ES2310285T3 - Sensor de velocidad de gas. - Google Patents

Abstract

Sensor de velocidad de gas que comprende: una fuente de radiación electromagnética que puede hacerse funcionar para iluminar un gas en movimiento; un fotodetector que puede hacerse funcionar para detectar radiación electromagnética dispersada desde el gas; una trayectoria óptica que enlaza el gas con el fotodetector; un interferómetro situado sobre la trayectoria óptica, teniendo el interferómetro una entrada para recibir radiación electromagnética dispersada por el gas y una salida para producir un patrón de interferencia cuando el interferómetro está iluminado; y un filtro espacial situado sobre la trayectoria óptica en un plano focal de una salida del interferómetro, teniendo el filtro espacial zonas que son relativamente transparentes y relativamente opacas que forman una estructura correspondiente a un patrón de interferencia producido por el interferómetro, en el que el fotodetector puede hacerse funcionar para emitir una señal indicativa de la intensidad de radiación dispersada que emerge del filtro espacial y por tanto de la velocidad relativa del gas.

Description

Sensor de velocidad de gas.

Esta invención se refiere a un sensor de velocidad de gas y a un método para determinar la velocidad de un gas. En particular, esta invención se refiere a un sensor de velocidad de aire que es particularmente adecuado para su uso en un avión de modo que pueda determinarse la velocidad del avión.

Medir con precisión la velocidad de un avión en vuelo es obviamente una cuestión importante y puede lograrse de numerosas formas diferentes mediante técnicas mecánicas, ópticas o electrónicas.

Una de las técnicas más sencillas y empleadas más habitualmente es utilizar un tubo piloto. Se trata de un pequeño tubo que sobresale de la parte delantera de un avión que mide la presión de aire en el tubo mientras el avión está en vuelo. La velocidad del avión en relación al aire puede inferirse a partir de esta presión de aire utilizando una relación cuadrática aproximada. Este método tiene sólo una precisión limitada y requiere que se apliquen correcciones para diferentes efectos tales como humedad, temperatura y perturbaciones de flujo que, de lo contrario, llevarían a lecturas de velocidad imprecisas.

Las técnicas electrónicas emplean sensores de posicionamiento global (GPS) para tomar lecturas durante intervalos de tiempo establecidos de modo que la velocidad puede hallarse a partir de la sencilla relación velocidad- igual a-distancia-dividida-por el-tiempo. Sin embargo, esta técnica adolece del requisito de tiempos de integración largos para obtener una precisión adecuada y también del requisito de una disponibilidad continua de señales GPS desde satélites. Además, esta técnica proporciona una medición de la velocidad en el espacio inercial en lugar de la velocidad en relación al aire: la diferencia entre estas velocidades puede ser crítica, por ejemplo alrededor de la velocidad de pérdida de un avión que vuela corriente abajo.

Las desventajas de las técnicas mecánicas y electrónicas anteriores han supuesto un interés en los métodos ópticos para la detección de la velocidad del aire.

Se ha desarrollado una técnica óptica no para sensores de velocidad de aire con base en aviones, sino para sensores con base en tierra utilizados para medir la velocidad de corrientes de aire en la atmósfera. Tales sensores funcionan basándose en el principio de que la luz láser dispersada por las moléculas de aire y otras partículas en el aire (por ejemplo aerosoles) estará sujeta a un desplazamiento Doppler de frecuencia si hay movimiento relativo entre el sensor de velocidad de aire y el aire. Por tanto, una medición del desplazamiento de frecuencia de la luz láser dispersada da una medición de la componente de velocidad del aire en la dirección de propagación del haz láser. En la práctica, un haz láser potente se proyecta hacia arriba y se capta luz láser retrodispersada con un telescopio de gran apertura y se pasa a un analizador de frecuencia de alta resolución tal como un interferómetro Fabry-Perot. El desplazamiento \Deltaf en frecuencia medido por el interferómetro Fabry-Perot está relacionado con la velocidad del aire a lo largo de la dirección V del haz mediante la ecuación:

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donde \lambda es la longitud de onda de la luz láser.

La intensidad de la luz retrodispersada depende en gran medida de la longitud de onda de la luz producida por el láser y de la naturaleza de las partículas de dispersión. A bajas altitudes, la concentración de aerosoles está en su punto más alto y por tanto contribuye mucho a la luz láser retrodispersada. Sin embargo, la concentración de aerosoles varía en al menos cuatro órdenes de magnitud entre el nivel del mar y 50.000 pies, la altitud operativa más alta para la mayoría de aviones. Si un sensor óptico del tipo descrito anteriormente va a adaptarse para funcionar en un avión, debe poder funcionar a cualquier altitud y en cualquier condición de tiempo atmosférico. Por tanto, la concentración de partículas de dispersión debe mantenerse lo más constante posible para mantener una señal fiable.

El documento US-A-5 394 243 se refiere a un dispositivo para la detección de aerosoles, turbulencias del aire y velocidad del viento axial Doppler. El dispositivo comprende un sistema óptico centrado constituido por un único interferómetro Fabry-Perot, un prisma, un filtro de interferencia y una lente objetiva afocal, teniendo todos los elementos los ejes ópticos coincidentes. Se mide el desfase de espectro entre el haz emitido y el haz retrodispersado provocado por la componente de la velocidad del objetivo a lo largo del eje óptico (efecto Doppler).

