Двохвильовий лазерний допплерівський анемометр

Реферат: Двохвильовий лазерний допплерівський анемометр складається з оптично узгоджених лазера, який випромінює на довжинах хвиль  1 і  2 , блока формування паралельних пучків, який включає смуговий світлофільтр, двохвильовий розщіплювач, пристрій зсуву частот з генератором високої частоти, дзеркало; оптичного пристрою часових затримок, який включає три лінії затримок, причому одна з них встановлена на шляху зондуючого пучка, фазорегулятора з блоком живлення, напівхвильову пластину, два селективних дзеркала; датчика, котрий включає фокусувальний об'єктив; приймального блока, який включає два селективних змішувачі, дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 , два фотоприймачі, диференційний підсилювач і вимірювач допплерівської частоти, причому виходи фотоприймачів через диференційний підсилювач з'єднані з вимірювачами допплерівської частоти. Додатково встановлена діафрагма з отворами, розміщеними симетрично відносно оптичної осі схеми в площині зондуючих пучків. Одна пара отворів з відстанню між ними 2а пропускає два зондуючих пучки. Друга пара отворів з відстанню між ними 2b1, пропускає два розсіяних пучки, що відповідають прийманню випромінювання на довжині хвилі  1 . Третя пара отворів, призначена для приймання випромінювання на довжині хвилі  2 , виконується з відстанню між ними 2b2. Винахід дозволяє підвищити чутливість при збереженні високого відношенням сигнал/шум. UA 111533 C2 (12) UA 111533 C2 UA 111533 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання швидкості повітряного потоку чи газу. Відомий лазерний допплерівський анемометр (ЛДА) [1], що включає лазер, фокусувальний об'єктив, апертурну діафрагму, змішувач, фотоприймач і вимірювач допплерівської частоти. Проте відомий ЛДА має невисоку чутливість та відношення сигнал/шум при прийманні розсіяного назад випромінювання. Найбільш близьким за технічним рішенням є ЛДА [2], який складається з: оптично узгодженого лазера, що випромінює на довжинах хвиль 1 і 2; блока формування паралельних пучків, котрий включає смуговий світлофільтр, двохвильовий розщіплювач, пристрій зсуву частоти і дзеркало; оптичного пристрою часових затримок, яке включає три лінії затримок, фазорегулятор, напівхвильову пластину, два селективних дзеркала; датчика, який включає фокусувальний об'єктив; приймального блока, який включає два селективних змішувачі, дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри, два фотоприймачі, диференційний підсилювач і вимірювач допплерівської частоти. Відомий ЛДА має відносно низьку чутливість і тому не може бути використаний для точного вимірювання дуже малих швидкостей. В основу винаходу поставлена задача підвищення чутливості схеми ЛДА при збереженні високого відношення сигнал/шум. Це досягається за рахунок встановлення апертурної діафрагми з трьома парами отворів, розташованих симетрично оптичної осі схеми OZ. При цьому параметри цієї діафрагми вибрані такими, що чутливість схеми ЛДА збільшується на порядок і більше. Поставлена задача вирішується тим, що в двохвильовому лазерному допплерівському анемометрі, який складається з оптично узгодженого лазера, що випромінює на довжинах хвиль 1 і 2; блока формування паралельних пучків, який включає смуговий світлофільтр, двохвильовий розщіплювач, пристрій зсуву частот з генератором високої частоти, дзеркало; оптичного пристрою часових затримок, яке включає три лінії затримки, причому одна із них встановлена на шляху зондуючого пучка, фазорегулятора з блоком живлення, напівхвильову пластину, два селективних дзеркала; датчика, котрий включає два селективних змішувачі, дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри відповідно на довжинах хвиль 1 і 2, два фотоприймачі, диференційний підсилювач і вимірювач допплерівської частоти, причому виходи фотоприймачів через диференційний підсилювач з'єднані з вимірювачами допплерівської частоти, додатково встановлена діафрагма з отворами, розташованими симетрично відносно оптичної осі схеми в площині зондуючих пучків, причому одна пара отворів з відстанню між ними 2а пропускає два зондуючих пучки, друга пара отворів з відстанню між ними 2b1, пропускає два розсіяних пучки, що відповідають прийманню випромінювання на довжині хвилі 1, а третя пара отворів, призначена для приймання випромінювання на довжині хвилі 2, виконується з відстанню між ними 2b2, котрі визначаються зі співвідношення:   b     2   a   ,    b 2  Ftg arcsin 2 sin arctg 1    1  sin arctg F    F   1       1  де F - фокусна відстань фокусувального об'єктива, крім того, ця діафрагма встановлена в фокальній площині