FR2639124A1 - Velocimetre doppler optique a faisceau de reference pour des mesures multidimensionnelles - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne la vélocimétrie Doppler. Un vélocimètre à laser de type multidimensionnel comprend des moyens de décalage de fréquence 7 destinés à diviser en au moins deux faisceaux un faisceau laser provenant d'une seule source de lumière 6, et à décaler d'une valeur de décalage prédéterminée les fréquences optiques des faisceaux; des moyens photodétecteurs 14, 15 qui reçoivent le faisceau réfléchi par l'objet mesuré 5 et un faisceau de référence, pour produire un courant de détection; et un filtre passe-bande qui filtre le courant de détection pour fournir le signal désiré en éliminant des composantes de diaphonie. Application à la mesure de vibrations.
Description
La présente invention concerne un vélocimètre Doppler à laser destiné à
émettre un faisceau laser
sur un objet à mesurer, dans le but de mesurer la vi-
tesse et/ou le déplacement de l'objet au moyen du dé-
calage de la fréquence du faisceau, c'est-à-dire le décalage Doppler, et elle porte plus particulièrement sur un appareil de mesure conçu de façon qu'un seul dispositif de mesure puisse mesurer simultanément un
vecteur vitesse bidimensionnel ou tridimensionnel.
Habituellement, lotsqu'on mesure un vecteur vi-
tesse bidimensionnel ou tridimensionnel, on combine
deux ou trois vélocimètres unidimensionnels, et on ef-
fectue un calcul basé sur les signaux de sortie des vélocimètres pour déterminer le vecteur vitesse. Dans ce cas, la taille et le coût de chaque appareil sont
défavorablement augmentés proportionnellement au nom-
bre de dimensions, et on doit effectuer un positionne-
ment très précis d'une sonde de mesure pour chacune
des opérations de mesure. A titre d'exemple, un vélo-
cimètre multidimensionnel utilisant une fibre optique et un ensemble de vélocimètres unidimensionnels est décrit dans la publication provisoire de brevet du
Japon n 93258/1982. Il apparaît cependant les prôblé-
mes suivants dans la réalisation pratique d'une telle
mesure multidimensionnelle.
Dans le but d'augmenter la résolution concer-
nant une partie à mesurer, on focalise des faisceaux
provenant des sondes dans les vélocimètres, pour for-
mer une trace ponctuelle. Du fait que dans de nombreux cas une cible constituant un objet à mesurer consiste
en une surface qui diffuse des faisceaux, des faisc-
ceaux diffusés provenant d'une sonde de mesure donnée sont focalisés sous la forme de faisceaux parasites
dirigés vers une autre sonde, ce qui produit un phéno-
mène de diaphonie entre les sondes. Du fait qu'on ne peut pas séparer cette composante de diaphonie par rapport à un signal d'origine, on ne peut pas mesurer
une vitesse en pratique. On décrira ci-après ce phéno-
mène en se référant à la figure 1.
La figure 1 montre une configuration de me- sure d'une vitesse bidimensionnelle. En considérant la figure 1, on note qu'une particule diffusante 5 qui est un objet à mesurer, présente un vecteur vitesse V. Le vecteur vitesse V est décomposé en un vecteur vitesse dans la direction x, Vx, et en un vecteur vitesse dans la direction y, Vy. Lorsque des faisceaux laser ayant des pulsations c1 et W2 sont émis par deux sondes de mesure 1 et 2 qui forment respectivement des angles
+ " par rapport au vecteur Vy, on obtient des compo-
santes de décalage de pulsation Doppler wx et Bey qui sont les suivantes: Aàx = 2.K.Vx.sino...(1) Awy = 2.K.Vy.cos-..(2) Dans ces relations, K est la norme d'un vecteur d'onde
de chaque faisceau laser, et Vx et Vy sont respective-
ment les normes des vecteurs vitesse. Une composante de décalage Doppler Aw151 d'un faisceau de signal qui passe par un chemin 1-0 5 -4 1 et une décomposante de décalage Doppler Aw251 d'un faisceau de diaphonie qui
passe par un chemin 2-P 5 - 1 sont définies de la fa-
çon suivante: ai5i =AWx - tIU I W151 =,àwx - &uy...(3) t 251 = (W 2 - I1) ' *y-(4) Lorsqu'on utilise deux faisceaux laser indépendants à
titre de source de lumière pour deux axes, une diffé-
rence entre les pulsations optiques C)2 - W1 des deux
faisceaux laser s'ajoute à une composante de diaphonie.
