Ім'я файлу: Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості_2020
Розширення: pdf
Розмір: 1753кб.
Дата: 12.08.2022
скачати
Розширення: pdf
Розмір: 1753кб.
Дата: 12.08.2022
скачати
РЕФЕРАТ
Лазерний трикомпонентний допплерівський вимірювач швидкості, який складається з оптично узгодженого лазера, розщеплювача променя лазера на три , фокусуючого і збираючого об'єктивів, апертурних і фонових діафрагм, трьох оптичних затворів, до яких підключений контролер імпульсів, фотоприймачів та вимірювачів допплерівських частот, який відрізняється тим, що в ньому додатково встановлені апертурні та фонові діафрагми, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричних ключі та фотоприймач.
ЗМІСТ
Вступ………………………………………………………………………............ 6 1. Загальні відомості………………………………………………………………... 7 1.1. Загальні відомості про лазери та їх застосування…………………………. 7 2. Лазерні допплерівські вимірювачі швидкості………………………………….. 11 2.1. Допплерівський метод………………………………………………………. 11 2.2. Принцип дії допплерівського вимірювача швидкості…………………….. 12 2.3. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості…………………………..
2.4. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості диференційного типу….
2.5. Лазерний двокомпонентний допплерівський вимірювач швидкості……..
14 23 26 3. Розробка лазерного трикомпонентного допплерівського вимірювача швидкості………………………………………………………………………….
33 3.1. Загальні відомості…………………………………………………………… 33 3.2. Сутність винаходу…………………………………………………………… 34 3.3. Принцип побудови пристрою………………………………………………. 36 3.4. Принцип дії…………………………………………………………………... 38 3.5. Формула корисної моделі…………………………………………………… 42 4. Охорона праці…………………………………………………………………….. 44 4.1. Положення про охорону праці……………………………………………… 44 4.2 Охорона праці, техніка безпеки і небезпечні виробничі фактори при виробництві лазерних приладів………………………………………………….
46 4.3 Охорона здоров'я та забезпечення безпеки місцевого населення…………. 50 4.4 Охорона праці і техніка безпеки……………………………………………... 51 5. Охорона навколишнього середовища…………………………………………... 53 5.1. Загальні відомості про охорону навколишнього середовища…………….. 53 5.2. Аналіз факторів техногенних чинників які впливають на клімат………… 54 5.3 Характерні для галузі види несприятливого впливу і боротьба з ними…… 56
Висновок……………………………………………………………...................... 70
Список джерел…………………………………………………………………… 71
ВСТУП
Сучасний етап розвитку авіації характеризується кількісною і якісною зміною авіаційної техніки, збільшенням інтенсивності і швидкості польотів, що вимагає підвищення ефективності функціонування систем забезпечення польотів.
Розробка складних радіотехнічних систем вимагає зіставлення різних варіантів реалізації для вибору оптимального з них.
В авіаційній, суднобудівній та інших галузях для дослідження потоків газу та рідини застосовують лазерні вимірювальні пристрої. До них належать лазерні доплерівські вимірювачі швидкості (ЛДВШ) потоків рідини або газів, які дозволяють вимірювати швидкість в діапазоні 10
−3
–
10 3
м/с.
Арк.
7
НАУ 20 04 16 000 ПЗ
НАУ 11 24 44 000 ПЗ
Виконав.
Коваль Д.А.
Керівник
Землянський В.М.
Консульт.
Землянський В.М.
Н. Контр.
Левківський В.В
Зав. каф.
Павлова С. В.
Загальні відомості
Літ.
Аркушів
46
Кафедра авіоніки
РОЗДІЛ 1
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
1.1 Загальні відомості про лазери та їх застосування
Лазер — джерело когерентного, монохроматичного і вузькоспрямованого електромагнітного випромінювання оптичного діапазону, котре характеризується великою густиною енергії. Є газові лазери, рідинні та на твердих тілах
(діелектричних кристалах, склі, напівпровідниках). В лазері має місце перетворення різних видів енергії в енергію лазерного випромінювання. Головний компонентом лазера — активне середовище, для створення якого використовують: вплив світла, електричний розряд у газах, хімічні реакції, бомбардування електронним пучком та інші методи накачування. Активне середовище знаходиться між дзеркалами, які утворюють оптичний резонатор. Існують лазери неперервної та імпульсної дії.
Лазери складаються з трьох основних компонентів:
Активного (робочого) середовища;
Системи накачування (джерело енергії);
Оптичного резонатора (може бути відсутнім, якщо лазер працює в режимі підсилювача).
Кожен з них забезпечує для роботи лазера виконання певних функцій
Лазер — джерело світла. У порівнянні з іншими джерелами світла лазер має певну кількість унікальних властивостей, пов'язаних з когерентністю і високою спрямованістю його випромінювання. Випромінювання «нелазерних» джерел не має цих особливостей.
«Серце лазера» — його активний елемент. В одних лазерів це кристалічний або скляний стержень циліндричної форми. В інших — запаяна скляна трубка, всередині якої знаходиться спеціально підібрана газова суміш.
