УСТРОЙСТВО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА С ВОЛОКОННЫМ ВВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ
DOPPLER VELOCITY SENSOR FOR MEASURING A MOVING SURFACE SPEED BASED ON INTERFEROMETER WITH A FIBER RADIATION INPUT

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.
Известно устройство для измерения скорости, по меньшей мере, одного объекта с применением эффекта Доплера (патент RU 2225015, публ. 27.02.2004), содержащее средства освещения объекта лазерным лучом, оптические средства формирования изображения объекта на двух блоках приемников света, средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту лазерного пучка и находящиеся между оптическими средствами и блоком приемников света, средства для непосредственного и одновременного направления части лазерного пучка на первую часть каждого из двух блоков приемников света через оптические средства формирования изображения для получения стандартных сигналов света, рассеиваемого объектом, и стандартных сигналов, соответствующих нулевой скорости, средства, генерирующие, по меньшей мере, один контрольный монохроматический световой поток, имеющий частоту, отличающуюся от частоты лазерного пучка на известную неизменную величину, и средства непосредственного и одновременного направления контрольного потока на вторую часть каждого из двух блоков приемников света через оптические средства формирования изображения для получения стандартного контрольного сигнала, соответствующего неизменному и известному сдвигу частоты.
Недостатком устройства является то, что его нельзя применять при исследовании взрывных процессов.
Известно другое устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра Фабри-Перо с волоконным вводом излучения (патент RU 2511606. публик. 10.04.2014), содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси волоконный кабель, коллимирующую линзу, две цилиндрических линзы с отрицательным фокусным расстоянием, цилиндрическую линзу с положительным фокусным расстоянием, интерферометр Фабри-Перо, длиннофокусную строящую линзу, в фокальной плоскости которой находятся щелевая диафрагма и детектор.
Недостатками этого аналога являются: низкая чувствительность, сложность настройки, ограниченные функциональные возможности.
В качестве ближайшего аналога заявляемому устройству может служить один из вариантов устройства доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, представленных в материалах заявки на изобретение US 2008/0094608 (публ. 24.04.2008). Взятое за ближайший аналог устройство изображено на л. 3 рисунков описания к заявке US 2008/0094608. Устройство может быть выполнено многомодульным. Один измерительный модуль устройства содержит источник лазерного излучения, четыре оптических измерительных канала, каждый из которых включает циркулятор, сумматор, делитель, рефлектор, датчик приема-передачи излучения (коллиматор) и регистрирующую аппаратуру - фотодетектор, при этом сигналы с четырех каналов поступают на один осциллограф. Излучение но оптоволоконному каналу передается от лазера через делитель и циркулятор к датчику. Собранный с движущейся поверхности свет с доплеровским сдвигом передается через циркулятор по оптоволокну к детектору. В качестве опорного излучения используется отражение излучения от рефлектора. Далее, опорное и отраженное излучения складываются с помощью сумматора. Затем посредством интерференции отраженного и опорного лучей, идущих в одном направлении в одном волокне, реализуется амплитудная модуляция результирующего сигнала по изменению фазы, регистрируемая фото детектором. Сигнал с фотодетектора записывается с помощью широкополосного осциллографа. На одном канате осциллографа регистрируется сигнал с одного оптического датчика.
