Лазерный доплеровский измеритель скорости
LASER DOPPLER VELOCITY METER

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной гидро- и аэродинамике, в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей потоков газовых и конденсированных сред, а также скоростей движения поверхностей.
Известен лазерный доплеровский измеритель скорости, действие которого основано на использовании лазерного излучения и эффекта Доплера [патент US 4838687 А]. Для измерения вектора скорости в исследуемой среде формируется зондирующее поле, пространственная структура которого задает 3D (D - «dimension» - размерность) координатно-измерительный базис. Зондирующее поле ограничено областью пересечения лазерных пучков. Частота рассеянного света изменяется из-за доплеровского сдвига частоты, пропорционального скорости движения исследуемой среды. Измерение доплеровского частотного сдвига несет информацию о скорости. Для определения вектора скорости наиболее широко используется пятилучевая система формирования ортогонального координатного базиса в зондирующем поле, реализация описана в патенте US 4838687 А. Устройство содержит источник лазерного излучения, расщепители и частотные модуляторы световых пучков, оптические формирователи зондирующего поля, при этом для определения двух компонент вектора скорости формируется координатный 2D базис из трех лазерных пучков, а для измерения третьей ортогональной компоненты скорости координатный базис, образованный в области пересечения двух лазерных пучков. Фактически, для измерения 3D вектора скорости используются две лазерные доплеровские измерительные системы (ЛДИС) с совмещенным зондирующим полем: одна из них измеряет две проекции скорости в ортогональном координатном базисе, другая измеряет третью проекцию. Определение направлений компонент вектора скорости осуществляется введением несущих частот в лазерные пучки с помощью акустооптических модуляторов, число которых в измерительной системе равно числу компонент вектора скорости.
Однако, в указанном устройстве недостатками являются пониженная точность измерений и надежность из-за проблемы пространственного совмещения 2D и 1D составляющих координатно-измерительного базиса в зондирующем поле, поскольку они образуются раздельными и независимыми трехпучковой и двухпучковой оптическими системами в пространственном угле порядка π/2. В такой структуре лазерного доплеровского измерителя скорости три и два пучка независимо проходят через различные оптические элементы в 2D и 1D измерительных системах, что приводит к дополнительному снижению точности измерений из-за влияния механической нестабильности и тепловых полей. Кроме того, использование трех акустооптических модуляторов для определения направления вектора скорости усложняет структуру измерительной системы и снижает надежность ее работы.
Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в книге [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское из-во, 2003, 418 с.] на стр. 206-209 рис. 4.6, в котором зондирующее поле с 3D координатно-измерительным базисом сформировано четырьмя лазерными пучками, проходящими через одни и те же оптические элементы, в числе которых три акустооптических модулятора. Структура системы образует три измерительных канала. Эта система работает в режиме адаптивной частотной селекции компонент вектора скорости с темпоральной коммутацией измерительных каналов.
Однако в указанном устройстве недостатком является пониженная точность измерений скорости, поскольку частота коммутации измерительных каналов, определяющих последовательно во времени проекции скорости, и, соответственно, частота Найквиста, зависит от динамики исследуемого процесса и концентрации рассеивающих частиц в среде.