173 «Авіоніка»
В третіх — всередині якої знаходиться спеціально підібрана газова суміш. В третіх
— кювета зі спеціальною рідиною. Тому розрізняють лазери твердотільні, газові й рідинні.
При нагріванні тіло починає випромінювати тепло. Однак випромінювання теплового джерела поширюється в усіх напрямках, тобто заповнює тілесний кут 4π стерадіан. Формування спрямованого пучка від цього джерела, здійснюване за допомогою системи діафрагм або оптичних систем, що складаються з лінз і дзеркал, супроводжується втратою енергії. Ніяка оптична система не дозволяє отримати на поверхні освітлюваного об'єкта потужність випромінювання більшу, ніж у самому джерелі світла.
Робота лазера
Збуджений атом може мимовільно (спонтанно) перейти на один з нижчих рівнів енергії, випромінивши при цьому квант світла. Світлові хвилі, випромінені нагрітими тілами, формуються саме в результаті таких спонтанних переходів атомів і молекул. Спонтанне випромінювання різних атомів некогерентне. Однак, крім спонтанного випромінювання, існують випромінювальні акти іншого роду.
Щоб створити лазер або оптичний квантовий генератор — джерело когерентного світла необхідно: робоча речовина з інверсною заселеністю. Тільки тоді можна одержати підсилення світла за рахунок вимушених переходів. робочу речовину слід помістити між дзеркалами, які здійснюють зворотний зв'язок. підсилення дає робоча речовина, а отже, число збуджених атомів або молекул у робочій речовині повинне бути більшим від певного порогового значення, що залежить від коефіцієнта відбиття напівпрозорого дзеркала.
Рис.1.1.1
Види лазерів
Рубіновий лазер працює в імпульсному режимі. Існують також лазери неперервної дії. У газових лазерах цього типу робочою речовиною є газ. Атоми робочої речовини збуджуються електричним розрядом.
Застосовуються й напівпровідникові лазери безперервної дії. Вони вперше створені в Україні. В них енергія для випромінювання запозичиться від електричного струму. Створені дуже потужні газодинамічні лазери неперервної дії на сотні кіловатів. У цих лазерах
«перенаселеність» верхніх енергетичних рівнів створюється при розширенні й адіабатному охолодженні надзвукових газових потоків, нагрітих до декількох тисяч Кельвін.
Застосування лазерів
Великі можливості відкриваються перед лазерною технікою в біології й медицині.
Лазерний промінь застосовується не тільки в хірургії (наприклад, при операціях на сітківці ока) як скальпель, але й у терапії. Інтенсивно розвиваються методи лазерної локації й зв'язку. Локація Місяця за допомогою рубінових лазерів і спеціальних кутових відбивачів, доставлених на Місяць, дозволила збільшити точність виміру відстаней Земля — Місяць до декількох см. Отримано обнадійливі результати в спрямованому стимулюванні хімічних реакцій. За допомогою лазерів можна вибірково збуджувати одне із власних коливань молекули. Виявилося, що при цьому молекули здатні вступати в реакції, які не можна або важко стимулювати звичайним нагріванням. За допомогою лазерної техніки інтенсивно розробляються
оптичні методи обробки, передачі й зберігання інформації, методи голографічного запису інформації, кольорове проекційне телебачення.
Поява лазерів відразу вплинула і продовжує впливати на різні галузі науки і техніки
із застосуванням лазерів для вирішення конкретних наукових і технічних завдань.
Дослідження підтвердили можливість значного покращення багатьох оптичних приладів і систем і привели до створення принципово нових пристроїв
(підсилювачі яскравості, квантові гігрометри, швидкодіючі оптичні схеми тощо).
Сформувались нові наукові й технічні напрями – голографія, нелінійна та
інтегральна оптика, лазерні технології, лазерна хімія, використання лазерів для керованого термоядерного синтезу та інших задач енергетики. Висока монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів у спектроскопії, ініціюванні хімічних реакцій, у поділі ізотопів, в системах вимірювання лінійних і кутових швидкостей, у всіх додатках, основаних на використанні інтерференції, в системах зв’язку та голографії.
Поява лазерів відразу вплинула і продовжує впливати на різні галузі науки і техніки
із застосуванням лазерів для вирішення конкретних наукових і технічних завдань.
Дослідження підтвердили можливість значного покращення багатьох оптичних приладів і систем і привели до створення принципово нових пристроїв
(підсилювачі яскравості, квантові гігрометри, швидкодіючі оптичні схеми тощо).
Сформувались нові наукові й технічні напрями – голографія, нелінійна та
інтегральна оптика, лазерні технології, лазерна хімія, використання лазерів для керованого термоядерного синтезу та інших задач енергетики. Висока монохроматичність і когерентність лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів у спектроскопії, ініціюванні хімічних реакцій, у поділі ізотопів, в системах вимірювання лінійних і кутових швидкостей, у всіх додатках, основаних на використанні інтерференції, в системах зв’язку та голографії.
Арк.
11
НАУ 20 04 16 000 ПЗ
НАУ 11 24 44 000 ПЗ
Виконав.
Коваль Д.А.
Керівник
Землянський В.М.
Консульт.
Землянський В.М.