El documento US-A-4 195 931 está relacionado con un aparato para la detección remota de la ubicación y la intensidad de turbulencias de aire limpio en asociación con aviones mediante análisis del espectro de luz láser dispersada. La luz retrodispersada desde un volumen de aire se dirige al telescopio de captación mediante un espejo. Un filtro de banda estrecha bloquea la luz ambiente. La luz desde el telescopio y el filtro de banda estrecha se pasa a través de un interferómetro Fabry-Perot que crea un patrón de interferencia simétrico circular. El análisis del patrón proyectado sobre el detector a través de una lente permite la determinación de la distancia del volumen de aire para determinar la ubicación de la turbulencia de aire limpio.

Frente a estos antecedentes y desde un primer aspecto, la presente invención consiste en un sensor de velocidad de gas según la reivindicación 1.

De este modo, la intensidad de la luz incidente sobre el fotodetector puede monitorizarse y estimarse la velocidad del gas. Esto se debe a que el patrón de interferencia producido por el interferómetro estará en diversos grados de registro con el patrón sobre el filtro espacial y permitirá por tanto el paso de diversas cantidades de radiación electromagnética. El patrón de interferencia varía en función de la longitud de onda de la radiación electromagnética incidente sobre el interferómetro y por tanto, es una medición de la frecuencia Doppler del gas y por tanto, de la velocidad del gas con respecto al sensor de velocidad de gas.

Aunque se prefiere utilizar un interferómetro Fabry-Perot, pueden emplearse otros interferómetros. Esencialmente, es apropiado cualquier interferómetro que produzca un patrón de interferencia que pueda replicarse sobre un filtro espacial.

Opcionalmente, el filtro espacial tiene una estructura anular correspondiente al patrón de interferencia producido por el interferómetro cuando se ilumina por radiación electromagnética a sustancialmente la longitud de onda de la fuente de radiación electromagnética. Así, cuando la radiación electromagnética se dispersa desde un gas en movimiento, su longitud de onda puede desplazarse ligeramente alrededor de la longitud de onda de la fuente de radiación electromagnética y así es probable que sólo disminuya parcialmente mediante desajuste entre el patrón de interferencia producido por el interferómetro y el patrón sobre el filtro espacial.

Opcionalmente, un espejo que puede moverse se emplea en un interferómetro Fabry-Perot. Como es de sobra conocido, los interferómetros Fabry-Perot contienen un par de espejos enfrentados que hacen rebotar la radiación electromagnética uno del otro. Al poderse mover al menos uno de los espejos puede variarse la separación entre los espejos: al variarse su separación se altera el patrón de interferencia que producen, es decir los radios del anillo aumentan o disminuyen. De manera conveniente, el interferómetro Fabry-Perot puede comprender además un actuador electromecánico que puede hacerse funcionar para mover el espejo que puede moverse, tal como un dispositivo piezoeléctrico o similar.

Opcionalmente, la fuente de radiación electromagnética puede hacerse funcionar para producir luz ultravioleta. Esto es ventajoso cuando se utiliza en la detección de la velocidad del aire porque la dispersión la dominan moléculas de aire con longitudes de onda ultravioleta. Esto mitiga el efecto de dispersión de los aerosoles que provocan un problema debido a su concentración variable con la altitud. La radiación ultravioleta es beneficiosa porque la dispersión de las moléculas de aire está regida por el proceso de dispersión de Rayleigh y la intensidad de la luz dispersada es proporcional a \lambda^{-4}, donde \lambda corresponde a la longitud de onda de la luz incidente. Preferiblemente, la fuente de luz es un láser con un neodimio: prefiriéndose particularmente láser YLF.

Opcionalmente, el interferómetro comprende un par de espejos y el láser comprende una cavidad láser, ajustándose la separación de los espejos para ser igual al tiempo que tarda la luz en desplazarse por la longitud de la cavidad láser por la velocidad de la luz. Esta disposición mitiga el hecho de que la mayoría de los láseres producen señales a intervalos de longitud de onda muy próximos que produciría de lo contrario zonas brillantes en un patrón de interferencia con una amplia gama de posiciones que se superponen efectivamente para formar un patrón de interferencia que se difumina sin variación neta de la intensidad. Ajustando la separación de los espejos respecto a la longitud efectiva de la cavidad láser (utilizando el tiempo que tarda la luz en desplazarse por la longitud real por la velocidad de la luz compensa los índices de refracción distintos de las componentes de la cavidad láser), las zonas brillantes producidas por el interferómetro coinciden en el patrón de interferencia para sumarse de manera constructiva reforzándose así unas a otras. Cuando la separación de los espejos puede variarse, la separación media de los espejos se ajusta a la longitud efectiva de la cavidad láser. Preferiblemente, la cavidad láser comprende un cristal y un interruptor Q unido en un extremo mediante un espejo de entrada y en el otro extremo mediante un espejo de salida. Es ventajoso que el espejo de entrada refleje a 1,064 \mum y transmita a 810 nm. Opcionalmente, el espejo de salida es semirreflectante y en el que el sensor de velocidad de gas comprende además un cristal no lineal y un filtro dispuesto de tal manera que, en uso, la salida de luz por el espejo de salida es incidente en primer lugar sobre el cristal no lineal y después sobre el filtro, en el que el filtro transmite luz sustancialmente en el tercer armónico y rechaza la luz a otras longitudes de onda.