1
2
1
2
1
2
Кроме того, известен лазерный доплеровский измеритель вектора скорости [патент RU 2638580 C1 G01P 3/36], являющийся прототипом предлагаемого изобретения. Он содержит бихроматический источник двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных монохроматических, отличающихся по длинам волн λ и λ лазерных пучков. Последовательно с ним расположены: первый объектив, акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению падающих на модулятор пространственно совмещенных лазерных пучков, второй объектив, призма Волластона, ориентация которой согласована с поляризацией дифрагированных пучков. На пути одного из пары бихроматических пучков, дифрагированных в нулевой или минус первый порядок дифракции, между акустооптическим модулятором и второй призмой Волластона установлена ахроматическая фазовая пластинка. Взаимное расположение акустооптического модулятора, второго объектива и призмы Волластона обеспечивают оптическое сопряжение источника дифрагированных пучков с его изображением в исследуемой среде. Передний фокус третьего объектива совмещен с точкой расщепления световых пучков второй поляризационной призмой. На пути двух из четырех расщепленных призмой Волластона пучков помещены полуволновые фазовые пластинки. Последовательно с третьим объективом помещен четвертый объектив - формирователь зондирующего поля в исследуемой среде. На пути двух из четырех расщепленных призмой Волластона лазерных пучков помещены полуволновые фазовые пластинки, согласующие поляризации лазерных пучков, формирующих структуру зондирующего поля в исследуемой среде. Между третьим и четвертым объективами установлено поворотное зеркало. На пути светового пучка, отраженного этим поворотным зеркалом, установлено дихроичное зеркало. На пути световых пучков, отраженных дихроичным зеркалом, установлены фотоприемники, выходы которых подключены к аналого-цифровым преобразователям (АЦП). Между четвертым и третьим объективом на пути одного из пучков, формирующих зондирующее поле, помещена светоделительная пластинка. На пути отраженного светового пучка установлены четвертьволновая фазовая пластинка и зеркало. На пути отраженных этим зеркалом и прошедшего через светоделительную пластинку пучка последовательно помещены светофильтр и фотоприемник, выход которого подключен к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Выходы аналого-цифровых преобразователей подсоединены к системе обработки сигналов. Действие этого устройства заключается в том, что два пространственно совмещенных ортогонально поляризованных, отличающихся длинами волн λ и λ пучка направляют на акустооптический брэгговский модулятор бегущей волны. Дифрагированные в первый и минус первый порядки дифракции световые пучки имеют относительный частотный сдвиг Ω, равный частоте ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. Вторым объективом эти пучки направляются на призму Волластона. Поляризации этих пучков ахроматической полуволновой фазовой пластинкой согласуются с ориентацией призмы Волластона. Поляризационная призма Волластона расщепляет падающие пучки. Взаимное расположение объектива, акустооптического модулятора и призмы Волластона обеспечивает оптическое сопряжение источника дифрагированных пучков с его изображением при равенстве угла между пучками с длинами волн λ иλ, падающими на призму, углу расщепления. Расщепленные призмой пучки, поляризации которых корректированы полуволновыми фазовыми пластинками, третьим и четвертым объективами направляются в исследуемую среду. В области пересечения этих пучков в исследуемой среде формируется зондирующее поле, оптически сопряженное с источником световых пучков, дифрагированных в акустооптическом модуляторе. Координатно-измерительный базис задается структурой волновых векторов лазерных пучков, формирующих зондирующее поле в исследуемой среде. Хроматически селектированные изображения зондирующего поля в рассеянном исследуемой средой свете с использованием зеркал, объективов, светоделительных и фазовых пластинок направляются на фотоприемники, в режиме оптического смешения преобразующие световые поля в фотоэлектрические сигналы, которые через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) поступают в систему обработки. Несущая частота этих сигналов задается частотой акустооптического модулятора, а девиация частоты соответствует доплеровскому частотному сдвигу, пропорциональному соответствующей компоненте скорости исследуемой среды в сформированном координатно-измерительном базисе.
а
1
2
а
Однако указанный измеритель обладает недостатком в виде пониженной точности измерения скорости из-за отличия углов дифракции Брэгга в акустооптическом модуляторе для хроматических компонент дифрагирующего пучка, которая составляет Δϕ=Δλ/Λ, где Δλ=λ-λ - разность длин волн дифрагирующих пучков, Λ - пространственный период акустической волны. Результатом является искажение координатно-измерительного базиса, которое влияет на погрешность измерений и требует компенсации. Компенсация может выполняться конструктивно, что усложняет реализацию измерительной системы, либо требует тонкого управления пространственными, поляризационными и фазовыми параметрами дифрагированных в модуляторе световых пучков путем адекватной ориентации поляризационной призмы. Кроме того, несогласованность условий брэгговской дифракции с бихроматической структурой дифрагирующего пучка ведет к дополнительным энергетическим потерям, влияющим на контрастность интерференционной структуры зондирующего поля, отношение сигнал/шум и, в конечном счете, на точность измерений.
