Устройство для измерения скорости
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения и оптически согласо анные с ним однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь изображения интерференционного поля в .рассеянном свете, фотоприемник с подключенньми последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, формирователь интерференционного поля снабжен фазовым модулятором, в устройство введен перестраиваемый по частоте генератор, выход которого чер рез двухполупериодный выпрямитель ® (/) электрически связан с управляющим входом источника когерентного излучения и через формирователь прямоугольных импульсов подключен к фазовому модулятору .
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) (я) 4 G Ol P 3/36
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3588088/24-10 (22) 05.05.83 (46) 30.03.87. Бюл. Ô 12 (71) Институт автоматики и электро.метрии СО АН СССР (72) 10.Н.Дубнищев, В.А.Жмудь, В.А.Павлов и А.А.Столповский (53) 532.574(088.8) (56) Грохальский А.Н.,Землянский В.И.
Лазерный доплеровский измеритель скорости широкого динамического диапазона. — Сб. "Преобразовательная и из.б мерительная техника".-Киев, Наукова
Думка, 1975, с.41-45.
Yu. N.Dubuisteheva.o, optics and
Lasers Technology, 1977, 2, 1) 1, 31-34 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения и оптически согласованные с ним однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь изображения интерференционного поля в рассеянном свете, фотоприемник с подключенными последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, формирователь интерференционного поля снабжен фазовым модулятором, в устройство введен перестраиваемый по частоте генератор, выход которого через двухполупериодный выпрямитель Е электрически связан с управляющим вхо- у дом источника когерентного излучения и через формирователь прямоугольных С импульсов подключен к фазовому модулятору.
1 . 113926
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скоростей движения жидкостей, газов и рассеивающих свет поверхностей. 5
Известно устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, содержащее кольцевой лазер, акустооптический модулятор, установленный на пути одного из двух лучей, генерируе- 10 мых кольцевым лазером, и генератор, управляющий работой акустооптического модулятора, а также передающую и приемную оптические системы и фотоприемник, подключенный к измерителю.доплеровской частоты и элементам обратной связи с генератором, Недостатками известного устройст" ва являются его сложность и громоздкость и неработоспособность в усло- виях, когда рассеянное частицами излучение деполяризуется.
Известно устройство, принятое за прототип, содержащее последовательно 25 расположенные источник когерентного излучения и оптически согласованные с ним однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирова- 3О тель изображения интерференционного поля в рассеянном свете, фотоприемник с подключенными последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты.
Измеритель доплеровского сдвига частоты в прототипе содержит смеситель и перестраиваемый по частоте гетеродин для преобразования частоты доплеровского сигнала в заданную про- 40 межуточную.
Недостатком известного устройства является пониженная точность измерений из-за невозможности плавной перестройки частоты несущей доплеровско- 45 го сигнала в оптическом канале. Это вызывает необходимость работы фотоприемника в широкой полосе частот, определяемой высокой модулирующей частотой акустооптического модулятора (десятки мегагерц), что, в свою очередь, ведет к понижению чувствительности фотоприема и повышению уровня шумов. Другой недостаток — пониженная надежность устройства из-за нали- 55 чия лучевого расщепителя, критического к юстировке и вибрациям.
Целью изобретения является повышение точности измерений скорости.
1 2
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержа-.:. щем последовательно расположенные источник когерентного излучения и опти/ чески согласованные с ним дополнительный однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь
Э изображения интерференционного поля в рассеянном све Фе, фбтоприемник с подключенными последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты, формирователь интерференционного поля снабжен фазовым модулятором и в устройство введен перестраиваемый по частоте генератор, выход которого через двухполупериодный выпрямитель электрически связан с управляющим входом источника когерентного излучения и через формирователь прямоугольных импульсов подключен к фаэовому модулятору.
На чертеже показана схема устройства для измерения скорости.
Устройство содержит полупроводниковый лазер 1 с выводом излучения с противоположных торцов резонатора и размещенные последовательно на пути световых пучков поворотные зеркала
2 и 3, однополосный частотный модулятор 4, фазовый,полуволновой модулятор 5, формирующий объектив 6, приемный объектив 7 с апертурной диафрагмой 8, фотоприемник 9. К фотоприемнику последовательно подключены переетраиваемый полосовой фильтр 10 и измеритель 11 доплеровского сдвига частоты. Однополосный частотный модулятор 4 подключен к генератору 12. Перестраиваемый по частоте генератор
13 через двухполупериодный выпрямитель 14 подключен к полупроводниковому лазеру 1. Выход этого же генератора через формирователь 15 прямоугольных импульсов подключен к фазовому модулятору 5.
Устройство работает следующим образом.