Н. Контр.
Левківський В.В
Зав. каф.
Павлова С. В.
ЛАЗЕРНІ ДОППЛЕРІВСЬКІ
ВИМІРЮВАЧІ
ШВИДКОСТІ
Літ.
Аркушів
72
Кафедра авіоніки
РОЗДІЛ 2
ЛАЗЕРНІ ДОППЛЕРІВСЬКІ ВИМІРЮВАЧІ ШВИДКОСТІ
2.1 Допплерівський метод
Цей ефект полягає в тому, що при зближенні або віддаленні випромінювача
(передавача) і приймача частота коливань, що приймається, відрізнятиметься від частоти випромінюваних коливань. При цьому байдуже, що саме рухається – випромінювач або приймач; важливо їх відносний рух, тобто зміна відстані між ними. (Це справедливо у разі нехтування релятивістськими, тобто пов'язаними з теорією відносності, ефектами, якими у всіх що цікавлять нас випадках можна нехтувати через малу частку швидкості руху в порівнянні з швидкістю світла).
Якщо, скажімо, випромінювач віддаляється від нерухомого приймача, то останній прийматиме в одиницю часу менше хвиль в порівнянні з випадком незмінної відстані між випромінювачем і приймачем. Тобто довжини хвиль збільшуються, а частота відповідно зменшується. У разі наближення випромінювача до приймача картина міняється на зворотну – в одиницю часу сприймається більше хвиль, тобто хвилі стають коротшими і частота збільшується.
Таким чином, частота, що приймається, відрізняється від випромінюваної на величину звану допплерівським зсувом (або зсувом) частоти, або просто допплерівською частотою.
Окрім випадку з випромінюванням радіохвиль, допплерівський зсув має місце і в оптичному діапазоні, зокрема, при віддзеркаленні світла від дзеркала, що рухається, при роботі лазерних інтерферометрів переміщень. В цьому випадку світло від лазера з частотою ν перш ніж потрапити в приймач, проходить подвійну відстань – до дзеркала (відбивача), що рухається, і назад.
173 «Авіоніка»
2.2. Принцип дії допплерівського вимірювача швидкості
Принцип дії допплерівського вимірювача заснований на використанні ефекту
Допплера, згідно з яким частота прийнятого сигналу, відбитого від певної поверхні, може відрізнятися від частоти випроміненого сигналу, і різниця залежить від співвідношення швидкостей об'єктів відносно один одного – «Ефект Допплера».
Для вимірювання швидкості вимірювач має антенну систему з декількома (3 або
4) гостронаправленої променями діаграми спрямованості. Прийнятий по кожному з цих променів сигнал має допплерівську частоту пропорційну проекції вектора швидкості літака на цей промінь. Для вимірювання вектора швидкості достатньо трьох променів, які не лежать в одній площині, але іноді використовуються чотири промені, що дає деяку надмірність без помітного ускладнення конструкції.
Даний метод має такий значний недолік, що принципово вимагає антен, які, як правило, мають значні габарити.
Крім того, відхилення кутів антен від номінального значення, наприклад, через температурних деформацій, призводить до погрішностей вимірів. Крім того, напрямок приходу максимального відбитого сигналу може відрізнятися від напрямку максимуму діаграми спрямованості, якщо потужність відбитого сигналу різко падає зі зменшенням кута падіння променя на землю, що також призводить до методичних помилок вимірювання. Цей ефект відображення, який отримав назву "дзеркального ефекту", особливо часто спостерігається над спокійною поверхнею моря. Тому при використанні вимірювачів швидкості застосовують перемикач "суша-море" для внесення відповідних поправок в результати вимірювань.
Функціонально такий вимірювач включає в себе приймач з антенами, блоки виділення різницевих сигналів і вимірювання їх частоти, блоки обчислення векторів швидкості, пристрої індикації і сполучення з навігаційним обладнанням.
Найбільш конструктивно складним елементом є антенна система. Так як вимірювач застосовує безперервне випромінювання, необхідно застосовувати окремі антени для прийому і випромінювання, при цьому необхідно забезпечити, щоб прямий вплив випромінювання передавача на вхід приймача було мінімальним. У вимірі
знайшли застосування два типи антен, в старіших системах використовуються два окремі параболічні антени, з багатопроменевими випромінювачами.
У новіших системах застосовують більш складну у виготовленні, але меншу за габаритами хвилевидну-щілинну антену.
Конструктивно функціональні вузли зазвичай представляють собою два великі блоки, високочастотний і низькочастотний, а також блок індикації в кабіні.
У новіших системах застосовують більш складну у виготовленні, але меншу за габаритами хвилевидну-щілинну антену.
Конструктивно функціональні вузли зазвичай представляють собою два великі блоки, високочастотний і низькочастотний, а також блок індикації в кабіні.
2.3 Лазерний допплерівський вимірювач швидкості
Лазерний допплерівський вимірювач швидкості складається з двох лазерів, блока формування пучків, датчика, прийомного блока, блока часових затримок, а також електрооптичного пристрою та оптичного фазорегулятора. Зона вимірювання формується пучками, які мають взаємноортогональні поляризації, а на виході фотоприймача формуються два синфазних допплерівських сигнали. Пристрій забезпечує заглушення високочастотних сигналів-перешкод при прийомі розсіяного назад випромінювання і підвищення відношення сигнал/шум.