Другим недостатком является использование для измерения каждой из трех компонент вектора скорости отдельной системы хроматической селекции рассеянных пучков и фотоприемника, что приводит к дополнительным потерям энергии светового поля и, соответственно, снижению отношения сигнал/шум при фотоэлектрическом преобразовании. Измерительная система усложняется из-за необходимости формирования в системе трех независимых оптических каналов, селектирующих хроматические компоненты рассеянного поля, несущих информацию об ортогональных проекциях вектора скорости.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости.
r
g
r
g
r
r
r
g
r
g
r
g
r
g
r
g
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном измерителе, содержащем последовательно расположенные: бихроматический источник излучения двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков с длинами волн λ и λ первый объектив; акустооптический брэгговский модулятор бегущей волны; второй объектив; ахроматическую полуволновую фазовую пластинку на пути одного из дифрагированных пучков; поляризационную призму Волластона, расположенную в плоскости изображения источника дифрагированных в акустооптическом модуляторе пучков, которая согласована с поляризацией дифрагированных в акустооптическом модуляторе бихроматических пучков; третий объектив, передняя фокальная плоскость которого совмещена с плоскостью расщепления пучков в поляризационной призме Волластона; полуволновые фазовые пластинки на путях двух из монохроматической пары расщепленных призмой Волластона пучков с длиной волны λ; четвертый объектив - формирователь зондирующего поля в исследуемой среде, установленное между третьим и четвертым объективом поворотное зеркало, установленную на пути светового пучка из другой монохроматической пары с длиной волны λ светоделительную пластинку, ориентированную под углом Брюстера и последовательно с ней четвертьволновую пластинку, на пути отраженного светоделительной пластинкой пучков последовательно установлены четвертьволновая фазовая пластинка и зеркало; на пути светового пучка, рассеянного в направлении падающего с длиной волны λ и отраженного от светоделительной пластинки установлены последовательно фильтр на длину волны λ и фотоприемник, подключенный через АЦП к системе обработки сигналов. При этом Брэгговский акустооптический модулятор выполнен двухволновым с отношением частот Ω и Ω ультразвуковых волн, равным отношению волновых чисел k и k дифрагирующих световых пучков, Ω/Ω=k/k. Фотоприемник на пути отраженного зеркалом рассеянного исследуемой средой светового поля подключен к системе обработки сигналов через полосовые фильтры, центральные частоты которых равны частотам Ω и Ω ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе.
На Фиг. 1 показана структурная схема предложенного измерителя.
r
g
На Фиг. 2 показана структура бихроматического источника двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков с длинами волн λ и λ, использованная в прототипе.
r
g
На Фиг. 3 показана поляризационная структура дифрагированных пучков в плоскости перед полуволновой ахроматической фазовой пластинкой. Сплошной линией обозначен вектор поляризации дифрагированного пучка с длиной волны λ, штриховой линией - вектор поляризации дифрагированного пучка с длиной волны λ.
На Фиг. 4 показана поляризационная структура световых пучков в плоскости между полуволновой ахроматической фазовой пластинкой и поляризационной призмой Волластона.
На Фиг. 5 показана поляризационная структура лазерных пучков в плоскости за призмой Волластона перед полуволновыми фазовыми пластинками.
На Фиг. 6 показана поляризационная структура лазерных пучков в плоскости между полуволновыми фазовыми пластинками и объективом, формирующим зондирующее поле.
На Фиг. 7 показана поляризационная структура световых пучков, расщепленных призмой Волластона после прохождения полуволновых фазовых пластинок.
На Фиг. 8 показана структура зондирующего поля в пространстве волновых векторов.