De façon générale, du fait que la différence entre les pulsations optiques >2 - W1 de deux faisceaux laser individuels varie dans une large mesure et de façon aléatoire au cours du temps, la pulsation AW 251 de la
composante de diaphonie varie de façon irrégulière.
Même si on peut réaliser 'la condition W2 = Xl, la re-
lation entre les valeurs des deux composantes de dé-
calage Doppler &w151 et AW251 change en fonction des directions des vecteurs vitesses, et on ne peut pas
séparer la seule composante de signal d'origine 4A151.
Pour cette raison, il est impossible en pratique de
combiner un ensemble de vélocimètres & laser unidimen-
sionnels, utilisant chacun un laser tel qu'un laser He-Ne permettant de sélectionner une seule fréquence pour une source lumineuse, et d'effectuer une mesure
multidimensionnelle.
Pour résoudre ce problème, on a utilisé deux
types de laser ayant apparemment des fréquences dif-
férentes. Ce procédé exige cependant d'employer un laser de très grandEsdimensionset très coûteux, tel qu'un laser ionique à l'argon, et il est impossible d'éliminer un inconvénient qui consiste en ce que le coût est augmenté proportionnellement au nombre d'axes.
L'invention a pour but de procurer un vélo-
cimètre Doppler à laser de dimensions réduites, du type à faisceau de référence, comportant une seule source de lumière, qui permet d'effectuer une mesure de vitesse multidimensionnelle et qui est capable
d'éliminer un inconvénient qui consiste dans l'impos-
sibilité d'effectuer la mesure avec un vélocimètre
multidimensionnel classique, réalisé par la combinai-
son de plusieurs vélocimètres unidimensionnels, lors-
qu'un faisceau de diaphonie se manifeste.
Pour atteindre le but précité, l'invention procure un vélocimètre Doppler à laser comprenant des moyens de décalage de fréquence destinés à diviser en deux faisceaux, ou plus, un faisceau laser provenant
d'une source source de lumière, et à décaler d'une va-
leur de décalage prédéterminée la fréquence optique de chacun des faisceaux, grâce à quoi les fréquences op-
tiques des faisceaux sont fixées à des valeurs mutuel-
lement différentes, pour permettre d'utiliser les faisceaux à titre de faisceaux de mesure respectifs, et d'utiliser chacun des faisceaux à titre de faisceau de référence ayant une fréquence optique différente de
celle du faisceau de mesure qui est utilisé conjointe-
ment au faisceau de référence, et des moyens photodé-
tecteurs destinés à recevoir des faisceaux qui sont
réfléchis par un objet à mesurer et le faisceau de ré-
férence, pour obtenir un courant de détection, et un
filtre passe-bande qui transmet le courant de détec-
tion pour fournir un signal désiré.
Du fait qu'on utilise une seule source de lumière et plusieurs faisceaux obtenus en décalant d'intervalles égaux la fréquence optique de la source,
et du fait que les faisceaux font mutuellement fonc-
tion de faisceau de mesure et de faisceau de référen-
ce, il est possible d'effectuer une mesure de vitesse
multidimensionnelle avec un seul appareil. La sépara-
tion de fréquence permet d'éliminer la diaphonie entre
les sondes.
L'invention sera mieux comprise à la lecture
de la description qui va suivre de modes de réalisa-
tion, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La
suite de la description se réfère aux dessins annexés
sur lesquels: La figure 1 est une représentation destinée à l'explication desfaisceauxde signal et de diaphonie dans une mesure de vitesse bidimensionnelle utilisant un appareil de mesure classique; La figure 2 est une représentation montrant
une configuration d'un système optique dans un véloci-
mètre bidimensionnel conforme à l'invention; La figure 3 est une représentation montrant un système de traitement de signal dans le vélocimètre bidimensionnel qui est représenté sur la figure 2; La figure 4 est une représentation montrant
une configuration d'un système optique dans un véloci-
mètre tridimensionnel conforme & l'invention; La figue 5 est une représentation montrant
une configuration de sondes dans le vélocimètre tridi-
mensionnel qui est représenté sur la figure 4; La figure 6 est une représentation montrant un spectre de pulsation à chaque point des sondes qui sont représentées sur la figure 5; et La figure 7 est une représentation montrant une configuration obtenue lorsqu'on utilise une fibre
optique à l'extrémité de chaque sonde.