Opcionalmente, el sensor de velocidad de gas comprende además una lente para captar luz dispersada por el gas. Esto permite captar luz dispersada en varios ángulos y dirigirla hacia el interferómetro, garantizando que pase una mayor intensidad de luz a través del sensor de velocidad de gas. Preferiblemente, la radiación electromagnética de velocidad del gas comprende además otra lente para producir un haz sustancialmente colimado y/o un filtro de banda estrecha situado sobre la trayectoria óptica en el lado de entrada del interferómetro. El filtro de banda estrecha está configurado para permitir que pase radiación electromagnética con una longitud de onda sustancialmente coincidente con la de la fuente de radiación electromagnética mientras que rechaza otras longitudes de onda. Esto permite la extracción de la radiación electromagnética dispersada relativamente débil del fondo de lo contrario abrumador.

Opcionalmente, el sensor de velocidad de gas comprende además un voltímetro que puede hacerse funcionar para medir una señal producida por el fotodetector. Preferiblemente, está configurada una compuerta para recibir una señal desde el fotodetector y enviar una señal al voltímetro. Esto permite leer la radiación electromagnética incidente sobre el fotodetector de una manera selectiva. Por ejemplo, puede utilizarse un retardo de tiempo que corresponda a un determinado tiempo de vuelo desde la fuente de radiación electromagnética al fotodetector. Esto es útil puesto que el tiempo de vuelo corresponderá al muestreo del gas a una distancia ajustada desde el sensor de velocidad de gas. El sensor de velocidad de gas puede comprender un controlador que puede hacerse funcionar para abrir la compuerta, por ejemplo un generador de pulsos. En una realización preferida, el controlador puede hacerse funcionar para producir radiación electromagnética pulsada emitida desde la fuente de radiación electromagnética. Esto permite el control del intervalo de sincronismo entre que se produce un pulso de radiación electromagnética por la fuente de radiación electromagnética y la lectura del fotodetector. Opcionalmente, el sensor de velocidad de gas comprende además un circuito de retardo de tiempo configurado para recibir una señal desde el controlador y para pasar una señal a la compuerta. Esto permite ajustar de manera conveniente un tiempo de vuelo deseado.

Opcionalmente, el sensor de velocidad de gas comprende además un ordenador, pudiendo hacerse funcionar el ordenador para aplicar un voltaje al actuador y/o para recibir una señal desde el voltímetro.

Preferiblemente, el sensor de velocidad de gas es un sensor de velocidad de aire instalado en un avión.

Desde un segundo aspecto, la presente invención consiste en un método para determinar la velocidad de un gas según la reivindicación 16.

Opcionalmente, el método comprende además la etapa de iluminar el gas con luz ultravioleta. Preferiblemente, el método comprende además la etapa de pasar radiación electromagnética captada a través de una lente para producir un haz sustancialmente colimado que se pasa al interferómetro. Además, el haz sustancialmente colimado puede pasarse opcionalmente a través de un filtro de banda estrecha antes de pasarse la radiación electromagnética al interferómetro.

Preferiblemente, el interferómetro tiene un par de espejos, pudiendo moverse al menos uno, comprendiendo el método además la etapa de mover el espejo de modo que se varía la separación entre espejos y se mide la salida del fotodetector a una pluralidad de separaciones entre espejos. Opcionalmente, la etapa de ajustar la separación entre espejos se realiza para obtener una salida máxima desde el fotodetector. Alternativamente, la etapa de ajustar la separación entre espejos se realiza para hacer un barrido de la separación de los espejos a través de un intervalo predeterminado. El método puede comprender además opcionalmente las etapas de enviar un voltaje a un actuador electromecánico para efectuar el movimiento del espejo y registrar el voltaje producido por el fotodetector en función del voltaje aplicado al actuador.

Opcionalmente, el filtro espacial tiene una estructura correspondiente al patrón de interferencia producido por el interferómetro cuando se ilumina por una radiación electromagnética a la longitud de onda de la fuente de radiación electromagnética.

La invención se describirá ahora, a modo de ejemplo únicamente, en referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra esquemáticamente un sensor de velocidad de aire para su uso en un avión según la presente invención;

la figura 2 muestra esquemáticamente un interferómetro Fabry-Perot para su uso en el sensor de velocidad de aire de la figura 1;

la figura 3 es un patrón de interferencia producido por el interferómetro Fabry-Perot de la figura 2;

la figura 4 muestra esquemáticamente parte del sensor de velocidad de aire de la figura 1 en mayor detalle; y

la figura 5 muestra esquemáticamente el láser de la figura 1 en mayor detalle.

En la figura 1 se muestra un sensor 10 de velocidad de aire montado en un avión. El sensor 10 de velocidad de aire comprende un láser 12 para iluminar un flujo 14 de aire, una óptica 16 de captación para captar luz retrodispersada desde el flujo 14 de aire y para transmitir luz a lo largo de una trayectoria óptica que ve la luz que se propaga a través de un interferómetro 18 Fabry-Perot, un filtro 20 espacial y sobre un fotodetector 22. La salida del fotodetector 22 se pasa a un voltímetro 24 a través de una compuerta 26. El sensor 10 de velocidad de aire comprende además un generador 28 de pulsos que puede hacerse funcionar para accionar el láser 12 para producir pulsos de luz y por tanto para accionar la compuerta 26 del voltímetro 24.