Недостатком ближайшего аналога является то, что в одном эксперименте получают ограниченный объем информации, т.к. на одном канале осциллографа регистрируется сигнал только с одного оптического датчика. При необходимости получения большего объема информации, приходится увеличивать количество экспериментов или применять дублирующие схемы регистрации. Что приводит к существенному повышению стоимости проводимых исследований.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение информативности измерений при необходимом качестве регистрируемых данных.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающем, по крайней мере один измерительный модуль, содержащий источник лазерного излучения, формирующий опорный и зондирующий сигналы, несколько оптических измерительных каналов, в состав которых входят оптические датчики приема-передачи излучения, элементы пассивной оптики в составе циркуляторов, сумматоров, делителей и регистрирующая аппаратура, включающая четырехканальный осциллограф с фотодетекторами, новым является то, что в один измерительный модуль введено 15 дополнительных источников лазерного излучения для образования из них восьми пар и формирования 64 измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте, кроме этого в модуль дополнительно включены волоконные линии задержки и высокоскоростные волоконные переключатели, снабженные генераторами импульсов, усилители отраженного излучения и дополнительный осциллограф с фотодетекторами, а волоконные циркуляторы отделены от остальных элементов пассивной оптики и вынесены в отдельный блок, установленный в непосредственной близости с исследуемым объектом, остальные элементы пассивной оптики размещены в другом отдельном блоке, в который дополнительно включены 16 мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов, при этом входы мультиплексоров соединены с выходами волоконных циркуляторов, а выходы мультиплексоров - с усилителями отраженного излучения, половина из которых соединены с сумматорами и каналами осциллографов через волоконные линии задержки, а половина - напрямую, причем источники лазерного излучения связаны с сумматорами через высокоскоростные волоконные переключатели.
Введение в один измерительный модуль 15-и дополнительных источников лазерного излучения для образования из них восьми пар и формирования 64 измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте, позволяет многократно увеличить количество экспериментальных данных за один эксперимент. Указанное количество пар источников лазерного излучения и каналов было выбрано экспериментально и обеспечивает максимально возможное количество измерительных каналов при необходимом качестве регистрируемых данных.
Включение в модуль волоконных линий задержки позволяет уплотнить сигналы по времени и увеличить количество измерительных каналов.
Высокоскоростные волоконные переключатели, снабженные генераторами управляющих сигналов, позволяют обеспечить качество регистрируемых данных при временном уплотнении. Наличие генераторов обеспечивает осуществление режимов скоростного пуска переключателей.
Усилители отраженного излучения увеличивают мощность отраженного сигнала и повышают качество регистрируемых данных.
Дополнительный осциллограф с фотодетекторами обеспечивает регистрацию сигналов с указанного выше количества каналов.
Отделение волоконных циркуляторов от остальных элементов пассивной оптики и вынесение их в отдельный блок, установленный в непосредственной близости с исследуемым объектом, позволяет за счет уменьшения длины линии передачи сигналов от оптических датчиков до циркуляторов подавить паразитные сигналы и повысить качество регистрируемых данных от множества каналов.
Размещение остальных элементов пассивной оптики в другом отдельном блоке, упрощает обслуживание, доступ к отдельным элементам блока и позволяет обеспечить надежную работу множества измерительных каналов.
Включение в блок пассивной оптики 16-и мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов, позволяет суммировать разночастотные сигналы с минимальной потерей качества.
Соединение входов мультиплексоров с выходами волоконных циркуляторов, а выходов мультиплексоров - с усилителями отраженного излучения, половина из которых соединены с сумматорами и каналами осциллографов через волоконные линии задержки, а половина - напрямую, позволяет обеспечить качество регистрируемых сигналов при большом количестве измерительных каналов.
Соединение источников лазерного излучения с сумматорами через высокоскоростные волоконные переключатели обеспечивает качество регистрируемых данных при временном уплотнении.
На фиг. 1 изображена схема конкретного выполнения измерительного модуля заявляемого устройства, на фиг. 2 - общая схема измерения скорости с помощью гетеродин-интерферометра, где:
1 - источник лазерного излучения, 2 - делитель, 3 - блок циркуляторов, 4 - сумматор, 5 - мультиплексор, 6 - волоконный переключатель, 7 - усилитель отраженного излучения. 8 - волоконная линия задержки, 9 - фотодетектор, 10 - осциллограф, 11 - генератор импульсов.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить измерительный модуль устройства - лазерного оптического гетеродин-интерферометра (ЛОГИН), построенный по схеме фиг. 1, который включает 16-ть источников лазерного излучения для образования из них восьми пар и формирования 64 измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте. Волоконные циркуляторы, входящие в элементы пассивной оптики, отделены от остальных элементов и вынесены в отдельный блок, установленный в непосредственной близости с исследуемым объектом. Остальные элементы пассивной оптики размещены в другом отдельном блоке, в который включены 16 мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов, при этом входы мультиплексоров соединены с выходами волоконных циркуляторов, а выходы мультиплексоров - с усилителями отраженного излучения, половина из которых соединены с сумматорами и каналами осциллографов через волоконные линии задержки, а половина - напрямую, причем источники лазерного излучения связаны с сумматорами через высокоскоростные волоконные переключатели.