Световые пучки, выходящие с противоположных торцов резонатора, направляются зеркалами 2, 3 и объективом 6 в исследуемую среду, скорость которой подлежит измерению. В области пересечения этих пучков формируется интерференционное поле, пространственное распределение интенсивности которого описывается известным выражением
1139261
I(x)=/Е„(х) / +/E (х) / +2/Е (х) /
/E (x) /qos Q t ""(g (1) где Е (х) — амплитуда поля i-го пуч1 ка; 5
Я вЂ” частотный сдвиг светового пучка на выходе частотного модулятора 4;
К=2(/А — модуль вектора интерференционной решетки; . f0
A — пространственный период интерференционного поля;
И = /2А — (размер интерференцион-. ной полосы);
2() — угол между интерферирую- f5 щими световыми пучками;
Я вЂ” длина волны лазерного излучения. Направление оси выбирается ортогональным к биссектрисе угла 24. 20
Питание лазера модулируется электрическим сигналом с частотой Я, который формируется генераторм 13 и выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 14. Поэтому интенсивность световых пучков, формирующих интерференционное поле, меняется по закону
У/cos Я t/, где — крутизна ватт-амЭ
30 перной характеристики лазера. Фазовый полуволновой модулятор 5 управляется напряжением с выхода формирователя 15 прямоугольных импульсов.Это напряжение синхронизировано с напряжением питания лазера, поскольку оба 35 напряжения формируются из сигнала генератора 13. Фазовый полуволновой модулятор модулирует разность фаз интерферирующих пучков по закону Ч=
->/2 Sign(Cos Я, t).
Следовательно, результирующее интерференционное поле (1) с учетом модуляции лазера и действия полуволнового фазового модулятора 5 можно описать вьфажением
Р31/Е,/-/Cos Я,,й/+ 11/Ед/ /СозЯ1 t/ +
+ г 2/Е, /. /E / /Cos Я1 t/- Cos ((sent-kx)+
+ 2 Sign(созg,1,t) или после элементарных преобразований и, принимая во внимание, что /Cos Я,с/, Sign (Cos Я.t)=соза, t, имеем
I,= I + I Ю) где I Ф(/E / +/E / ) Cos R, t/ — 55 пьедестал интерференционного поля;
% М 2/1, /-/Е /Cos R t. Cosf&t-kx)4 корреляционная компонента интерференционного поля,распределенная в направлении оси Х с пространственной частотой К.
Пусть зондирующее интерференционное поле в направлении оси пересекается частицей, движущейся со скоростью Ч. Сформированное в рассеянном свете изображение интерференционного поля на светочувствительной поверхности фотоприемника представляется сверткой пространственного распределения интенсивности интерференционного поля (2) и функции М(х) 8 (х-vt), описывающей движущуюся частицу. Здесь - функция, описывающая форму частицы, о - функция, определяющая положение частицы. Ток на выходе фотоприемника пропорционален интенсивности изображения интерференционного поля в свете, рассеянном движущейся частицей. Отсюда получаем для выхода тока фотоприемника (увеличение приемной оптики принимаем для простоты за единицу) ,i=pf Ер (х)а (х-vt)dx+ p j IV(x) !
» 8 (х-vt) dx, (3) здесь Р- коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотоприемника.
Подставляя в (3) значения I u I из (2) и учитывая фильтрующее свойство — функции, получаем
=РF(IE,(()l lE,(t)l }v(Vt)lc а,t(.
+РУ 2}E,(t)1.}Е (t)(v(vt)-ñ зд t„
° сов CЯ вЂ” к)((1)l .
Выполнив элементарные преобразования произведения косинусов в сумму косинусов, приходим к окончательному выражению, описывающему ток на выходе фотоприемника:
1=А1 (СозЯ t)+A Cos f (Я-Я,-ц) ) t) +
+ А Cos ((Я+Я и))й (4) здесь А,= PNf/Е, (t)/ +/Е (е.) j9 (vt);
А =РУ /E (t)/ /Е,(Е)/.(Р (1 ); ут
Из (4) видно, что ток на выходе фотоприемника содержит составляющую, соответствующую пьедесталу интерференционного поля,и две компоненты С разностной и суммарной частотами несущей. Полосовой фильтр 10 настроен на
Составитель
Редактор Т.Горькова Техред Л.Сердюкова Корректор А.Ильин
Заказ 1167/1 Тираж 777 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5
Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4
5 . 11392 раэностную частоту несущей, поэтому именно она поступает на измеритель доплеровского сдвига частоты, а остальные компоненты отфильтровываются. Компонента i> с .разностной час" тотой несущей на выходе фильтра 10 описывается согласно (4) выражением . ip = А Cos ((k- 2,-< ) t). 6)
Отсюда следует, что изменяя частоту генератора 13, можно задавать 10 любую частоту (Ф- 2,) несущей доплеровского сигнала и переносить спектр доплеровского сигнала в область, удобную для обработки.
Повышенная точность измерений до- 15 стигается тем, что преобразование частоты несущей доплеровского сигнала выполняется непосредственно в оптическом канале измерителя, поэтому исключается погрешность, связанная с 20 необходимостью применения широкополосного высокочастотного фотоприемника, как это имеет место в известном устройстве. Широкополосный режим работы фотоприемника ведет к снижению25
61 6 чувствительности и повышению уровня шумов. В устройстве перестройка частоты несущей в оптическом канале позволяет использовать узкополосной режим работы фотоприемника в области низких частот, что ведет к повышению чувствительности и увеличению отношения сигнал/шум. Преобразование в оптическом канале частоты несущей доплеровского сигнала дает возможность реализовать систему обработки на фиксированной промежуточной частоте, что повышает точность и помехоустойчивость измерений. Такая система обработки организуется по принципу следящего фильтра с включением оптического канала в контур обратной связи.
Отсутствие в устройстве оптического элемента, специально выполняющего функции лучевого расщепителя, повыша" ется помехоустойчивость измерения.
Это связано с тем, что в известных устройствах лучевой расщепитель является узлом, наиболее чувствительным к вибрациям и юстировке,
