ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ
LASER DOPPLER VELOCITY SENSOR

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, предназначенный для измерения скорости, основанный на использовании лазерного излучения и эффекта Доплера. 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 об измеряемой скорости. Для определения вектора скорости наиболее широко используется пятилучевая система формирования. ортогонального координатного базиса в зондирующем поле, метод и реализующее его устройство описаны в [патент US 4838687 А]. Устройство содержит источник лазерного излучения, расщепители световых пучков, оптические формирователи зондирующего поля, при этом для определения двух компонент вектора скорости формируется координатный 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 в таких системах 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 ЛДИС (лазерный доплеровский измеритель 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.
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, содержащий источник лазерного излучения, расщепители световых пучков, оптический формирователь зондирующего поля, фотоприемник, подключенный к системе обработки сигнала, при этом 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, что усложняет структуру измерителя и снижает надежность ее работы. Структура устройства образует три измерительных канала. Это устройство 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 светорассеивающих частиц в среде.
Кроме того, известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в этой же 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. 230-231 рис. 4.20, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий источник двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков, состоящий из призмы Волластона и двух лазерных диодов, взаимно ориентированных под углом расщепления призмы. Последовательно с ним расположены: акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных лазерных пучков, и вторая призма Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией поляризационной призмы источника. Между источником излучения и акустооптическим модулятором помещен согласующий объектив. Между акустооптическим модулятором и второй поляризационной призмой помещен второй объектив, согласующий их оптическое сопряжение. Последовательно за второй поляризационной призмой расположен оптический формирователь зондирующего поля в исследуемой среде и его изображения в рассеянном свете на фотоприемнике, подключенном к системе обработки сигналов. В системе обработки сигналов имеется коммутатор измерительных каналов, подключенный к источникам питания лазерных диодов. В указанном устройстве формирование зондирующего поля осуществляется четырьмя световыми пучками, проходящими через одни и те же оптические элементы и всего лишь один акустооптический модулятор. Принцип работы устройства заключается в том, что два ортогонально поляризованных лазерных пучка пространственно совмещают и направляют на акустооптический модулятор бегущей волны, работающий в режиме брэгговской дифракции. Дифрагированные пучки направляют на поляризационную призму Волластона, ориентация которой согласована с поляризацией падающих пучков. Расщепленные попарно призмой световые пучки согласуют по поляризации и направляют в исследуемую среду. Зондирующее поле в исследуемой среде образуют пересечением световых пучков, частоты которых отличаются на частоту ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. В рассеянном свете формируют изображение зондирующего поля и выполняют его фотоэлектрическое преобразование. Измеряют частоту фотоэлектрического тока.
Однако указанный измеритель обладает недостатком в виде пониженной точности измерений скорости за счет темпоральной коммутации измерительных каналов, последовательно во времени определяющих проекции скорости, поскольку частота коммутации и, следовательно, частота Найквиста, зависят от динамики исследуемого процесса и концентрации рассеивающих частиц в среде.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости.
1
1
2
1
1
2
1
1
1
Поставленная задача достигается тем, что в известном измерителе, содержащем последовательно расположенные источник излучения двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков, состоящий из первой призмы Волластона и двух лазерных диодов, взаимно ориентированных под углом расщепления первой призмы Волластона, первый объектив, акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных лазерных пучков, второй объектив, вторую призму Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией первой призмы Волластона, оптический формирователь зондирующего поля, на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, последовательно расположены поворотное зеркало и первый фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов, введены ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая, вторая и третья четвертьволновые фазовые пластинки, полуволновая фазовая пластинка, дихроичное зеркало, зеркало, второй и третий фотоприемники, фильтр на длину волны λ. При этом в указанном источнике излучения лазерные диоды отличаются по длинам волн излучения λ и λ, в направлении одного из дифракционных порядков между акустооптическим модулятором и первой призмой Волластона установлена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, на пути одного из пучков, расщепленных второй призмой Волластона, с длиной волны λ установлена первая четвертьволновая фазовая пластинка, на пути другого пучка с длиной волны λ последовательно установлены плоскопараллельная прозрачная светоделительная пластинка под углом Брюстера и вторая четвертьволновая фазовая пластинка, на пути одного из лазерных пучков с длиной волны λ установлена полуволновая фазовая пластинка. На пути рассеянного исследуемой средой светового пучка между поворотным зеркалом и первым фотоприемником помещено дихроичное зеркало, пропускание и отражение которого согласовано с длинами волн излучения лазерных диодов, в плоскости изображения зондирующего поля, сформированного в отраженном дихроичным зеркалом пучке, установлен второй фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов. На пути светового пучка с длиной волны λ, отраженного от светоделительной пластины, последовательно установлены третья четвертьволновая фазовая пластинка и зеркало. На пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой в направлении падающего пучка с длиной волны λ и отраженного от светоделительной пластинки, установлены последовательно фильтр на длину волны λ, третий фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов.
На Фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого измерителя.
На Фиг. 2 представлена векторная схема световых пучков, формирующих измерительный объем.
На Фиг. 3 показана поляризационная структура дифрагированных пучков.
На Фиг. 4 показана поляризационная структура дифрагированных пучков непосредственно после ахроматической полуволновой фазовой пластинки.
На Фиг. 5 показана поляризационная структура световых пучков, расщепленных поляризационной призмой 8.
Предлагаемый измеритель (Фиг. 1) содержит лазерные диоды 1 и 2, поляризационную призму Волластона 3, образующие источник бихроматического светового пучка. Последовательно с источником расположены объектив 4, акустооптический модулятор бегущей волны 5, ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 6, объектив 7, поляризационная призма Волластона 8, объектив 9, четвертьволновая фазовая пластинка 10, полуволновая фазовая пластинка 11 и объектив 12. Между объективами 9 и 12 помещена плоскопараллельная светоделительная пластинка 13. На пути светового пучка, проходящего через светоделительную пластинку 13, помещена четвертьволновая фазовая пластинка 14. На пути отраженного светоделительной пластинкой светового пучка последовательно установлены четвертьволновая пластинка 15 и зеркало 16. На пути отраженного зеркалом 16 и прошедшего через светоделительную пластинку 13 пучка последовательно помещены светофильтр 17, объектив 18 и фотоприемник 19. Между объективами 9 и 12 установлено поворотное зеркало 20. На пути светового пучка, отраженного зеркалом 20, помещено дихроичное зеркало 21, объектив 22 и фотоприемник 23. На пути отраженного дихроичным зеркалом 21 последовательно расположены объектив 24 и фотоприемник 25.
1
2
Предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости работает следующим образом. Ортогонально поляризованные пучки, один из которых излучается лазером 1 на длине волны λ, а другой - лазером 2 на длине волны λ, пространственно совмещаются поляризационной призмой Волластона 3 и объективом 4 направляются на акустооптический модулятор бегущей волны 5, работающий в режиме дифракции Брэгга. Дифрагированные в первый и минус первый порядки световые пучки имеют относительный частотный сдвиг Ω, равный частоте ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. Поляризационная структура дифрагированных пучков показана на Фиг. 3 (плоскость, в которой распространяются дифрагированные пучки, для примера выбрана вертикальной).