Предлагаемый измеритель (Фиг. 1) содержит бихроматический источник излучения пространственно совмещенных монохроматических ортогонально поляризованных лазерных пучков 1. Последовательно с источником расположены: объектив 2; брэгговский акустооптический модулятор бегущей волны 3; второй объектив 4; ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 5; поляризационная призма Волластона 6; третий объектив 7; четвертьволновые фазовые пластинки 8 и 9 на пути одного из каждой пары расщепленных поляризационной призмой 6 пучков; объектив 10, формирующий зондирующее поле в исследуемой среде. Между объективами 7 и 10 установлено поворотное зеркало 11. На пути светового пучка, отраженного зеркалом 11, установлены последовательно объектив 12 и фотоприемник 13, выход которого через полосовые фильтры 14 и 15 подключены к системе обработки сигналов. Между объективами 7 и 10 на пути одного из монохроматических пучков установлена под углом Брюстера светоделительная пластинка 16. На пути светового пучка, прошедшего через светоделительную пластинку 16 помещена четвертьволновая фазовая пластинка 17. На пути отраженного светоделительной пластинкой 16 падающего светового пучка последовательно установлены четвертьволновая фазовая пластинка 18 и зеркало 19. На пути отраженного зеркалом 19 и прошедшего через светоделительную пластинку 16 последовательно помещены светофильтр 20, объектив 21 и фотоприемник 22.
r
g
r
g
r
g
r
g
r
g
r
g
r
r
g
g
r
g
r
g
Предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости работает следующим образом. Бихроматический пучок, сформированный источником 1, состоящий из пространственно совмещенных и ортогонально поляризованных монохроматических компонент с длинами волн λ, λ, и, соответственно, волновыми числами k и k, объективом 2 направляется на акустооптический модулятор 3, работающий в режиме дифракции Брэгга. Примерная структура такого бихроматического источника, использованного в прототипе предлагаемого изобретения, показана на Фиг. 2. Бихроматический источник состоит из призмы Волластона 23 и двух лазерных диодов (24 и 25), взаимно ориентированных под углом расщепления призмы. Лазерные диоды излучают, ортогонально поляризованные монохроматические пучки с длинами волн λ и λ, которые поляризационной призмой Волластона пространственно совмещаются и образуют бихроматический световой пучок. Частоты Ω и Ω бегущих ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе 3 удовлетворяют условию Ω/Ω=k/k. Поэтому углы Брэгга для ортогонально поляризованных монохроматических компонент бихроматического пучка равны, λΛ=λ/Λ, и, соответственно, равны углы между дифрагированными в нулевой и минус первый порядок пучками с длинами волн λ и λ. Разность частот дифрагированных r-компонент равна Ω, а разность частот дифрагированных g-компонент равна Ω. Поэтому пространственная и поляризационная структуры дифрагированного бихроматического пучка в нулевом и минус первом порядке одинаковы, а частоты монохроматических компонент отличаются.
r
g
r
g
r
r
a
r
g
a
a
r
g
r
r
r
g
g
g
r
g
r
g
r
g
Примерная структура акустооптического модулятора показана на Fig. 3. Здесь показаны волновые векторы K и K ультразвуковых волн, возбуждаемых в модуляторе электрическим напряжением Usin(Ωt) и Usin(Ωt), частоты которых удовлетворяют условию: Ω=KV; Ω=KV, где V - скорость ультразвуковой волны; K и K - волновые числа ультразвуковых волн. Сплошными и штриховыми линиями - направления распространения бихроматических пучков, ортогонально поляризованные пространственно-совмещенные компоненты которых: Asin(ωt-k) и Asin(ωt-k), где A и A - амплитуды; ω и ω - частоты; k и k - волновые векторы.
Поляризационная структура дифрагированных бихроматических лазерных пучков представлена на Фиг. 4 (плоскость, в которой распространяются дифрагированные пучки, для примера выбрана вертикальной). Сплошной вектор показывает поляризацию монохроматической r-компоненты дифрагированного пучка, штриховой - поляризацию монохроматической g-компоненты. Ахроматическая полуволновая пластинка 5 (Фиг. 1), установленная на пути верхней пары дифрагированных бихроматических пучков, прошедших через объектив 4, выполняет поворот плоскости поляризации на 90°.
Поляризационная структура лазерных пучков непосредственно после прохождения фазовой пластинки 5, показана на Фиг. 5. Объектив 4 направляет бихроматические пучки с поляризационную структурой (Фиг. 4) на поляризационную призму Волластона 6 (Фиг. 5) ориентированную так, что плоскость расщепления ортогонально поляризованных пучков ортогональна плоскости, в которой распространяются дифрагированные бихроматические пучки.