Рис.2.3.1
Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для виміру швидкості газових і рідинних потоків.
Близьким технічним рішенням є вимірювач, що має у своєму складі оптично узгоджений лазер, блок формування двох паралельних лазерних пучків, до якого входять дзеркало і світлодільник, оптичний пристрій створення тимчасових затримок одного зондуючого і одного з розсіяного пучків; датчик, що містить фокусуючий об'єктив і діафрагму з чотирма отворами; а також приймальний блок, що включає складовий змішувач, діафрагму з двома отворами, інтерференційний світлофільтр, фотоприймач, вихід якого підключений до вимірювача допплерівської частоти.
Вимірювач при вимірі високошвидкісних потоків має відносно невисоке співвідношення сигнал/шум, що зменшує точність вимірювання. Потужність корисного сигналу в ньому обмежується як потужністю використовуваного одномодового газового лазера (не більше 100 мВт), так і тим, що потужність розсіяного назад випромінювання на декілька порядків менше потужності розсіяного вперед випромінювання і істотно зменшується із збільшенням дальності дії ЛДВШ. В основу винаходу поставлено задачу підвищити відношення сигнал/шум, а також дальність дії за рахунок використання двох одномодових лазерів однієї довжини хвилі, що формують пучки з лінійними взаємно ортогональними поляризаціями і забезпечення фазового узгодження корисних допплерівських сигналів, що формуються від цих пучків. В цьому випадку на виході фотоприймача відношення сигнал/шум в два рази більше, ніж у відомому вимірювачі, що дозволяє збільшити дальність дії і точність вимірювання швидкості.
Поставлена задача досягається тим, що в лазерному допплерівському вимірювачі швидкості, що складається з оптично узгоджених лазера, блока формування двох паралельних лазерних пучків, який включає світлодільник і дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок зондуючого і одного з розсіяних пучків; датчика, який включає фокусуючий об'єктив і діафрагму з чотирма отворами, а також приймального блока, що включає складовий змішувач, діафрагму з двома отворами, інтерференційний світлофільтр, фотоприймач, вихід якого підключений до вимірювача допплерівської частоти, додатково введені другий лазер, дві півхвильові пластини, оптичний фазорегулятор з блоком живлення, а також електрооптичний пристрій, що складається з оптично узгоджених і послідовно встановлених першої призми Волластона, лінзи, двох чвертьхвильових пластин, електрооптичного кристала, на який подається півхвильова напруга від квадратурного генератора високої частоти, двох чвертьхвильових пластин, лінзи і другої призми Волластона, причому в блоці формування пучків встановлено дві півхвильові пластини на входах світлодільника, а також електрооптичний пристрій на шляху одного з сформованих пучків; фазорегулятор, встановлений на шляху
одного із зондуючих пучків оптичного пристрою створення тимчасових затримок, крім того другий лазер оптично узгоджений з другим входом світлодільника блока формування пучків.
На рис. 2.3.1 представлена блок-схема ЛДВШ для виміру високошвидкісних потоків; на рис. 2.3.2 блок-схема ЛДВШ для виміру малих швидкостей; на рис. 2.3.3
і 2.3.4 - геометрія зондуючих і розсіяних пучків відповідно для ЛДВШ рис. 2.3.1 і рис. 2; на рис. 5 блок-схема волоконно-оптичного ЛДВШ.
ЛДВШ (рис. 2.3.1, 2.3.2, 2.3.5) включає: лазер 1 в одномодовому режимі, випромінюючий лінійно поляризований пучок на довжині хвилі
1, півхвильову пластину 3, світлодільник 4, що розділяє пучок 2 на два пучки 5 і 6 рівної
інтенсивності, одномодовий лазер 7, випромінюючий лінійно поляризований пучок
8 на довжині хвилі
1, півхвильову пластину 9, призму Волластона 10, лінзу 11, чвертьхвильові фазові пластини 12, 13, електрооптичний кристал 14, наприклад з ніобату літію, на дві пари граней якого подаються дві півхвильових напруги в квадратурі від генератора 15 квадратурних сигналів (U cos
mt і U sin
mt) i чвертьхвильових пластин 16 і 17, лінзи 18, призми Волластона 19, дзеркала 20, оптичного фазового регулятора 21 з блоком живлення 22, лінії затримки 23, діафрагми з чотирма отворами 24, об'єктиву 25, зони виміру 26, розсіяних пучків
27 і 28, дзеркала 29, лінії затримки 30, складового змішувача 31, діафрагми з двома отворами 32, інтерференційного світлофільтру 33, фотоприймача 34, вимірювача допплерівської частоти 35; блока формування двох паралельних пучків, в який входять оптичні елементи 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20; оптичного пристрою тимчасових затримок 39, в який входять 21, 23, 29, 30; а для схеми ЛДВШ на рис. 5 так само одномодові світловоди 5 10 15 20 25 30 35 40, 41, 42, 43; датчика
37, в який входять - 24, 25; приймального блока 38, в який входять - 31, 32, 33, 34.