об'єктива, а дві лінії затримок, встановлені на шляху розсіяних пучків, що відповідають довжинам хвиль 1 і 2, а їх виходи узгоджені з першими входами двох селективних змішувачів, а другі входи цих змішувачів узгоджені з отворами апертурної діафрагми. Двохвильовий лазерний допплерівський анемометр (ДЛДА) включає (креслення): лазер 1, що випромінює пучок 2, на двох потужних лініях випромінювання 1 і 2, смуговий світлофільтр 3, що пропускає випромінювання на довжинах хвиль 1 і 2, двохвильовий світлоподільник 4, який ділить пучок 2 на два пучки 5 і 6 рівної інтенсивності як на довжинах хвиль 1, так і 2, пристрій зсуву частот 7 з генератором високої частоти 8, лінії затримок 9, апертурну діафрагму 10 з шістьома круглими отворами, фокусувальний об'єктив 11, зону вимірювання 12, в якій два пучки 5 і 6 перетинаються в фокусі об'єктива 11 під кутом , розсіяні пучки 13, 14, 15 і 16, селективні дзеркала 17 для довжини хвилі 1, селективні дзеркала 18 для довжини хвилі 2, лінії затримок 19, напівхвильову пластину 20, двохвильові складені змішувачі 21 для довжин хвиль 1 і 2, діафрагми 22 з двома отворами, фотоприймачі 25 і 26, диференційний підсилювач 27, вимірювач допплерівської частоти 28, фазорегулятор 29 з блоком живлення 30, дзеркало 31; а також блок формування двох паралельних пучків 32, який включає елементи і пристрої: 3, 4, 7 і 31; оптичний пристрій часових затримок 33, який включає відповідно: 9, 17, 18, 19, 20 і 29; датчик, що включає відповідно: 21, 22, 23, 25, 26 і 27. 1 UA 111533 C2 ДЛДА працює наступним чином. Лазер 1 випромінює пучок 2 на двох довжинах хвиль 1 і 2, який проходить світлофільтр 3 і ділиться світлоподільником 4 на два пучки 5 і 6 рівної потужності: P5  P6  P1  P 2 , 5 10 15 20 де Pi - потужність випромінювання на довжинах хвиль і (і = 1, 2). Пучок 6 зміщується по частоті на фіксовану величину Ωм пристроєм зсуву частоти 7 і потім, після віддзеркалення від зеркала 31, проходить лінію затримки 9 і далі поширюється, як і пучок 5, паралельно і симетрично відносно оптичної осі схеми OZ. Пучки 5 і 6, після проходження отворів діафрагми 10, фокусуються об'єктивом 11 в зоні вимірювання 12, в якій вони перетинаються під кутом  (креслення). Пучки 5 і 6 мають узгоджені поляризації, однак в зоні вимірювання вони не інтерферують, так як пучки некогерентні через часову затримку пучка 6 на час 3 > кі (кі - максимальний із двох часток когерентності випромінювання, відповідний довжині  хвилі і). При проходженні через зону вимірювання 12 рухомих зі швидкістю потоку V мікрочасток, розсіяне назад випромінювання в напрямках 13, 14, 15 і 16, розташованих симетрично відносно осі схеми OZ, збирається об'єктивом 11 в межах малих отворів апертурної діафрагми 10, розміщеної в фокальній площині об'єктива 11. Розсіяний пучок 15, після проходження фазорегулятора 29 і відбиття від селективного дзеркала 17 на довжині хвилі 1 і лінії затримок 19, далі прямує на перший вхід селективного змішувача 21 на довжині хвилі 1. Розсіяний пучок 16 прямує на другий вхід цього змішувача 21. Час затримки пучка 16 1 вибирається таким, щоб при оптичному змішуванні пучків 15 і 16 модуль комплексного ступеня часової когерентності 25 .1    1. На виході змішувача 21 з формуються два пучки, які після проходження діафрагми 22 і інтерференційного світлофільтра на довжині хвилі 1, спрямовуються на фотоприймач 25. В результаті оптичного змішування двох розсіяних пучків на довжині хвилі 1, на виході фотоприймача 25 формується високочастотний потужний допплерівський сигнал, на частоті, пропорційній проекції швидкості Vx: 8      1     1   , (1) sin  cos   Vx 1   4   4   де  1 - кут між розсіяними пучками 15 і 16 (фіг. 1), а сигнали - завади автоматично приглушуються через відповідний прояв ефектів когерентності. Розсіяний пучок 13, після відбиття від селективного дзеркала 18 на довжині хвилі 2, проходить лінію затримок 19, напівхвильову пластину 20 на довжині хвилі 2 і далі прямує на перший вхід селективного змішувача 21 на довжині хвилі 2. Розсіяний пучок 14 спрямовується на другий вхід цього змішувача 21. Час затримки цього пучка 14 2 вибирається таким, щоб при оптичному змішуванні пучків 13 і 14 модуль комплексного ступеня часової когерентності  1   M  30 35 . 