El láser 12 genera pulsos de luz ultravioleta en un haz 30 colimado estrecho que se refleja por un pequeño espejo 32 plano para formar un haz 34 reflejado que se propaga en un flujo 14 de aire que fluye donde se dispersa. La elección de un láser 12 ultravioleta significa que la longitud de onda de la luz 30, 34 es tal que la dispersión es predominantemente desde moléculas de aire en lugar de desde aerosoles en el flujo 14 de aire.

Una proporción de la luz 36 retrodispersada a lo largo de la dirección del haz reflejado se capta por la óptica 16 de captación antes de su transmisión al interferómetro 18 Fabry- Perot. La óptica 16 de captación comprende una primera lente 38 que capta la luz 36 retrodispersada antes de que la luz se centre en un haz 40 aproximadamente colimado mediante una segunda lente 42. El haz 40 colimado pasa a través de un filtro 44 de banda estrecha que transmite luz a o cerca de la longitud de onda ultravioleta del láser 12 pero que rechaza cualquier otra longitud de onda que surja desde la luz ambiente del cielo que entra en la primera lente 38. Este filtro 44 de banda estrecha elimina por tanto la luz ambiente dominante para dejar la luz 36 retrodispersada mucho más débil que se propaga a continuación al interferómetro 18 Fabry-Perot.

El interferómetro 18 Fabry-Perot se muestra más detalladamente en la figura 2. El haz filtrado entra en el interferómetro 18 Fabry-Perot a través de un espejo 46 semirreflectante. Como bien se sabe, el interferómetro 18 Fabry-Perot comprende un segundo espejo 48 semirreflectante: los espejos 46, 48 semirreflectantes están separados mediante separadores 50 de modo que las superficies 46a, 48a de los espejos son paralelas con una precisión mucho menor que la longitud de onda de la luz 30, 34 láser ultravioleta y están separadas por una distancia d. Dos separadores 50 se muestran en la figura 2, pero pueden utilizarse más para mejorar el paralelismo de los espejos 46, 48 semirreflectantes.

Un haz de luz incidente sobre el interferómetro 18 Fabry-Perot se refleja sucesivamente desde los espejos 46, 48 semirreflectantes de modo que se obtiene una interferencia. El patrón de interferencia producido se ve en luz que emerge desde el segundo espejo 48 semirreflectante. La luz 52 emergente varía en intensidad en una cantidad con respecto al ángulo \theta (medido con respecto a la normal entre los espejos 46, 48 semirreflectantes, tal como se muestra en la figura 2) y a su longitud \lambda de onda. La intensidad t de la luz transmitida viene dada por

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donde

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t_{0} es la intensidad pico transmitida y R es la reflectividad de las superficies 46, 48 de espejo semirreflectantes. Si \theta es pequeño y la separación d se hace igual a ½ N\lambda_{0} (donde \lambda_{0} es la longitud de onda central nominal de un intervalo estrecho y N es cualquier entero), la transmisión t puede simplificarse a

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donde f es una pequeña desviación en la frecuencia del láser desde la frecuencia f_{0} central nominal del láser y donde f_{0}=c/\lambda_{0}. El patrón 54 de interferencia producido por la luz ultravioleta del láser 12 se muestra en la figura 3: este patrón 54 de interferencia comprende un conjunto de anillos 56 concéntricos que pueden verse en la luz que emerge del interferómetro 18 Fabry-Perot cuando se ha centrado en el plano focal de una tercera lente 58.

Un filtro 20 espacial está situado en el plano focal de la lente 58. El filtro 20 espacial es una superficie opaca que contiene aberturas transparentes concéntricas que corresponden a las zonas de luz 56 brillante en la figura 3. Por consiguiente, el patrón 54 de interferencia producido por el interferómetro 18 Fabry-Perot cuando se ilumina por la luz ultravioleta desde el láser 12 pasa a través del filtro 20 espacial de manera no disminuida e incide sobre el fotodetector 22.

El fotodetector 22 produce una señal 60 que es proporcional a la intensidad de la luz que incide sobre el mismo. Esta señal 60 del fotodetector se lee por el voltímetro 24 cuando se deja pasar a través de la compuerta 26. La compuerta 26 se activa por una señal 62 que ha pasado por el generador 28 de pulsos. El generador 28 de pulsos produce una secuencia regular de pulsos 62 que desencadenan la emisión de luz ultravioleta desde el láser 12 y hacen funcionar la compuerta 26 hacia el voltímetro 24 tras un retardo de tiempo adecuado ajustado por el circuito 64 de retardo de tiempo fijo. En funcionamiento, los pulsos desde el generador 28 de pulsos desencadenan la salida de luz pulsada desde el láser 12. La luz 36 retrodifundida por el flujo 14 de aire que fluye entra en el fotodetector 22 tras un retardo correspondiente al tiempo de vuelo a través de la trayectoria entre el láser 12 y el fotodetector 22. Así, ajustar el retardo de tiempo en 64 a un valor particular permite que el voltímetro 24 mida la luz retrodifundida desde una zona en el flujo 14 de aire que fluye una distancia predeterminada desde el sensor 10 de velocidad de aire.