La figure 2 montre une configuration d'un
vélocimètre bidimensionnel. Ce vélocimètre bidimen-
sionnel comprend une source de lumière laser 6, un dé-
flecteur de lumière à ultrasons 7 qui remplit la fonc-
tion d'un dispositif de décalage de fréquence, un cir-
cuit d'attaque 8 pour le déflecteur de lumière à ul-
trasons 7, des miroirs semi-réfléchissants 9, 10, 11 et 12, une lentille 13, des photodétecteurs 14 et 15, utilisant chacun par exemple une photodiode PIN ou un dispositif APD, et des sondes de mesure 1 et 2. Un
faisceau qui est produit par la source de lumière la-
ser 6, avec une pulsation W0, est divisé en deux
faisceaux de diffraction, à savoir des faisceaux d'or-
dre 0 et du premier ordre. On désigne par wo la pul-
sation du faisceau de diffraction d'ordre 0 (faisceau non diffracté). Le faisceau de diffraction du premier
ordre subit un décalage de pulsation d'une valeur éga-
le à la pulsation d'attaque L du circuit d'attaque 8, pour donner une pulsation W + CL. De plus, on prédétermine les pulsations de façon à satisfaire les
relations WL " AWx et WL " AyW.
On va maintenant décrire le chemin d'un
faisceau lumineux qui arrive sur le photodétecteur 14.
Un faisceau qui est émis par la sonde 1, ayant une pulsation W0 + WL, est soumis à un décalage
Doppler sur un chemin 1--45-- 1, pour donner un fais-
ceau de signal ayant une pulsation W0 + îL + -wx -
Ay. Ce faisceau de signal tombe sur le photodétecteur 14. Simultanément, un faisceau de diaphonie ayant une pulsation ò - Awy, qui a suivi un chemin 2 - 5-t 1, tombe également sur le photodétecteur 14. De plus, un faisceau de référence ayant une pulsation w0, qui est séparé par le miroir semi-réfléchissant 11, tombe sur le photodétecteur 14 en étant réfléchi par le miroir
semi-réfléchissant 10. Dans ces conditions, l'intensi-
té du faisceau de référence est fixéede façon à être
suffisamment supérieure à celle du faisceau de signal.
Il en résulte qu'une composante de signal ayant une pulsation L + AUx Aỳ, qui a suivi le chemin 1 5 - 1--, et une composante de diaphonie.Ay apparaissent sous la forme d'un courant de détection du photodétecteur 14. Lorsque ce courant de détection
est transmis par le filtre passe-bande dont la pulsa-
tion centrale est pratiquement égale à AVL, la compo-
sante de diaphonie est éliminée du courant de détec-
tion, du fait que CL " AUWx et XL " &wy. Le photodé-
tecteur détecte également une pulsation qui est égale
à la différence entre les composantes tw151 et AW251.
Cependant, du fait que l'intensité de signal des deux composantes est suffisamment inférieure à celle du
faisceau de référence, ces composantes sont éliminées.
De façon similaire, il apparaît dans le photodétecteur une composante de signal A4L +AWx + Aw y qui a
suivi le chemin 2 - 5-* 2, et une composante de dia-
phonie Awy, et la composante de diaphonie est élimi-
née par le filtre passe-bande.
La figure 3 représente un système de traite- ment de signal qui est conçu de façon à déterminer un
vecteur vitesse.
Les courants de détection que fournissent
respectivement les deux photodétecteurs 14 et 15 pas-
sent par les filtres passe-bande 16 et 17, ayant cha-
cun une pulsation centrale LuL, et les composantes de diaphonie de ces courants sont éliminées. Ensuite, ces
courants passent respectivement par des discrimina-
teurs de fréquence 18 et 19 qui sont destinés à con-
vertir un décalage de fréquence en une tension. Du
fait que les signaux de sortie v1 et v2 des discrimi-
nateurs de fréquence 18 et 19 sont respectivement pro-
portionnels à Vx - Vy et Vx + Vy, on détermine la som-
me et la différence des signaux de sortie vl et v2, respectivement au moyen d'un additionneur 20 et d'un soustracteur 21. On peut donc obtenir des composantes de vitesse Vx et VY dans les directions x et y, sous
la forme de tensions Vx et vy, avec également une in-
formation de direction.
La figure 4 montre une configuration pour
une mesure tridimensionnelle.