ЛДВШ працює таким чином. Газовий лазер 1, що працює на довжині хвилі
1 в одномодовому режимі, випромінює лінійно поляризований пучок 2.3а допомогою півхвильової пластини 3 цей пучок 2 перетворюється у вертикально поляризований з азимутом
2 = 90° і далі ділиться світлодільником 4 на два пучки 5' і 6' рівної
інтенсивності. Другий одномодовий лазер 7 випромінює лінійно поляризований
На рис. 2.3.1 представлена блок-схема ЛДВШ для виміру високошвидкісних потоків; на рис. 2.3.2 блок-схема ЛДВШ для виміру малих швидкостей; на рис. 2.3.3
і 2.3.4 - геометрія зондуючих і розсіяних пучків відповідно для ЛДВШ рис. 2.3.1 і рис. 2; на рис. 5 блок-схема волоконно-оптичного ЛДВШ.
ЛДВШ (рис. 2.3.1, 2.3.2, 2.3.5) включає: лазер 1 в одномодовому режимі, випромінюючий лінійно поляризований пучок на довжині хвилі
1, півхвильову пластину 3, світлодільник 4, що розділяє пучок 2 на два пучки 5 і 6 рівної
інтенсивності, одномодовий лазер 7, випромінюючий лінійно поляризований пучок
8 на довжині хвилі
1, півхвильову пластину 9, призму Волластона 10, лінзу 11, чвертьхвильові фазові пластини 12, 13, електрооптичний кристал 14, наприклад з ніобату літію, на дві пари граней якого подаються дві півхвильових напруги в квадратурі від генератора 15 квадратурних сигналів (U cos
mt і U sin
mt) i чвертьхвильових пластин 16 і 17, лінзи 18, призми Волластона 19, дзеркала 20, оптичного фазового регулятора 21 з блоком живлення 22, лінії затримки 23, діафрагми з чотирма отворами 24, об'єктиву 25, зони виміру 26, розсіяних пучків
27 і 28, дзеркала 29, лінії затримки 30, складового змішувача 31, діафрагми з двома отворами 32, інтерференційного світлофільтру 33, фотоприймача 34, вимірювача допплерівської частоти 35; блока формування двох паралельних пучків, в який входять оптичні елементи 3, 4, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20; оптичного пристрою тимчасових затримок 39, в який входять 21, 23, 29, 30; а для схеми ЛДВШ на рис. 5 так само одномодові світловоди 5 10 15 20 25 30 35 40, 41, 42, 43; датчика
37, в який входять - 24, 25; приймального блока 38, в який входять - 31, 32, 33, 34.
ЛДВШ працює таким чином. Газовий лазер 1, що працює на довжині хвилі
1 в одномодовому режимі, випромінює лінійно поляризований пучок 2.3а допомогою півхвильової пластини 3 цей пучок 2 перетворюється у вертикально поляризований з азимутом
2 = 90° і далі ділиться світлодільником 4 на два пучки 5' і 6' рівної
інтенсивності. Другий одномодовий лазер 7 випромінює лінійно поляризований
пучок 8, який за допомогою півхвильової пластини 9 перетвориться в горизонтально поляризований пучок з азимутом
8 = 0°. Цей пучок ділиться світлодільником 4 на два пучки 5" і 6" рівної інтенсивності. Оскільки пучки 5' і 5", а також 6" і 6" просторово поєднані, то результуючі пучки 5 і 6 є суперпозицією двох пучків з взаємно ортогональною лінійною поляризацією. Пучок 6 прямує на вхід поляризаційної призми Волластона 10 з азимутом
10 = 90°, тому на виході її формуються два пучки 6' і 6", які відповідно мають вертикальну і горизонтальну поляризацію. Пучок 6' після проходження чвертьхвильової пластини 12, з азимутом
12 = 135° перетвориться в правоциркулярно поляризований пучок. Другий пучок
6" після проходження чвертьхвильової пластини 13 з азимутом швидкої осі
13 =
45° також перетвориться в правоциркулярно поляризований пучок. Ці пучки 6' і 6" проходять електрооптичний кристал 14, на дві пари граней якого подається півхвильова напруга на частоті
м в квадратурі, від генератора 15. Далі пучок 6' що має частоту
0 +
м, (
0 - частота випромінювання лазера) перетворюється чвертьхвильовою пластиною 17 у вертикально поляризований пучок, а пучок 6", що має частоту (
0 +
м перетворюється чвертьхвильовою пластиною 16 в горизонтально поляризований пучок. Пучки 6' і 6", спрямовуються лінзою 18 на вхід поляризаційної призми Волластона 19, на виході якої ці пучки просторово поєднуються, утворюючи пучок 6, який після віддзеркалення від дзеркала 20 і проходження по лінії затримки 23 і отвору діафрагми 24, прямує на вхід об'єктиву
25. Другий пучок 5 прямує на вхід фазорегулятора 21, підключеного до блока живлення 22. За допомогою фазорегулятора можливо регулювати фазове зміщення між пучками 5' і 5", що мають лінійні взаємно ортогональні поляризації.