Cuando el flujo 14 de aire no fluye, la luz 36 retrodifundida tendrá la frecuencia f_{0} del láser 12. Sin embargo, si el flujo 14 de aire está fluyendo, la luz 36 retrodifundida estará sujeta a un desplazamiento Doppler a una nueva frecuencia f ligeramente alejada de la frecuencia f_{0} láser. Esto da como resultado que los anillos 56 concéntricos en el patrón 54 de interferencia producido por el interferómetro 18 Fabry-Perot se desplazan a radios ligeramente diferentes, creando así un desajuste con el filtro 20 espacial. Este desajuste produce una caída en la intensidad de la luz transmitida al fotodetector 22 y por tanto leída por el voltímetro 24. El nivel de caída de voltaje es proporcional al desplazamiento en frecuencia que es, a su vez, proporcional a la velocidad del flujo 14 de aire que fluye.

Por consiguiente, el método y aparato anteriores producen una medición de la velocidad de un flujo 14 de aire que fluye en la dirección del haz 34 reflejado. Sin embargo, se prefiere una modificación de este método y aparato para dar resultados más precisos.

En lugar de utilizar un interferómetro 18 Fabry-Perot que tiene una separación fija entre los espejos 46, 48 semirreflectantes, se prefiere utilizar un interferómetro 18 Fabry-Perot de barrido. La separación de los espejos 56, 58 semirreflectantes varía alrededor de una separación d media aplicando una fuerza uniforme a la periferia de uno de los espejos 56 semirreflectantes a través de un número de actuadores 66 electromecánicos (por ejemplo dispositivos piezoeléctricos). Los separadores 50 tienen propiedades semielásticas de modo que cuando se aplica fuerza al espejo 56 semirreflectante por los actuadores 66, la separación d cambia en una distancia mayor que la mitad de la longitud de onda de la luz 30, 34 desde el láser 12. Variar la separación d hace que los anillos 56 concéntricos en el patrón 54 de interferencia producido por el interferómetro 18 Fabry-Perot cambien de posición, como puede inferirse de la inspección de la ecuación (3).

Mediante el barrido del interferómetro 18 Fabry-Perot, pueden producirse patrones 54 de interferencia con anillos 56 concéntricos que hacen un barrido a través del filtro 20 espacial de tal manera que, a un valor particular, los anillos 56 concéntricos del patrón 54 de interferencia estarán en registro con los anillos 56 transparentes del filtro 20 espacial y el voltímetro 24 leerá un voltaje máximo. Mediante el barrido del interferómetro 18 Fabry-Perot a través del intervalo de frecuencia correspondiente al intervalo de las frecuencias Doppler esperadas, puede compensarse el cambio en el radio del anillo provocado por el desplazamiento Doppler en frecuencia mediante un desplazamiento igual y opuesto debido al voltaje aplicado a los actuadores 66. El registro de la lectura de voltaje mediante el voltímetro 24 en función del ajuste del interferómetro 18 Fabry-Perot da una representación gráfica de la frecuencia de la luz 36 retrodifundida frente al voltaje. El pico de esta curva define el desplazamiento de frecuencia debido al efecto Doppler y, por tanto, define la velocidad de la corriente 14 de aire.

Para lograr lo anterior, puede modificarse el sensor 10 de velocidad de aire de la figura 1 tal como se muestra en la figura 4. Partes iguales están marcadas con números de referencia iguales. Un ordenador 68 produce una salida 70 digital que se convierte en un voltaje 72 analógico mediante un convertidor 74 digital a analógico. El voltaje 72 analógico se aplica a los actuadores 66, realizando así barridos del interferómetro 18 Fabry-Perot. El voltaje 76 producido por el voltímetro 24 se digitaliza mediante un convertidor 79 analógico a digital antes de pasarse al ordenador 68. El ordenador 68 registra el voltaje 76 medido frente al voltaje 72 aplicado a los actuadores 66 con el fin de producir una representación gráfica de la intensidad de la luz frente al ajuste del interferómetro 18 Fabry-Perot. El ordenador 68 determina entonces la frecuencia de la luz 36 retrodifundida correspondiente al pico en la representación gráfica, teniendo en cuenta las características conocidas del interferómetro 18 Fabry-Perot y de otros componentes ópticos del sensor 10 de velocidad de aire (éstas pueden hallarse a partir de la calibración).

El sensor 10 de velocidad de aire descrito anteriormente funciona basándose en el supuesto de que el láser 12 produce una salida estable en un único modo óptico de la cavidad láser de tal manera que el espectro de frecuencia láser cubre una banda estrecha que corresponde aproximadamente al espectro de Fourier de la forma del pulso. Esto es necesario de modo que el espectro de frecuencias detectado corresponda en gran medida al espectro de desplazamientos Doppler producido por la dispersión desde la corriente 14 de aire (y modificado por las características del interferómetro 18 Fabry-Perot) con sólo una pequeña contribución del espectro del láser 12.