Fondamentalement,-on combine les deux vélo-
cimètres bidimensionnels considérés ci-dessus, de fa-
çon qu'ils soient mutuellement perpendiculaire dans
cette configuration. Cependant, contrairement à la me-
sure bidimensionnelle, on utilise dans cette configu-
ration un total de trois déflecteurs de lumière ultra-
sonores 22, 23 et 24 ayant deux types de fréquences d'attaque. Les déflecteurs de lumière ultrasonores 23 et 24 sont attaqués avec une pulsation 2<oL égale au
double de la pulsation COL pour l'attaque du déflec-
teur ultrasonore 22. Les sondes 1, 2, 3 et 4 émettent
respectivement quatre faisceaux. Les pulsations opti-
ques W1, W2,Co3 et W4 des quatre faisceaux présen- tent entre elles des différences WOL, dans l'ordre indiqué. Ces faisceaux sont émis dans des directions correspondant aux côtés obliques d'une pyramide à base quadrangulaire, comme représenté sur la figure 5. Des faisceaux qui sont diffusés par un objet 5 à mesurer, qui se trouve au sommet de la pyramide, sont captés sous la forme de faisceaux réfléchis sur
un seul côté respectif. Les faisceaux réfléchis rem-
plissent la fonction de faisceau de signal. Des fais-
ceaux de référence ayant chacun une pulsation qui diffère de 2tWL de celles des faisceaux de signal,
sont séparés des faisceaux par des miroirs semi-ré-
fléchissants.
La figure 6 montre des composantes de pul-
sation pour le faisceau de signal, le faisceau de diaphonie et le faisceau de référence, ainsi que le
courant de détection. Sur la figure 6, des composan-
tes spectrales dessinées en noir représentent des composantes qui sont obtenues & partir des faisceaux de signal, et des composantes spectrales hachurées
représentent des composantes qui sont obtenues à par-
tir du faisceau de diaphonie. Lorsque chaque courant de détection traverse le filtre passe-bande ayant une
pulsation centrale de 2 WL, il est possible d'élimi-
ner les composantes de diaphonie. Les signaux de dé-
tection provenant des sondes 1 et 3 comprennent res-
pectivement des composantes de vitesse dans les di-
rections x et y, et les signaux de détection prove-
nant des sondes 2 et 4 contiennent respectivement des composantes de vitesse dans les directions y et z.
De la même manière que dans la mesure de vitesse bi-
dimensionnelle, les composantes passent par les dis-
criminateurs de fréquence, et un calcul est effectué pour obtenir des vecteurs vitesses tridimensionnels (x, vy et z. Comme le montre la figure 7, dans le but d'obtenir une taille réduite et une bonne aptitude à
la mise en oeuvre pratique, on peut utiliser une fi-
bre optique 29 à titre de partie d'extrémité de cha-
que sonde, pour guider les faisceaux laser vers les
sondes 1 et 2.
Comme décrit ci-dessus, et conformément à l'invention, on peut effectuer une mesure même en présence de diaphonie, alors que la diaphonie empêche
d'effectuer une mesure dans le vélocimètre multidi-
mensionnel classique utilisant plusieurs vélocimètres unidimensionnels. On n'a besoin que d'un seul laser remplissant la fonction d'une source de lumière, et le nombre de déflecteurs de lumière à ultrasons est
faible. On peut donc réaliser un vélocimètre multidi-
mensionnel ayant un faible coût et une petite taille.
De plus, du fait que ce vélocimètre est d'un type à faisceau de référence, on peut obtenir un
faisceau de signal dans une région autre qu'une ré-
gion dans laquelle des faisceaux de mesure se coupent.
Pour cette raison, le vélocimètre conforme à l'inven-
tion a une dynamique plus étendue que celle du vélo-
cimètre différentiel à deux faisceaux, de type clas-
sique, qui ne peut mesurer une vitesse que dans une
région dans laquelle les faisceaux de mesure se cou-
pent. Cet avantage est très important pour mesurer les vibrations tridimensionnelles d'une substance solide.