Измерительный модуль ЛОГИН выполнен на следующей элементной базе:
- Источники лазерного излучения - волоконные, с выходной мощностью 2 Вт и отстраиваемой длинной волны в соответствии с таблицей 1.
- Делители - волоконные, на длину волны λ=1550 нм
- Циркуляторы - волоконные, на длину волны λ=1550 нм
- Сумматоры - волоконные, на длину волны λ=1550 нм
- Мультиплексоры - волоконные, на длину волны λ=1550 нм, четырехканальные с рабочими длинами волн в соответствии с источниками лазерного излучения (таблица 1)
- Волоконные переключатели - длительность импульса 250 мкс, вносимые потери в режиме пропускания 1,5 дБ, вносимые потери в режиме затвора 20 Дб
- Усилители отраженного излучения - волоконные, на длину волны λ=1550 нм, коэффициент усиления 10 дБ, минимальная входная мощность -40 дБм
- Волоконная линия задержки - на основе одномодового оптоволокна типа smf28, длиной 10 км
- Фотодетекторы - на длину волны λ=1550 нм, с шириной полосы пропускания 20 ГГц
- Осциллографы - с шириной полосы пропускания 20 ГГц и частотой дискретизации 50 ГГц
- Генераторы импульсов - амплитуда импульса 5 В, фронт нарастания 300 нс
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от каждого из источников 1 поступает на делитель 2, с помощью которого формируется зондирующий сигнал (90%) и опорный (10%). Далее зондирующее излучение посредством делителя 2 распределяется на четыре равных потока. Затем каждый из них через циркулятор 3 поступает на оптический датчик (коллиматор) с помощью которого осуществляется зондирование исследуемой поверхности. Далее отраженное излучение собирается также с помощью коллиматоров и через циркуляторы 3 направляется в мультиплексоры 5. На мультиплексорах 5 осуществляется уплотнение четырех потоков отраженного света. Затем полученные суммарные сигналы пропускаются через усилители отраженного излучения 7. Далее усиленные сигналы попарно складываются в равных пропорциях посредством сумматоров 4, при этом на каждый сумматор 4 один из сигналов поступает через линию задержки 8. Затем полученные сигналы суммируются с опорными в пропорции 90% (отраженное излучение) к 10% (опорное излучение) с помощью сумматора 4. Результирующие сигналы поступают на фото детекторы 9, откуда передаются на канал регистрации осциллографа 10. Опорные сигналы формируются следующим образом. После отведения от источника 10% излучения с помощью делителя 2 полученные сигналы складываются в равных пропорциях с помощью сумматоров 4 четыре в один. Далее полученные суммарные сигналы подаются на высокоскоростные переключатели 6. После чего результирующие излучения попарно складываются в равных пропорциях посредством сумматора 4. Затем полученные сигналы посредством делителя 2 распределяются на четыре равных потока. Результирующие сигналы подаются на сумматоры 4 для сложения с отраженным излучением как описано выше.
Заявляемое устройство представляет собой мультиплексную лазерную систему диагностики нового поколения. Сравнительно низкая стоимость комплектующих, повышенная чувствительность, точность и надежность метода измерений, а также компактность и простота в использовании вкупе с предлагаемой схемой многократного уплотнения сигналов обеспечивает тотальное преимущество устройства над существующими аналогами. Беспрецедентная эффективность устройства достигается возможностью получения в одном эксперименте информации с сотен измерительных канатов, при обеспечении высочайшего качества регистрируемых данных.