Фазорегулятор може бути виконаний, наприклад, з електрооптичного кристала, в цьому випадку різниця фаз між пучками на виході 21 лінійно залежить від напруги, що подається на кристал 14 від блока живлення 22.
Паралельні і симетричні відносно оптичної осі схеми OZ пучки 5 і 6 фокусуються об'єктивом
25 в зону виміру 26, через яку рухається потік із швидкістю V .
Розсіяне назад випромінювання 27 збирається об'єктивом 25 в межах отвору
8 = 0°. Цей пучок ділиться світлодільником 4 на два пучки 5" і 6" рівної інтенсивності. Оскільки пучки 5' і 5", а також 6" і 6" просторово поєднані, то результуючі пучки 5 і 6 є суперпозицією двох пучків з взаємно ортогональною лінійною поляризацією. Пучок 6 прямує на вхід поляризаційної призми Волластона 10 з азимутом
10 = 90°, тому на виході її формуються два пучки 6' і 6", які відповідно мають вертикальну і горизонтальну поляризацію. Пучок 6' після проходження чвертьхвильової пластини 12, з азимутом
12 = 135° перетвориться в правоциркулярно поляризований пучок. Другий пучок
6" після проходження чвертьхвильової пластини 13 з азимутом швидкої осі
13 =
45° також перетвориться в правоциркулярно поляризований пучок. Ці пучки 6' і 6" проходять електрооптичний кристал 14, на дві пари граней якого подається півхвильова напруга на частоті
м в квадратурі, від генератора 15. Далі пучок 6' що має частоту
0 +
м, (
0 - частота випромінювання лазера) перетворюється чвертьхвильовою пластиною 17 у вертикально поляризований пучок, а пучок 6", що має частоту (
0 +
м перетворюється чвертьхвильовою пластиною 16 в горизонтально поляризований пучок. Пучки 6' і 6", спрямовуються лінзою 18 на вхід поляризаційної призми Волластона 19, на виході якої ці пучки просторово поєднуються, утворюючи пучок 6, який після віддзеркалення від дзеркала 20 і проходження по лінії затримки 23 і отвору діафрагми 24, прямує на вхід об'єктиву
25. Другий пучок 5 прямує на вхід фазорегулятора 21, підключеного до блока живлення 22. За допомогою фазорегулятора можливо регулювати фазове зміщення між пучками 5' і 5", що мають лінійні взаємно ортогональні поляризації.
Фазорегулятор може бути виконаний, наприклад, з електрооптичного кристала, в цьому випадку різниця фаз між пучками на виході 21 лінійно залежить від напруги, що подається на кристал 14 від блока живлення 22.
Паралельні і симетричні відносно оптичної осі схеми OZ пучки 5 і 6 фокусуються об'єктивом
25 в зону виміру 26, через яку рухається потік із швидкістю V .
Розсіяне назад випромінювання 27 збирається об'єктивом 25 в межах отвору
діафрагми 24 і після віддзеркалення від дзеркала 29 прямує на вхід змішувача 31.
На другий вхід змішувача прямує розсіяне назад випромінювання 28, після проходження діафрагми 25 і лінії затримки 30. Розсіяний пучок 27 складається з чотирьох розсіяних пучків:𝐾
⃗⃗ ′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠51
, 𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
и 𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
, а пучок 28 складається з
:
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠52
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠52
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
и 𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
. Причому, оскільки розсіяні пучки 27 і 28 збираються в площині зондуючих пучків 5 і 6 - OXZ, то розсіяні пучки:𝐾
⃗⃗ ′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠52
и
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
- мають вертикальну 40 поляризацію, а розсіяні пучки :
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠52
и
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
- горизонтальну поляризацію.
Розсіяні пучки 27 і 28, після їх просторового поєднання в змішувачі 31, проходження діафрагми 32 і інтерференційного світлофільтру 33, прямують на фотокатод фотоприймача 34. В результаті оптичного змішення 8-ми розсіяних пучків на виході фотоприймача 34 формується тільки два корисні високочастотні сигнали на рівних частотах (див. рис. 2.3.3)
𝜔
2
′
= 𝜔′
𝑠61
𝜔′
𝑠52
= Ω
M
+ (𝐾
⃗⃗ ′
06
𝐾
⃗⃗ ′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′
𝑠52
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′
1
𝐾
⃗⃗ ′
3
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+
𝐾
⃗⃗ ′𝑉⃗
𝜔
2
′′
= 𝜔′′
𝑠61
𝜔′′
𝑠52
= Ω
M
+ (𝐾
⃗⃗ ′′
06
𝐾
⃗⃗ ′′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′′
𝑠52
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′′
1
𝐾
⃗⃗ ′′
3
)
𝑉
⃗ =
Ω
M
+ 𝐾
⃗⃗ ′′𝑉⃗
𝐾
⃗⃗ ′
5
= 𝐾
⃗⃗ ′′
5
𝜔
2
′
= 𝜔
2
′′
= 𝜔
2
= Ω
M
+
8𝜋
1
cos (
𝛾 + 𝑎
4
) 𝑠𝑖𝑛 (
𝛾
𝑎
4
) V
x де
1
- довжина хвилі випромінювання лазерів 1 і 7,
𝐾
⃗⃗
06
и 𝐾
⃗⃗
05
- хвильові вектори зондуючих пучків 5 і 6,
𝐾
⃗⃗
𝑠51
и 𝐾
⃗⃗
𝑠61
- хвильові вектори розсіяних пучків, що формуються від пучків 5 і 6,
V
x
=V cos
(рис. 3) - горизонтальна проекція швидкості потоку.
