8      2      2  Sin  Vx , coS 2   4   4  (2) 2 де - кут між розсіяними пучками 13 і 14 (Фіг. 1), а сигнали - перешкоди автоматично пригнічуються через прояв ефектів когерентності. Вихідні доплерівські сигнали (1) та (2) мають однакові частоти, якщо геометрія зондування і прийому розсіяного випромінювання виконана відповідно до умови:   2 sin 1   2  2  arcsin  1   2      1   2    sin      1 ,    2    (3) 20 а також однакові фази при відповідному налаштуванні фази за допомогою фазорегулятора 29,в тому випадку якщо відсутня півхвильова фаза пластини 20. Якщо півхвильова пластина 20 встановлена, то доплерівські сигнали (1) і (2) знаходяться в протифазі. Ці сигнали з виходів фотоприймачів 25 і 26 подаються на вхід диференціального підсилювача 27, на вході якого спостерігається пригнічення низькочастотної складової сигналів фотоприймачів 25 і 26, а корисний доплерівський сигнал далі подається на вимірювач доплерівської частоти 28, який 25 видає інформацію про модуль і знак проекції швидкості x . У розробленому ДЛДА усунені недоліки властиві прототипу і відомим пристроям. У ДЛДА забезпечується пригнічення не лише високочастотних перешкод, але і компенсація низькочастотної складової сигналу - перешкоди, що призводить до підвищення відношення сигнал-перешкоди і точності виміру швидкості. Це досягається за рахунок двоканальної схеми 15  V прийому розсіяного випромінювання відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 і такої геометрії 30 35 зондування і прийому на довжинах хвиль  1 і  2 , при яких спостерігається пригнічення високочастотних перешкод на основі прояву ефектів когерентності випромінювання, а також пригнічення низькочастотних перешкод на основі формування сигналів в противофазі. ДЛДА відрізняється низькою чутливістю, тому сфера застосування поширюється на вимір дуже великих швидкостей (VM000 м/с). Джерела інформації: 1. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометри. - М: Наука, 1982, стр. 67-69 2. Багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр. Землянський В.М., Гусєв М.О. Заявка на винахід, подана в Держпатент України: 05.10.2011 p., № а 201111749 3. Землянский В.М. Измерение скорости потоков лазерным доплеровским методом. - К.: Вища школа., 1987, 177 с. 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 Двоканальний доплерівський анемометр, що складається з оптично узгоджених: лазера, випромінюючого на довжинах хвиль  1 і  2 , блока формування паралельних пучків, який включає двохвильовий розщеплювач, пристрій зсуву частоти з генератором високої частоти, дзеркало; оптичного блока часових затримок, який включає три лінії затримок, причому одна встановлена на шляху одного із зондуючих пучків, а дві інші на шляху розсіяних пучків відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 , а також фазорегулятор з блоком живлення на шляху одного із розсіяних пучків, два селективні дзеркала відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 ; 3 UA 111504 C2 датчика, який включає фокусуючий об'єктив; а також вимірювального блока, який включає фотоприймач і вимірювач доплерівської частоти, причому два селективні дзеркала оптично узгоджені з першим і третім входом вимірювального блока, а вихід другої і третьої лінії затримки з другим і четвертим входом вимірювального блока, крім того, кут  2 , між розсіяними пучками, 5 що приймаються на довжині хвилі  2 , пов'язаний з кутом  між зондуючими пучками, що перетинаються в зоні виміру, та кутом 1 між розсіяними пучками, що приймаються на довжині хвилі  1 , наступним співвідношенням:   2 sin 1   2  2  arcsin  1   2      1   2    sin      1 ,    2    10 який відрізняється тим, що додатково встановлені: смуговий світофільтр на вході двохвильового розщеплювача, напівхвильова пластина на шляху одного з розсіяних пучків, апертурна діафрагма з шістьма отворами, два селективні складові змішувачі на довжинах хвиль  1 і  2 , дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри, один на довжині 15 20 хвилі  1 , а інший -  2 , фотоприймач, диференціальний підсилювач, причому селективний змішувач на  1 , діафрагма з двома отворами і інтерференційний світлофільтр на  1 , встановлені перед першим фотоприймачем, а селективний змішувач на  2 , інтерференційний світлофільтр на  2 , встановлені перед другим фотоприймачем, виходи двох фотоприймачів через диференціальний підсилювач з'єднані з вимірювачем доплерівської частоти, а апертурна діафрагма встановлена у фокальній площині фокусуючого об'єктива. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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