ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ТЕЧЕНИЯ

Устройство относится к средствам измерения линейной скорости с помощью оптических средств и предназначено для использования в качестве измерителя скорости и направления течений для приповерхностных и глубоководных морских исследований.
Известны лазерные доплеровские измерители скорости с использованием призменных делителей лазерного пучка [Б.С.Ринкявичус. «Лазерная диагностика потоков», МЭИ, 1990]. Их недостатком является чувствительность к разъюстировке призменного делителя или лазера, значительное влияние загрязнения защитного оптического окна, возможность использования только одномодовых лазеров с системой температурной стабилизации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для измерения скорости водных потоков с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка [Патент РФ на полезную модель №98591 от 09.06.2010], содержащее передающий оптический канал и фотоприемный оптический канал, выход которого соединен со входом преобразователя доплеровской частоты. В состав передающего блока входит полупроводниковый лазерный источник излучения, дифракционная решетка и отклоняющая призма, в состав фотоприемного канала - фокусирующий объектив, фотодиод и предварительный усилитель. Дифракционная решетка, фокусирующий объектив и отклоняющая призма конструктивно образуют единый интегральный модуль.
Недостатком рассмотренного устройства является необходимость его ориентации по направлению течения с помощью специальных механических систем - флюгеров (хвостовиков), что значительно усложняет устройство и снижает его надежность.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является упрощение конструкции устройства и повышение надежности. Эта задача решается за счет того, что в устройство, содержащее передающий оптический канал и фотоприемный узел, выход которого соединен со входом электронного блока, в передающий канал дополнительно введена светоделительная призма, оптически согласованная с полупроводниковым источником излучения, на выходных гранях которой под углом 90° расположены две дифракционные решетки, а фотоприемный узел выполнен двухканальным, при этом каждый канал содержит диафрагму, фокусирующую линзу, фотодиод и предварительный усилитель, выходы предварительных усилителей соединены со входами электронного блока, состоящего из двух преобразователей доплеровских сигналов, соединенных с двумя входами вычислителя, третий вход которого соединен с выходом дополнительно введенного датчика «реверса».
ОПТ
ОПТ
Сущность устройства поясняется чертежом. Устройство состоит из полупроводникового лазерного источника излучения (лазерного модуля) 1, светоделительной призмы 2, двух дифракционных решеток 3, двух диафрагм 4, двух линз 5, двух фотодиодов 6, двух предварительных усилителей 7, двух преобразователей доплеровского сигнала 8, вычислительного устройства 9 и датчика «реверса» 10. Устройство работает следующим образом. Световой пучок лазера 1 расщепляется светоделительной линзой 2 на два пучка, направленных на дифракционные решетки 3. На выходе дифракционных решеток 3 в результате дифракции получаются соответственно два семейства порядков дифракции, которые образуют в воде протяженные интерференционные картины (решетки), расположенные в плоскости измерения под углом 90° друг к другу. Учитывая, что основное влияние на формирование решетки оказывают нулевые и первые порядки дифракции и в меньшей степени третьи и пятые порядки, можно определить оптимальные расстояния от лазерного источника излучения до точки измерения скорости (L), в которых могут быть получены максимальные значения «сигнал/шум». Значения L определяются параметрами лазерного источника излучения и дифракционной решетки. Рассеянное оптическими неоднородностями при пересечении решеток в воде лазерное излучение, ограниченное диафрагмами 4 фокусируется линзами 5 на фотодиодах 6. Фотодиоды 6 преобразуют сфокусированное излучение в доплеровские сигналы, которые усиливаются в предварительных усилителях 7 и преобразуются в преобразователях доплеровского сигнала в унифицированные частотные сигналы, пропорциональные измеряемым скоростям. Эти сигналы подаются на входы вычислителя 9, в котором вычисляются:
А) скалярное значение вектора скорости
Б) угол «α», определяющий направление вектора скорости, т.е. направление течения относительно оптической оси первого передающего канала
x
y
α=arctg V/V,
x
y
где V, V - измеренные значения двух составляющих вектора скорости.
Для определения знака вектора скорости используется дополнительный датчик 10 («реверса»), выход которого подключен к третьему входу вычислителя 9. В зависимости от знака вектора скорости датчик 10 выдает сигнал на вычислитель («0» или «1»).
Предлагаемая полезная модель позволяет создать надежные малогабаритные измерители скорости и направления течения различного применения, а также относительные лаги для широкого класса судов.