Частота сигналу
2 вимірюється вимірювачем допплерівської частоти 35, який видає інформацію про модуль і знак проекції швидкостіV
x
Перший сигнал на частоті 𝜔
2
′
формується від вертикально поляризованих розсіяних пучків, оскільки для цього сигналу модуль степені тимчасової когерентності |𝛾
2
′
|
1, а також коефіцієнт поляризаційного узгодження змішуваних розсіяних хвиль
На другий вхід змішувача прямує розсіяне назад випромінювання 28, після проходження діафрагми 25 і лінії затримки 30. Розсіяний пучок 27 складається з чотирьох розсіяних пучків:𝐾
⃗⃗ ′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠51
, 𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
и 𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
, а пучок 28 складається з
:
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠52
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠52
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
и 𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
. Причому, оскільки розсіяні пучки 27 і 28 збираються в площині зондуючих пучків 5 і 6 - OXZ, то розсіяні пучки:𝐾
⃗⃗ ′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠52
и
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
- мають вертикальну 40 поляризацію, а розсіяні пучки :
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠52
и
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
- горизонтальну поляризацію.
Розсіяні пучки 27 і 28, після їх просторового поєднання в змішувачі 31, проходження діафрагми 32 і інтерференційного світлофільтру 33, прямують на фотокатод фотоприймача 34. В результаті оптичного змішення 8-ми розсіяних пучків на виході фотоприймача 34 формується тільки два корисні високочастотні сигнали на рівних частотах (див. рис. 2.3.3)
𝜔
2
′
= 𝜔′
𝑠61
𝜔′
𝑠52
= Ω
M
+ (𝐾
⃗⃗ ′
06
𝐾
⃗⃗ ′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′
𝑠52
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′
1
𝐾
⃗⃗ ′
3
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+
𝐾
⃗⃗ ′𝑉⃗
𝜔
2
′′
= 𝜔′′
𝑠61
𝜔′′
𝑠52
= Ω
M
+ (𝐾
⃗⃗ ′′
06
𝐾
⃗⃗ ′′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′′
𝑠52
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′′
1
𝐾
⃗⃗ ′′
3
)
𝑉
⃗ =
Ω
M
+ 𝐾
⃗⃗ ′′𝑉⃗
𝐾
⃗⃗ ′
5
= 𝐾
⃗⃗ ′′
5
𝜔
2
′
= 𝜔
2
′′
= 𝜔
2
= Ω
M
+
8𝜋
1
cos (
𝛾 + 𝑎
4
) 𝑠𝑖𝑛 (
𝛾
𝑎
4
) V
x де
1
- довжина хвилі випромінювання лазерів 1 і 7,
𝐾
⃗⃗
06
и 𝐾
⃗⃗
05
- хвильові вектори зондуючих пучків 5 і 6,
𝐾
⃗⃗
𝑠51
и 𝐾
⃗⃗
𝑠61
- хвильові вектори розсіяних пучків, що формуються від пучків 5 і 6,
V
x
=V cos
(рис. 3) - горизонтальна проекція швидкості потоку.
Частота сигналу
2 вимірюється вимірювачем допплерівської частоти 35, який видає інформацію про модуль і знак проекції швидкостіV
x
Перший сигнал на частоті 𝜔
2
′
формується від вертикально поляризованих розсіяних пучків, оскільки для цього сигналу модуль степені тимчасової когерентності |𝛾
2
′
|
1, а також коефіцієнт поляризаційного узгодження змішуваних розсіяних хвиль
𝐾′
𝑛2
=1. Другий сигнал на частоті 𝜔
2
′′
формується від горизонтально поляризованих розсіяних пучків (для нього також |𝛾
2
′′
|
1 і
𝐾′
𝑛2
=1). Інші 26 високочастотних сигналів-перешкод автоматично пригнічуються, оскільки для цих сигналів або модуль степені тимчасової когерентності дорівнює нулю, або коефіцієнт поляризаційного узгодження дорівнює нулю (оскільки пучки мають лінійні взаємно ортогональні поляризації).
Високочастотні сигнали не лише рівні по частоті, але також рівні по амплітуді через властивості симетрії оптичної схеми ЛДВШ. Проте ці сигнали можуть бути не сфазовані внаслідок того, що пучки, що мають горизонтальну і вертикальну поляризацію, проходять різний оптичний шлях при анізотропних властивостях оптичних матеріалів, з яких виготовлені оптичні елементи. Для синфазного прийому двох лазерних сигналів необхідно здійснити регулювання різниці фаз між пучками 5' і 5" за допомогою фазорегулятора 21. Ця операція регулювання фази виконується при первинному юстируванні оптичної схеми ЛДВШ, а також при заміні в схемі окремих оптичних елементів.
