УСТРОЙСТВО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики, в частности к устройству распределения лазерного излучения доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, и может быть использована для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.
Из предшествующего уровня техники известны конструкции доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, например, один из вариантов такого измерителя представлен в материалах заявки на изобретение US 2008/0094608 (публ. 24.04.2008). Измеритель состоит из одного или нескольких измерительных блоков. Блок включает в себя 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, при этом сигналы с четырех каналов поступают на один осциллограф. Излучение по 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 фотодетектором. Сигнал с фотодетектора записывается с помощью широкополосного осциллографа. На одном канале осциллографа регистрируется сигнал с одного оптического датчика.
Недостатком 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.
Известен другой доплеровский измеритель скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения (патент RU 2657135, публик. 08.06.2018). Для повышения информативности измерений при необходимом качестве регистрируемых данных в 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, при этом оптическая система доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности, предназначенная для трансляции, распределения и рекомбинации лазерного излучения, включает установленный в непосредственной близости к исследуемому объекту блок с волоконными циркуляторами и расположенное отдельно от этого блока устройство распределения лазерного излучения, представляющее собой отдельный блок, в который входят элементы пассивной оптики (ПО) - делитель, мультиплексоры и сумматоры, последние связаны с источниками лазерного излучения через высокоскоростные волоконные переключатели, которые расположены в своем отдельном блоке. Выходы волоконных циркуляторов соединены с входами мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов. Корпус блока с элементами ПО выполнен из оргстекла, входы/выходы элементов пассивной оптики расположены на противоположных торцовых панелях корпуса. Все элементы в блоке размещены в едином конструктиве плотно и взаимозависимо. Устройство распределения лазерного излучения по патенту RU 2657135 выбрано в качестве ближайшего аналога.
Недостатком ближайшего аналога является то, что все элементы устройства распределения лазерного излучения взаимозависимы и плотно размещены в едином конструктиве. При выходе из строя любого из элементов для получения доступа и устранения неисправности потребуется полный демонтаж корпуса.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение возможности оперативной замены или ремонта элементов блока.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве распределения лазерного излучения доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности, содержащем корпус, выполненный из оргстекла, в котором размещеныэлементы ПО в составе делителей, мультиплексоров и сумматоров, с возможностью подключения последних к источникам лазерного излучения через высокоскоростные волоконные переключатели, новым является то, что корпус выполнен без торцовых панелей, устройство распределения лазерного излучения выполнено в виде набора отдельных независимых модулей, установленных на направляющих в корпусе, и состоит из модуля высокоскоростных волоконных переключателей, модулей перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения, в состав которых входят делители, модулей уплотнения сигналов, получаемых с движущейся поверхности, которые состоят из мультиплексоров, и модуля вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру, в состав которого входят сумматоры, при этом элементы в модуле размещены на основании, а их входы/выходы - на торцовых противоположных панелях модуля, выполненных из легкого прочного металла, которые в сборке являются одновременно панелями корпуса.
Выполнение корпуса без торцовых панелей обеспечивает прямой доступ к модулям.
Выполнение устройства распределения лазерного излучения в виде набора отдельных установленных на направляющих в корпусе независимых модулей: высокоскоростных волоконных переключателей, перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения, уплотнения сигналов, получаемых с движущейся поверхности, и вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру, позволяет обеспечить возможности оперативной замены или ремонта элементов модулей, что уменьшает время устранения неисправностей, уменьшает загрязнение и потери.
Внесение модуля высокоскоростных волоконных переключателей в общий корпус обеспечивает удобство эксплуатации, уменьшает количество внешних незакрепленных соединений, повышает долговечность использования.
Размещение оптических элементов на основании модуля, а входов/выходов элементов - на торцовых противоположных панелях модуля позволяет обеспечить независимость друг от друга модулей, а также панели модулей в сборке одновременно использовать как панели общего корпуса, что повышает эргономичность устройства.
Выполнение панелей модуля с входами/выходами из легкого прочного металла позволяет уменьшить вес сборки, повысить долговечность и износостойкость.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить блок пассивной оптики (БПО) доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности. На фиг. 1 изображена схема конкретного выполнения заявляемого устройства (вид спереди), где:
1 - Корпус БПО;
2 - Модуль перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения (делители);
3 - Модуль вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру (сумматоры);
4 - Модули уплотнения сигналов (мультиплексеры);
5 - Модуль высокоскоростных волоконных переключателей.
На фиг. 2 изображена схема конкретного выполнения заявляемого устройства (вид сзади), где:
1 - Корпус БПО;
2 - Модуль перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения (делители);
4 - Модули уплотнения сигналов (мультиплексеры);
5 - Модуль высокоскоростных волоконных переключателей.
БПО используется в составе лазерного оптического гетеродин-интерферометра (ЛОГИН), измерительный модуль которого выполнен на следующей элементной базе:
- Источники лазерного излучения - волоконные, с выходной мощностью 2 Вт
- 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
- 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
- Генераторы импульсов - амплитуда импульса 5 В, фронт нарастания 300 нс
В состав БПО входят: 4-е модуля уплотнения сигналов с общим количеством мультиплексоров 16 шт.; обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов, 2-а модуля перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения; модуль высокоскоростных переключателей, модуль вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру. Корпус БПО выполнен из оргстекла без торцовых панелей. ПО в модуле размещены на основании, а их входы/выходы - на торцовых противоположных панелях модуля, выполненных из алюминия, которые в сборке являются одновременно панелями корпуса. Входы мультиплексоров предназначены для соединения с выходами волоконных циркуляторов, а выходы мультиплексоров - с усилителями отраженного излучения, половина из которых предназначена для соединения с сумматорами и каналами осциллографов через волоконные линии задержки, а половина - напрямую, причем источники лазерного излучения связаны с сумматорами через высокоскоростные волоконные переключатели.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от источников лазерного излучения поступает на делители модуля перераспределения и вывода сигналов 2, с помощью которого формируется зондирующий сигнал (90%) и опорный (10%). Далее зондирующее излучение распределяется на четыре равных потока, которые передаются на циркуляторы. Отраженное излучение направляют на мультиплексоры модулей уплотнения сигналов 4. На мультиплексорах осуществляется уплотнение четырех потоков отраженного света, после усиления сигналы попарно складываются в равных пропорциях посредством сумматоров модуля вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру 3, при этом на каждый сумматор один из сигналов поступает через линию задержки. Затем полученные сигналы суммируются с опорными в пропорции 90% (отраженное излучение) к 10% (опорное излучение). Результирующие сигналы поступают на регистрирующую аппаратуру. Опорные сигналы формируются следующим образом. После отведения от источника 10% излучения с помощью делителя модуля перераспределения и вывода сигналов 2 полученные 4-е сигнала складываются в 1-н в равных пропорциях с помощью сумматоров и подаются на высокоскоростные переключатели модуля 5. После чего результирующие излучения попарно складываются в равных пропорциях посредством сумматоров модуля вывода сигналов на регистрирующую аппаратуру 3. Затем полученные сигналы посредством делителей модуля перераспределения и вывода сигналов лазерного излучения 2 распределяются на четыре равных потока. Результирующие сигналы подаются на сумматоры модуля 3 для сложения с отраженным излучением как описано выше.
Заявляемое устройство обеспечивает повышение надежности и уменьшение массы конструкции за счет использования панелей из алюминия, также обеспечивает возможность оперативной замены или ремонта элементов за счет применения конструкции из независимых модулей с простым креплением. Заявляемое устройство эргономично, уменьшено количество внешних, незакрепленных соединений и исключена возможность ошибочных подключений.