2    1. З виходу змішувача 21 розсіяні пучки прямують через діафрагму 22 і з інтерференційний світлофільтр 24 на довжині хвилі 2 на вхід фотоприймача 26. В результаті оптичного змішування двох розсіяних пучків на довжині хвилі 2, на виході фотоприймача 26 формується корисний допплерівський сигнал на частоті: 8      2      2   , (2) sin  cos   Vx 2   4   4   де  2 - кут між розсіяними пучками 13 і 14 (фіг. 1), а сигнали - завади автоматично приглушуються через відповідний прояв ефектів когерентності. Вихідні допплерівські сигнали (1) і (2) мають однакові частоти 1   2 , якщо геометрія зондування і приймання розсіяного випромінювання виконана у відповідності за умови:   b     2   a     sin arctg    , (3) b 2  Ftg arcsin 2 sin arctg 1    1    F  F      1  1  де F - фокусна відстань об'єктива 11; a - відстань від осі схеми OZ до зондуючих пучків 5 і 6; b 1 - відстань від осі схеми OZ до розсіяних пучків 15 і 16 (фіг. 1); b 2 - відстань від осі схеми OZ до розсіяних пучків 13 і 14; а також однакові фази за відповідного налаштування фази за допомогою фазорегулятора 29, а також за відсутності напівхвильової фазової пластини 20.  2  M  40 45 50 2 UA 111533 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Якщо напівхвильова пластина 20 встановлена, то допплерівські сигнали (1) і (2) знаходяться в протифазі. Ці сигнали з виходів фотоприймачів 25 і 26 подаються на вхід диференційного підсилювача 27, на виході якого спостерігається приглушення низькочастотної складової сигналу фотоприймачів 25 і 26, а корисний допплерівський сигнал далі подається на вимірювач допплерівської частоти 28, який видає інформацію про модуль та знак проекції швидкості Vx. В розробленому ДЛДА забезпечується приглушення не тільки високочастотних завад, але і компенсація низькочастотної складової, сигналу - завади, що призводить до підвищення відношення сигнал/шум і точності вимірювання швидкості. Це досягається за рахунок двоканальної схеми приймання розсіяного випромінювання відповідно на довжинах хвиль 1 і 2 і такій геометрії зондування і приймання на довжинах хвиль 1 і 2, за яких спостерігається приглушення завад на основі в рахування ефектів когерентності випромінювання, а також придушення низькочастотних завад на основі формування протифазних сигналів. ДЛДА відрізняється від прототипу високою чутливістю, котра дорівнює:    Гц  4    2     2  Sx    sin  cos  М  1  4   4   С може бути більше на порядок і більше, ніж в прототипі. ДЛДА призначений для вимірювання дуже малих V < мм/с. Література 1. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С., Методы лазерной доплеровской анемометрии. - М. Наука, 1982, стр. 67-69. 2. Землянський В.М., Гусєв М.О. Двохвильовий лазерний допплерівський анемометр. Заявка на винахід, подана в Держпатент України від 16.04.14 а 201404090. 3. Землянский В.М. Измерение скорости потоков лазерным доплеровским методом. - К.: Вища школа, 1987. - 177 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Двохвильовий лазерний допплерівський анемометр, що складається з оптично узгоджених лазера, який випромінює на довжинах хвиль  1 і  2 ; блока формування паралельних пучків, який включає смуговий світлофільтр, двохвильовий розщіплювач, пристрій зсуву частот з генератором високої частоти, дзеркало; оптичного пристрою часових затримок, який включає три лінії затримок, причому одна з них встановлена на шляху зондуючого пучка, фазорегулятора з блоком живлення, напівхвильову пластину, два селективних дзеркала; датчика, котрий включає фокусувальний об'єктив; приймального блока, який включає два селективних змішувачі, дві діафрагми з двома отворами, два інтерференційних світлофільтри відповідно на довжинах хвиль  1 і  2 , два фотоприймачі, диференційний підсилювач і вимірювач допплерівської частоти, причому виходи фотоприймачів через диференційний підсилювач з'єднані з вимірювачами допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в ньому додатково встановлена діафрагма з отворами, розміщеними симетрично відносно оптичної осі схеми в площині зондуючих пучків, причому одна пара отворів з відстанню між ними 2а пропускає два зондуючих пучки, друга пара отворів з відстанню між ними 2b1, пропускає два розсіяних пучки, що відповідають прийманню випромінювання на довжині хвилі  1 , а третя пара отворів, призначена для приймання випромінювання на довжині хвилі  2 , виконується з відстанню між ними 2b2, які визначаються зі співвідношення:   b     2   a     sin arctg    , b 2  Ftg arcsin 2 sin arctg 1    1    F  F      1  1  де F - фокусна відстань фокусувального об'єктива, крім того, ця діафрагма встановлена в фокальній площині об'єктива, а двілінії затримок, встановлені на шляху розсіяних пучків, що відповідають довжинам хвиль  1 і  2 , при цьому їх виходи узгоджені з першими входами двох селективних змішувачів, а другі входи цих змішувачів узгоджені з отворами апертурної діафрагми. 3 UA 111533 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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