1
2
1
2
Ахроматическая полуволновая пластинка 6, установленная на пути верхней пары дифрагированных пучков, выполняет поворот плоскости поляризации пучков на 90°. Поляризационная структура лазерных пучков непосредственно после прохождения фазовой пластинки 6 показана на Фиг. 4. Объектив 7 направляет лазерные пучки на поляризационную призму Волластона 8, повернутую относительно призмы 3 на угол 90°. Взаимное расположение объектива 7, акустооптического модулятора 5 и поляризационной призмы 8 обеспечивает оптическое сопряжение источника дифрагированных пучков с его изображением при угловом коэффициенте увеличения, равным отношению угла расщепления поляризационной призмы к удвоенному углу Брэгга. Этим достигается равенство угла между пучками, падающими на призму 8, углу расщепления. Поляризационная призма Волластона 8 расщепляет падающие пучки. Поляризационная структура световых пучков, расщепленных призмой 8, показана на Фиг. 5. Передний фокус объектива 9 совмещен с точкой расщепления световых пучков поляризационной призмой 8. Объектив 9 преобразует расщепленные призмой 8 пучки из расходящихся в распространяющиеся параллельно оптической оси. Эти пучки пересекают плоскость ортогональную оптической оси в точках, образующих вершины четырехугольника, близкого по форме к квадрату abcd, как это показано на Фиг. 5. Одна диагональ прямоугольника (xx) проходит через сечение пучков, цвет которых соответствует длине волны λ. Другая диагональ (y'y') проходит через сечения пучков, цвет которых определяется длиной волны λ. Пересекающиеся диагонали xx и y'y' задают направления осей координатно-измерительного базиса, близкого к ортогональному. Степень приближения к ортогональному базису (с осями xx и yy) зависит от разницы углов Брэгга Δϕ при дифракции на ультразвуковой волне лазерных пучков с длинами волн λ и λ:
1
2
где Δλ=λ-λ;
а
Λ - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.
Из (1) следует оценка неортогональности осей координатно-измерительного базиса
.
1
2
1
2
1
1
1
2
1
01
1
2
0l
2
01
1
01
2
1
1
2
2
1
При λ=0,55 мкм (зеленый цвет) и λ=0,65 мкм (красный цвет) Δψ=0,04. Коррекция ортогональности координатно-измерительного базиса при необходимости достигается поворотом поляризационной призмы 8 относительно оптической оси на угол Δψ и компенсационным поворотом поляризации пучка на выходе поляризационной призмы 3 с использованием, например, полуволновой ахроматической фазовой пластинки либо конструктивно. На практике при λ=0.55 мкм и λ=0,65 мкм ортогональность координатно-измерительного базиса без каких-либо подстроек выполняется с угловым отклонением Δψ≈2°, что дает вклад в погрешность измерения проекций вектора скорости не превышающий . Объектив 9 трансформирует расходящиеся лазерные пучки в распространяющиеся параллельно оптической оси. На пути одного из пучков, например, с длиной волны λ помещается четвертьволновая пластинка, превращающая линейную поляризацию в круговую. На пути другого лазерного пучка с длиной волны λ устанавливаются последовательно: светоделительная плоскопараллельная пластинка 13 под углом, близким к углу Брюстера, и четвертьволновая фазовая пластинка 14, трансформирующая линейную поляризацию в круговую. Эти пучки с волновыми векторами k и k, имеющие одинаковую круговую поляризацию и отличающиеся по частоте на Ω, объективом 12 направляются в исследуемую среду, где они, пересекаясь, образуют зондирующее поле. Рассеянное движущейся средой поле представляет собой суперпозицию пространственно совмещенных компонент с частотами: ω=ω+kv и ω=ω+Ω+kv, где ω и k - соответственно, частота и волновой вектор первого падающего пучка; ω+Ω и k - частота и волновой вектор второго падающего пучка; ⎥k⎢=k=⎥k⎢=k=2π/λ. Эти рассеянные пучки объективом 12, зеркалом 20, дихроичным зеркалом 21 и объективом 22 направляются на фотоприемник 23, работающий в режиме оптического смешения. В фотоэлектрическом токе фотоприемника появляется составляющая, частота которой равняется разности частот оптически смешиваемых полей
Dx
2
1
1
2
где ω=v(k-k) - доплеровский сдвиг частоты, равный скалярному произведению вектора скорости на разность волновых векторов падающих пучков k-k, задающую ось x координатно-измерительного базиса.
x
Dx
x
Величина доплеровского сдвига частоты, и, соответственно, x - проекция вектора скорости v определяется блоком обработки сигналов, к которому подключен фотоприемник 23. Знак доплеровского сдвига частоты ω указывает на направление проекции скорости v.