Поляризационная призма 6 расщепляет бихроматические пучки с поляризационной структурой, показанной на Фиг. 5, на монохроматические пучки, поляризационная структура которых представлена на Фиг. 6. Взаимное положение акустооптического модулятора 3, объектива 4 и поляризационной призмы 6 обеспечивают оптическое сопряжение источника дифрагированных пучков в модуляторе с источником расщепленных пучков. На Фиг. 7 показана поляризационная структура световых пучков, расщепленных поляризационной призмой 6 после прохождения полуволновых фазовых пластинок 8 и 9. Объективы 7 и 10 формируют в исследуемой среде зондирующее поле как изображение источника расщепленных призмой Волластона лазерных пучков. Для гауссовых пучков оно совмещается с плоскостью пересечения перетяжек.
Фиг. 8 иллюстрирует формирование структуры зондирующего поля в пространстве волновых векторов. Направления осей координатно-измерительного базиса X, Y, Z задаются разностями волновых векторов лазерных пучков, формирующих зондирующее поле:
sr2
r1
r1
Здесь k=-k - волновой вектор светового поля, рассеянного исследуемой средой в направлении, обратном направлению волнового вектора k лазерного пучка, формирующего зондирующее поле.
Как известно (Ю.Н. Дубнищев, Б.С. Ринкевичюс. Методы лазерной доплеровской анемометрии. Москва. Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982.), частотная структура света, рассеянного в зондирующем поле исследуемой средой, движущейся со скоростью v, определяется доплеровскими сдвигами частоты в r и g хроматических компонентах рассеянного света, пропорциональным проекциям вектора скорости на разности волновых векторов лазерных пучков, формирующих зондирующее поле и задающих направления осей ox, оу, oz координатно-измерительного базиса:
Рассеянный в зондирующем поле свет объективом 10, поворотным зеркалом 11 и объективом 12 направляется на фотоприемник 13, действующий в режиме оптического смешения. В результате оптического смешения в структуре фотоэлектрического тока на выходе фотоприемника 13 появляются составляющие, частоты которых определяются разностными комбинациями частот световых полей, падающих на светочувствительную поверхность фотоприемника:
r
g
Компоненты фотоэлектрического тока являются частотно-модулированными сигналами. Они селектируются полосовыми фильтрами 14 и 15 с центральными частотами, соответственно, Ω и Ω, которые совпадают с частотами бегущих ультразвуковых волн в акустооптическом модуляторе 3.
Из структуры волновых векторов световых пучков, формирующих ортогональный координатно-измерительный базис, и выражений (7) и (8) следует:
Из этих уравнений однозначно определяются  и  вектора скорости исследуемой среды:
Ширина полос фильтров определяется максимальным диапазоном измеряемых скоростей. Фильтрованные сигналы через АЦП поступают в систему обработки, измеряющую частоты и, соответственно, компоненты вектора скорости. Структура и работа оптического измерительного канала, определяющего  вектора скорости, такая же, как и в прототипе. Референтный пучок формируется из падающего в измерительном канале, содержащем светоделительную пластинку 16, фазовые пластинки 17-18, зеркало 19, фильтр 20, объектив 21 и фотоприемник 22.
Частота фотоэлектрического тока на выходе фотоприемника 22:
Отсюда, с учетом Фиг. 8:
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности измерения скорости. Повышение точности достигается за счет выполнения брэгговского акустооптического модулятора двухволновым с отношением частот бегущих ультразвуковых волн, равным отношению волновых чисел дифрагирующих световых пучков, что обеспечивает идентичность пространственной и поляризационной структуры дифрагированных в нулевой и минус первый порядки дифракции бихроматических компонент и одинаковость условий их пространственных преобразований поляризационной призмой. Отсюда следует реализация другого технического решения, состоящего в использовании одного фотоприемника для фотоэлектрического преобразования бихроматического светового поля, рассеянного исследуемой средой и частотной селекции фотоэлектрического тока полосовыми фильтрами с последующим параллельным измерением доплеровских частотных сдвигов, несущих информацию о величине и направлении двух ортогональных компонент вектора скорости. В прототипе возможность одноканального фотоэлектрического преобразования бихроматического рассеянного поля отсутствует из-за равенства несущих частот его хроматических компонент.