Схема ЛДВШ (рис.2.3.1) має відносно низьку чутливість
S
x
[
Гц м
с
⁄
] =
4
cos (
𝛾+𝑎
4
) sin (
𝛾
𝑎
4
) тому її доцільно використовувати при вимірі великих швидкостей, наприклад, гіперзвукових. При вимірі малих швидкостей потоків, наприклад, при броунівському русі, доцільно використовувати схему ЛДВШ (рис. 2.3.2). Ця схема відрізняється від схеми (рис.2.3.1), тим що в ній лінія затримки 30 розташована на шляху розсіяного пучка 27. В цьому випадку в результаті оптичного змішення на фотокатоді фотоприймача 34 восьми розсіяних пучків: 𝐾
⃗⃗ ′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠51
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
и
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠61
,
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠61
,
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠52
и
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠52
, що мають різні допплерівські зміщення частот, міру когерентності і різні поляризації, на виході фотоприймача формується 26 високочастотних сигналів-перешкод, які автоматично пригнічуються (оскільки для цих сигналів
0 або
𝐾
𝑛𝑖
= 0), а також два корисні високочастотні сигнали на частотах 𝜔
1
′
і
𝜔
1
′′
, рівних за величиною і пропорційних проекції швидкості V
x
(див. рис. 2.3.4)
𝜔
1
′′
= 𝜔′′
𝑠62
𝜔′′
𝑠51
= Ω
M
+
(𝐾
⃗⃗ ′′
06
𝐾
⃗⃗ ′′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′′
𝑠51
𝐾
⃗⃗ ′′
𝑠62
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′′
1
𝐾
⃗⃗ ′′
2
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+ 𝐾
⃗⃗ ′′
4
𝑉
⃗
𝜔
1
′
= 𝜔′
𝑠62
𝜔′
𝑠51
= Ω
M
+ (𝐾
⃗⃗ ′
06
𝐾
⃗⃗ ′
05
)
𝑉
⃗ +(𝐾⃗⃗ ′
𝑠51
𝐾
⃗⃗ ′
𝑠62
)
𝑉
⃗ =Ω
M
+(
𝐾
⃗⃗ ′
1
𝐾
⃗⃗ ′
2
)
𝑉
⃗ = Ω
M
+
𝐾
⃗⃗ ′
4
𝑉
⃗
𝜔
1
′
= 𝜔
1
′′
= 𝜔
1
= Ω
M
+
8𝜋
1
cos (
𝛾 + 𝑎
4
) 𝑠𝑖𝑛 (
𝛾
𝑎
4
) V
x
Схема (рис. 2.3.5) має високу чутливість
S
x
[
Гц м
с
⁄
] =
4
𝑠in (
𝛾 + 𝑎
4
) cos (
𝛾
𝑎
4
) що важливо при вимірі малих швидкостей. При вимірі швидкостей у важкодоступних зонах використовується варіант ЛДВШ (рис. 2.3.5) з використанням волоконно-оптичного пристрою тимчасових затримок 39, який складається з чотирьох світлопроводів 40, 41, 42, 43. На рис. 2.3.5 представлена схема ЛДВШ, яка працює в режимі максимальної чутливості. Для переходу в режим мінімальної чутливості необхідно на вході датчика 37 поміняти місцями кінці світлопроводів 42 і 43. У розробленому ЛДВШ усунені недоліки властиві прототипу і відомим приладам. У ЛДВШ забезпечується підвищення відношення сигнал/шум в два рази в порівнянні з відомими схемами. Крім того у ЛДВШ збільшується дальність дії при прийомі розсіяного назад випромінювання. ЛДВШ може використовуватися як при вимірі малих, так і надзвукових швидкостей.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Лазерний допплерівський вимірювач швидкості, що складається з оптично узгоджених лазера, блока формування двох паралельних лазерних пучків, який включає світлодільник і дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок одного з зондуючих і одного з розсіяних пучків; датчика, який включає фокусуючий об'єктив і діафрагму з чотирма отворами, а також приймальний блок, що включає складовий змішувач, діафрагму з двома отворами, інтерференційний світлофільтр, фотоприймач, вихід якого підключений до вимірювача допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в нього додатково введені
другий лазер, дві півхвильові пластини, оптичний фазорегулятор з блоком живлення, а також електрооптичний пристрій, що складається з оптично узгоджених і послідовно встановлених першої призми Волластона, першої лінзи, двох чвертьхвильових пластин, електрооптичного кристала, на який подається півхвильова напруга квадратурного генератора високої частоти, других двох чвертьхвильових пластин, лінзи і призми Волластона; причому в блоці формування променів встановлено дві півхвильові пластини на входах світлодільника, а також електрооптичний пристрій на шляху одного з сформованих пучків, крім того, фазорегулятор встановлений на шляху одного із зондуючих пучків оптичного пристрою створення тимчасових затримок; а другий лазер оптично узгоджений з другим входом світлодільника блока формування пучків.
Рис.2.3.2
Рис.2.3.2
Рис.2.3.3
Рис.2.3.4
Рис.2.3.5
1 2 3 4