Los láseres pulsados que pueden funcionar de esta forma (es decir, con sólo un intervalo estrecho de frecuencias) lo hacen partiendo de la base de un interruptor Q simiente. Esta disposición usa un láser de estado sólido de interruptor Q que funciona normalmente en varios modos axiales de la cavidad láser simultáneamente. Esto conduce a luz producida simultáneamente en varias frecuencias correspondientes a los diferentes modos axiales. Para reducir las frecuencias a un intervalo estrecho centrado alrededor de un modo axial, se emplea un segundo láser para funcionar continuamente a una baja potencia (normalmente sólo algunos milivatios) pero sólo en un único modo del láser, produciendo así un haz de láser de salida que tiene un espectro de frecuencia muy estrecho. Tales dispositivos emplean elementos ópticos selectivos en frecuencia en la cavidad láser para garantizar el funcionamiento sólo en un modo, pero esto sólo puede lograrse para potencias bajas. Para aumentar la potencia, la salida de este láser que funciona continuamente se pasa a la cavidad del láser con interruptor Q y se sintoniza a una frecuencia próxima a uno de los modos axiales de la cavidad láser con interruptor Q. La salida del láser continuo se conoce como la potencia simiente. Cuando el interruptor Q funciona, el láser produce pulsos de salida pero sólo en el modo de cavidad ajustado en frecuencia al láser simiente. En consecuencia, los pulsos de salida tienen el espectro de frecuencia estrecho deseado.

Transferir un láser con interruptor Q simiente de este tipo a un avión no es deseable debido al peso, el espacio y la penalización de costes de tener dos láseres y sus ópticas asociadas. Además, hay un problema a la hora de garantizar que los dos láseres permanezcan acoplados entre sí en frecuencia debido a las vibraciones inherentes en un avión en vuelo. Por tanto, es preferible una disposición de láser único: puede realizarse como sigue.

La figura 5 muestra un láser 12' de neodimio:YLF con bombeo de diodos. Este láser 12' funciona en el tercer armónico de la transición láser de 1,064 \mum para producir luz 30 ultravioleta con una longitud de onda de 355 nm. Esto produce una gran cantidad de retrodispersión Rayleigh desde moléculas de aire a todas las altitudes operativas.

Tal como se ilustra en la figura 5, el láser 12' comprende un cristal 80 de neodimio:YLF con un revestimiento 82 de alta reflectividad que forma un espejo en un extremo. Este revestimiento 82 está optimizado para reflejar con la mayor intensidad alrededor de 1,064 \mum. Un espejo 84 de salida cóncavo parcialmente reflectante está previsto a una corta distancia desde el extremo no revestido del cristal 80a, con un interruptor 86 Q electroóptico interpuesto en medio. Los dos espejos 82, 84 están alineados para producir una cavidad 88 láser sobre el eje del cristal 80. Es conveniente hacer la longitud global de la cavidad 88 láser lo más corta posible de modo que los pulsos del láser sean de corta duración (algunos nanosegundos) con una alta potencia pico. El láser 12' se bombea con una serie 90 de diodos láser de alta potencia continuo que funcionan para producir luz de una longitud de onda de aproximadamente 810 nm que se enfoca mediante un sistema 92 de lentes en el cristal 80 a través del espejo 82 de extremo. El espejo 82 de extremo está diseñado para tener una alta transmisión a 810 nm además de estar optimizado para reflejar a 1,064 \mum.

El interruptor 86 Q se hace funcionar mediante una secuencia regular de pulsos eléctricos cortos suministrados por un generador 94 de pulsos lo que hace que el láser 12' genere pulsos de luz a aproximadamente 1,064 \mum. Los pulsos normalmente tienen una potencia pico de varios kilovatios y una frecuencia de repetición de pulsos de 10.000 a 50.000 pulsos por segundo. El haz 96 que emerge del espejo 84 parcialmente reflectante se enfoca mediante una lente 98 en un cristal 100 no lineal que produce el segundo y tercer armónicos de la longitud de onda de entrada. Se utiliza un filtro 102 para seleccionar el tercer armónico a 355 nm, mientras que se descartan las otras longitudes de onda. Por tanto, un haz 104 pulsado con una potencia media de alrededor de 100 mW se produce con un espectro de frecuencia estrecho centrado sobre una longitud de onda de 355 nm. Los pulsos 104 tienen una frecuencia de repetición de pulsos para ajustarse a la del generador 94 de pulsos, una duración de pulsos de algunos nanosegundos y una potencia pico de alrededor de 1 kW. Estos pulsos 104 se pasan al espejo plano para reflejarse de modo que iluminan el flujo 14 de aire que fluye.

El haz 104 pulsado contendrá varias frecuencias láser muy próximas separadas por intervalos f_{1} de frecuencia iguales que vienen dados por

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donde t_{1} es el tiempo que tarda la luz en desplazarse entre los espejos 82, 84, teniendo en cuenta los índices de refracción del cristal 80 y el interruptor 86 Q. Cada una de las frecuencias producirá su propio patrón 54 de interferencia de anillos 56 concéntricos y éstos se combinarán para formar un patrón en el plano del filtro 20 espacial que no tenga patrones anulares regulares. Por consiguiente, no habrá variación dependiente de la frecuencia en la intensidad de la luz incidente sobre el fotodetector 22 que es resultado del barrido del interferómetro 18 Fabry-Perot.

Esto puede solucionarse ajustando la separación d media de los espejos semirreflectantes según la siguiente ecuación

ec. (5)d = ct_{1}

En este caso, todas las frecuencias en el haz 104 láser producen patrones 56 anulares en el plano del filtro 20 espacial que tienen radios casi idénticos, produciendo así la misma variación en la intensidad de la luz sobre el fotodetector 22 mientras se hace el barrido del interferómetro 18 Fabry-Perot.