2
3
4
1
2
3
4
2
3
02
3
4
02
4
4
02
02
3
3
3
4
4
2
Полуволновая пластинка 11 согласует поляризации параллельных лазерных пучков с длиной волны λ, сформированных объективом 9. Объективом 12 эти пучки с волновыми векторами k и k, направляются в исследуемую среду. В области пересечения этих пучков образуется зондирующее поле, пространственно совмещенное с зондирующим полем, сформированным пучками с волновыми векторами k и k. Разность волновых векторов k-k задает направление оси у координатно-измерительного базиса. Рассеянное движущейся средой поле с длиной волны λ является суперпозицией компонент с частотами ω=ω+Ω+kv и ω=ω+kv, где k - волновой вектор четвертого падающего пучка с частотой ω; ω+Ω и k - частота и волновой вектор третьего падающего пучка; ⎥k⎢=k=⎥k⎢=k=2π/λ.
2
Объективом 12, зеркалом 20, дихроичным зеркалом 21 и объективом 24 рассеянные световые поля с длиной волны λ направляются на фотоприемник 25. Результатом оптического смешения этих полей является появление компоненты фотоэлектрического тока, частота которой равна разности частот
Dy
3
4
3
4
Здесь ω=v(k-k) - доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный проекции вектора скорости на ось y, задаваемую разностью волновых векторов падающих пучков k-k.
Величина доплеровского сдвига частоты и его знак определяются блоком обработки сигнала, к которому подключен фотоприемник 25.
z
2
1
2
1
5
01
2s
2
6
01
Компонента скорости v находится следующим образом. Световое поле, рассеянное от циркулярно поляризованного падающего пучка с волновым вектором k, в направлении, обратном волновому вектору k, объективом 12 направляется через четвертьволновую фазовую пластинку 14 на светоделительную пластинку 13, ориентированную под углом, близким к углу Брюстера, отражается от нее, проходит через светофильтр 17 и объективом 18 направляется на фотоприемник 19. Совместным действием право- и левовращающкх четвертьволновых фазовых пластинок 10 и 14 световое поле, рассеянное исследуемой средой от падающего пучка с волновым вектором k в направлении, обратном направлению лазерного пучка с волновым вектором k, трансформируется при падении на делительную пластинку в ТЕ-волну. Пластинка 13 отражает ТЕ-волну с высоким коэффициентом отражения. Лазерный пучок с ТМ-поляризацией, падающий на пластинку 13 под углом, близким к углу Брюстера, отражается от нее с малым коэффициентом отражения в направлении четвертьволновой фазовой пластинки 15 и зеркала 16. Отраженный от зеркала 16 пучок после прохождения четвертьволновой пластинки 15 трансформируется в ТЕ-волну, рекомбинирует на пластинке 13 с падающим на нее рассеянным ТЕ-пучком, проходит светофильтр 17 и объективом 18 направляется на фотоприемник 19, выполняя при оптическом смешении роль референтного поля. Поскольку частота рассеянного пучка равна ω=ω+Ω+v(k-k), а частота референтного пучка равна ω=ω, в фотоэлектрическом токе на выходе фотоприемника 19 при фотосмешении появляется компонента, частота которой равна
Dz
2s
2
2s
2
Здесь ω=v(k-k) - доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный проекции вектора скорости на ось z, задаваемую разностью волновых векторов k-k.
1
2
3
4
2s
2
Технический результат заключается в том, что предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости формирует 3D координатно-измерительный базис из разностных волновых векторов k-k (x-компонента), k-k (y-компонента), k-k (z-компонента) и позволяет определять соответствующие доплеровские сдвиги частоты согласно формулам (2), (3), (4). Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу, обеспечивая одновременное измерение трех проекций вектора скорости в 3D координатно-измерительном базисе при минимальном числе лазерных пучков, формирующих зондирующее поле, с использованием только одного акустооптического модулятора, за счет чего повышается точность работы лазерного доплеровского измерителя скорости.