Il va de soi que de nombreuses modifica-
tions peuvent être apportées au dispositif décrit et
représenté, sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (10)
1. Vélocimètre Doppler optique à laser, du type à faisceau de référence, conçu pour émettre au moins deux faisceaux de mesure vers un objet (5) à mesurer, sous un angle prédéterminé, pour mesurer de façon multidimensionnelle un vecteur vitesse et/ou de déplacement de l'objet, au moyen du décalage Doppler
de faisceaux qui sont réfléchis par l'objet (5), ca-
ractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de déca-
lage de fréquence (7) destinés à diviser un faisceau laser provenant d'une seule source de lumière (6) en au moins deux faisceaux, et à décaler les fréquences optiques des faisceaux, avec une valeur de décalage prédéterminée pour chaque faisceau, grâce & quoi les
fréquences optiques des faisceaux sont fixées de fa-
çon à être mutuellement différentes, pour utiliser respectivement les faisceaux à titre de faisceau de mesure et pour utiliser chaque -faisceau à titre de faisceau de référence ayant une fréquence optique différente de celle du faisceau de mesure qui est utilisé conjointement au faisceau de référence; des moyens photodétecteurs (14, 15) destinés à recevoir le faisceau réfléchi et le faisceau de référence pour
produire un courant de détection; et un filtre passe-
bande (16, 17) dans lequel on fait passer le courant
de détection pour obtenir un signal désiré.
2. Vélocimètre selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'on utilise un déflecteur de lu-
mière à ultrasons (7) pour les moyens de décalage de
fréquence.
3. Vélocimètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence d'attaque (UWL)
pour le déflecteur de lumière à ultrasons (7) corres-
pond à la valeur de décalage prédéterminée de la fré-
quence optique de chacun des faisceaux.
4. Vélocimètre selon la revendication 3,
caractérisé en ce que le déflecteur de lumière à ul-
trasons (7) produit un faisceau de diffraction d'or-
dre 0 (faisceau non diffracté), dont la fréquence op-
tique n'est pas décalée, et un faisceau de diffrac- tion du premier ordre, dont la fréquence optique est décalée d'une valeur égale à la fréquence d'attaque, grâce à quoi chacun des faisceaux est utilisé à titre de faisceau de référence lorsque l'autre est utilisé
à titre de faisceau de mesure.
5. Vélocimètre selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la valeur de décalage prédéter-
minée ( WL) de la fréquence optique de chacun des faisceaux est suffisamment supérieure à la valeur de décalage qui résulte du décalage de fréquence Doppler
du faisceau réfléchi.
6. Vélocimètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau réfléchi qui est soumis au décalage Doppler retourne en suivant un chemin qui est utilisé lorsque le faisceau de mesure est projeté sur l'objet (5), le faisceau réfléchi est projeté sur les moyens photodétecteurs (14, 15) sous la forme d'un faisceau de signal, et le faisceau de référence est projeté sur les moyens photodétecteurs
(14, 15).
7. Vélocimètre selon la revendication 6,
caractérisé en ce que l'intensité lumineuse du fais-
ceau de référence est suffisamment supérieure à celle
du faisceau de signal.
8. Vélocimètre selon la revendication 1,
caractérisé en ce que la valeur de décalage prédéter-
minée ( WL) de la fréquence optique de chaque fais-
ceau qui est décalé par les moyens de décalage de fréquence (7) est contenue à l'intérieur de la bande
passante du filtre passe-bande (16, 17).
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9. Vélocimètre selon la revendication 3,
caractérisé en ce que quatre faisceaux dont les fré-
quences optiques sont respectivement décalées de WL, sont respectivement utilisés à titre de faisceau de mesure, et chacun des quatre faisceaux est utilisé a titre de faisceau de référence ayant une fréquence optique décalée de 2 XL par rapport à la fréquence
optique de chaque faisceau de mesure.
10. Vélocimètre selon la revendication 9,
caractérisé en ce qu'il comprend des premier à troi-
sième déflecteurs de lumière à ultrasons (22, 23,
24), dans lesquels des faisceaux de diffraction d'or-
dre 0 et du premier ordre, qui sont émis par le pre-
mier déflecteur de lumière à ultrasons (22) qui re-
çoit un faisceau laser provenant d'une seule source de lumière (6), et qui est attaqué avec une pulsation
égale à WL, sont respectivement projetés sur les se-
cond et troisième déflecteurs de lumière à ultrasons (23, 24), qui sont attaqués avec une pulsation égale à 2 WL, et ces second et troisième déflecteurs de lumière à ultrasons (23, 24) émettent respectivement des faisceaux de diffraction d'ordre 0 et du premier ordre pour produire les quatre faisceaux de mesure et le faisceau de référence, et la pulsation 2WL
est contenue dans la bande passante du filtre passe-
bande.
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