Esto nos lleva de vuelta a la posición como si estuviese utilizándose un láser 12 que emite luz pulsada a sólo una frecuencia. El mismo rendimiento con respecto a la precisión de la medición de la velocidad del aire puede obtenerse por tanto utilizando un láser 12' multimodo simple con interruptor Q en lugar de tener que utilizar la disposición más compleja de un láser simiente con interruptor Q.

Resultará evidente con facilidad para los expertos en la técnica que son posibles variaciones de la realización descrita anteriormente sin apartarse del alcance de la invención definida en las reivindicaciones adjuntas.

Por ejemplo, resultará evidente que la presente invención no está limitada a la aplicación en aviones únicamente, sino que puede emplearse en cualquier situación en la que se requiera una determinación de la velocidad de un gas. Por ejemplo, el sensor con base en tierra que mide velocidades del aire en la atmósfera descrito en la introducción podría beneficiarse de muchas características de la presente invención. Por supuesto, la presente invención no está limitada a una medición de velocidades del aire, sino que puede utilizarse para medir la velocidad de cualquier número de gases. Claramente, se requiere la retrodispersión del gas para que la longitud de onda de la luz utilizada para iluminar el gas se ajuste mejor a una intensidad de dispersión óptima. Si un gas no dispersa la luz con intensidad, pueden introducirse partículas en el flujo de gas que dispersan la luz con intensidad.

La realización con el interferómetro 18 Fabry-Perot ajustable descrita anteriormente sólo hace un barrido de la separación d del interferómetro 18 Fabry-Perot para identificar el desplazamiento Doppler de la luz 36 retrodifundida. Sin embargo, un bucle de retroalimentación activo podría utilizarse de modo que el ordenador 68 controle la separación d de los espejos 46, 48 semirreflectantes para garantizar que se mide una intensidad pico de la luz por el voltímetro 24. Por ejemplo, el ordenador 68 puede aumentar o disminuir sistemáticamente la separación d de los espejos 46, 48 semirreflectantes para maximizar el voltaje leído por el voltímetro 24. La frecuencia de la luz 36 retrodifundida, y por tanto la velocidad del flujo 14 de aire, pueden inferirse entonces a partir del voltaje ajustado en los actuadores 66 que produce la lectura pico del voltímetro. Alternativamente, puede utilizarse un bucle de retroalimentación de modo que la salida del voltímetro 24 se mantenga a un nivel constante que es una fracción fija del valor pico. Mantener un voltaje igual a la mitad del voltaje pico ha resultado ser ventajoso porque trazar un gráfico del voltaje producido por el voltímetro 24 frente al desplazamiento Doppler produce una curva con un gradiente máximo alrededor de la mitad del voltaje pico. Funcionar en esta región de alto gradiente significa una precisión mejorada de la medición. Este modo de funcionamiento puede implementarse como sigue.

Inicialmente, el ordenador 68 produce una secuencia de incrementos 72 de paso de voltaje para los actuadores 66 alterando así la separación de los espejos 46, 48 en incrementos escalonados. La salida 76 del voltímetro se mide mediante el ordenador 68 en función del voltaje de accionamiento ajustado sobre los actuadores 66 para trazar una curva de la intensidad de la luz en función de la frecuencia Doppler. El ordenador 68 identifica el valor pico de la curva y ajusta la separación d de los espejos hasta que la señal 76 del voltímetro es igual a la mitad del valor pico. El ordenador 68 ajusta entonces continuamente el voltaje 72 que se pasa a los actuadores para mantener el mismo valor en la señal 76 de voltímetro. El voltaje 72 es proporcional al desplazamiento Doppler en frecuencia y, por tanto, a la velocidad del aire y, por tanto, el ordenador 68 puede determinar la velocidad del aire. El ordenador 68 está programado para volver a muestrear la señal 76 pico del voltímetro periódicamente. Esto se debe a que la intensidad de la luz 36 retrodispersada que pasa a través del sensor 10 de velocidad de aire cambia lentamente debido en parte a los cambios en la potencia de salida del láser 12 y debido en parte a cambios en la densidad del aire (por ejemplo, debido a un cambio en la altitud).

La realización de la figura 5 usa un segundo generador 94 de pulsos para hacer funcionar el interruptor 86 Q. El otro generador 28 de pulsos podría usarse naturalmente para hacer funcionar el interruptor 86 Q a través de su señal 62 además de hacer funcionar la compuerta 26, eliminando así la necesidad de un segundo generador de pulsos. Además, el ordenador 68 podría cumplir el papel de los generadores 28 de pulsos, 94, es decir, el ordenador 68 podría usarse para generar la señal 62 de sincronismo pulsada.

Claims (23)

1. Sensor de velocidad de gas que comprende:

una fuente de radiación electromagnética que puede hacerse funcionar para iluminar un gas en movimiento;

un fotodetector que puede hacerse funcionar para detectar radiación electromagnética dispersada desde el gas;

una trayectoria óptica que enlaza el gas con el fotodetector;

un interferómetro situado sobre la trayectoria óptica, teniendo el interferómetro una entrada para recibir radiación electromagnética dispersada por el gas y una salida para producir un patrón de interferencia cuando el interferómetro está iluminado; y

un filtro espacial situado sobre la trayectoria óptica en un plano focal de una salida del interferómetro, teniendo el filtro espacial zonas que son relativamente transparentes y relativamente opacas que forman una estructura correspondiente a un patrón de interferencia producido por el interferómetro,

en el que el fotodetector puede hacerse funcionar para emitir una señal indicativa de la intensidad de radiación dispersada que emerge del filtro espacial y por tanto de la velocidad relativa del gas.

2. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 1, en el que el interferómetro es un interferómetro Fabry-Perot.

3. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 2, en el que el filtro espacial tiene una estructura anular correspondiente al patrón de interferencia producido por el interferómetro Fabry-Perot cuando se ilumina con radiación electromagnética a la longitud de onda de la fuente de radiación electromagnética.

4. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que el interferómetro Fabry-Perot tiene un espejo que puede moverse de manera controlable.

5. Sensor de velocidad de gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de radiación electromagnética es un láser que puede hacerse funcionar para producir radiación ultravioleta.

6. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 5, en el que el interferómetro comprende un par de espejos y el láser comprende una cavidad láser, ajustándose la separación de los espejos para ser igual al tiempo que tarda la luz en desplazarse por la longitud de la cavidad láser multiplicado por la velocidad de la luz.

7. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 6, en el que el láser es un láser de neodimio:YLF, teniendo dicho láser una cavidad láser que comprende un cristal y un interruptor Q unido en un extremo mediante un espejo de entrada y en el otro extremo mediante un espejo de salida, y en el que el espejo de entrada está optimizado para reflejar a 1,064 \mum y para transmitir a 810 nm.

8. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 7, en el que el espejo de salida es semirreflectante y en el que el sensor de velocidad de gas comprende además un cristal no lineal y un filtro dispuesto de tal manera que, en uso, la salida de luz por el espejo de salida incide en primer lugar sobre el cristal no lineal y después sobre el filtro, en el que el filtro transmite luz sustancialmente en el tercer armónico y rechaza luz a otras longitudes de onda.

9. Sensor de velocidad de gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una óptica de captación para convertir radiación dispersada recibida en un haz sustancialmente colimado para su introducción en el interferómetro.

10. Sensor de velocidad de gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un filtro de banda estrecha situado sobre la trayectoria óptica en el lado de entrada del interferómetro.

11. Sensor de velocidad de gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una compuerta configurada para recibir una señal desde el fotodetector y enviar una señal a un voltímetro.

12. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 11, que comprende además un controlador que puede hacerse funcionar para producir salida de radiación electromagnética pulsada desde la fuente de radiación electromagnética y que además puede hacerse funcionar para abrir la compuesta en un momento correspondiente a la recepción de un pulso dispersado de dicha radiación pulsada.

13. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 12, que comprende además un circuito de retardo de tiempo configurado para recibir una señal desde el controlador y pasar una señal retardada en el tiempo a la compuerta, estando el sensor habilitado de este modo para su uso en la determinación de la velocidad del gas a una distancia desde el sensor correspondiente al retardo de tiempo.

14. Sensor de velocidad de gas según la reivindicación 11 cuando es dependiente de la reivindicación 4, que comprende además un ordenador, en el que el ordenador puede hacerse funcionar para controlar el movimiento del espejo que puede moverse de manera controlada y para recibir una señal de voltaje correspondiente desde el voltímetro.

15. Sensor de velocidad de gas según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el sensor de velocidad de gas es un sensor de velocidad de aire instalado en un avión.

16. Método de determinación de la velocidad de un gas, que comprende las etapas de:

iluminar el gas con radiación electromagnética;

captar radiación electromagnética dispersada por el gas de modo que al menos parte de la radiación electromagnética dispersada proporcione una entrada a un interferómetro;

pasar al menos parte de la salida de radiación electromagnética por el interferómetro a través de un filtro espacial ubicado en un plano focal de dicha radiación de salida, teniendo el filtro espacial zonas que son relativamente transparentes y relativamente opacas que forman una estructura correspondiente a un patrón de interferencia producido por el interferómetro; y

detectar la intensidad de radiación electromagnética emitida desde el filtro espacial, siendo dicha intensidad indicativa de la velocidad del gas.

17. Método según la reivindicación 16, que comprende además la etapa de iluminar el gas con luz ultravioleta.

18. Método según la reivindicación 16 o la reivindicación 17, que comprende además la etapa de pasar la radiación electromagnética captada a través de una óptica de captación para producir un haz sustancialmente colimado que se pasa al interferómetro.

19. Método según la reivindicación 18, que comprende además la etapa de pasar el haz sustancialmente colimado a través de un filtro de banda estrecha antes de pasar el haz sustancialmente colimado al interferómetro.

20. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, en el que el interferómetro tiene un par de espejos, al menos uno que puede moverse, comprendiendo además el método la etapa de mover el espejo que puede moverse de modo que la separación entre los espejos varíe y medir la salida del fotodetector a una pluralidad de separaciones de espejo.

21. Método según la reivindicación 20, que comprende además la etapa de ajustar la separación de los espejos para obtener una salida máxima desde el fotodetector.

22. Método según la reivindicación 20 o la reivindicación 21, que comprende además las etapas de enviar un voltaje a un actuador para realizar un movimiento del espejo que puede moverse y registrar el voltaje producido por el fotodetector en función del voltaje aplicado al actuador.

23. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, en el que el filtro espacial tiene una estructura correspondiente a un patrón de interferencia producido por el interferómetro cuando se ilumina con radiación electromagnética con una longitud de onda correspondiente a la utilizada para iluminar el gas.