RU2108585C1 - Method of velocity vector laser measurement - Google Patents

Method of velocity vector laser measurement Download PDF

Info

Publication number
RU2108585C1
RU2108585C1 RU95115737A RU95115737A RU2108585C1 RU 2108585 C1 RU2108585 C1 RU 2108585C1 RU 95115737 A RU95115737 A RU 95115737A RU 95115737 A RU95115737 A RU 95115737A RU 2108585 C1 RU2108585 C1 RU 2108585C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
velocity vector
frequencies
measured
scattered
beams
Prior art date
Application number
RU95115737A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU95115737A (en
Inventor
П.Я. Белоусов
Ю.Н. Дубнищев
В.Г. Меледин
Original Assignee
Институт теплофизики СО РАН
Белоусов Петр Яковлевич
Дубнищев Юрий Николаевич
Меледин Владимир Генриевич
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт теплофизики СО РАН, Белоусов Петр Яковлевич, Дубнищев Юрий Николаевич, Меледин Владимир Генриевич filed Critical Институт теплофизики СО РАН
Priority to RU95115737A priority Critical patent/RU2108585C1/en
Publication of RU95115737A publication Critical patent/RU95115737A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2108585C1 publication Critical patent/RU2108585C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: experimental hydrodynamics and aerodynamics. SUBSTANCE: laser beams which form probing fields with preset sensitivity vectors are directed to area under examination, light beams scattered in probing field are separated, and their photoelectric conversion is performed. Electric signals with frequencies corresponding to projections of velocity vector on preset sensitivity vectors are selected. Frequencies of selected electric signals are measured and transformed to values of respective components of velocity vector by means of known linear conversions determined by spatial configuration of probing field sensitivity vectors. Mutually orthogonal components of velocity vector are determined by subtraction and summing up in pairs of frequencies of electric signals corresponding to velocity vector projections on sensitivity vectors in selected pair. Moduli of these sensitivity vectors are preset to be equal. Summary or difference frequency of component of square-converted signal corresponding to heterodyne photomixing of superposition of light beams scattered in direction of bisectrix of angle between probing laser beams, is measured in differential configuration of laser beams. Summary or difference frequency of component of square- converted signal corresponding to heterodyne photomixing of light beams scattered in directions symmetrical relative to measured component of velocity vector and coplanar to it. EFFECT: higher measurement results. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в экспериментальной гидро- и аэродинамике, исследовании однофазных и многофазных сред, а также в промышленных технологиях, связанных с необходимостью невозмущающего контроля параметров механического движения. The invention relates to the field of measuring technology and can find application in experimental hydro- and aerodynamics, the study of single-phase and multiphase media, as well as in industrial technologies associated with the need for non-disturbing control of the parameters of mechanical motion.

Известны способы измерений вектора скорости. В [1] описан способ измерения вектора скорости, заключающийся в том, что в исследуемую среду направляются три зондирующих лазерных пучка, которые пересекаются под прямыми углами друг к другу, выделяются рассеянные пучки по направлениям, обратным направлениям зондирующих лучей, выполняют гетеродинное фотоэлектрическое преобразование каждого из трех выделенных рассеянных пучков и измеряют частоты полученных сигналов, являющиеся известными линейными функциями компонент скорости по направлениям векторов чувствительности, каждый из которых является разностью волновых векторов выделенного рассеянного пучка и соответствующего зондирующего лазерного луча. Known methods for measuring the velocity vector. In [1], a method for measuring the velocity vector is described, which consists in sending three probing laser beams that intersect at right angles to each other, scattered beams are allocated in directions opposite to the directions of the probing beams, and heterodyne photoelectric conversion of each three selected scattered beams and measure the frequencies of the received signals, which are known linear functions of the velocity components in the directions of the sensitivity vectors, each of which is the difference of the wave vectors of the extracted scattered beam and the corresponding probing laser beam.

Основным недостатком этого способа является большой телесный угол, занимаемый совокупной пространственной конфигурацией зондирующих лазерных лучей, что ограничивает возможность применения для измерений в малых объемах и в приповерхностных областях. Эти недостатки особенно сильно проявляются при реализации способа средствами оптиковолоконной техники. В качестве других недостатков можно указать на сложность реализации способа средствами объемной оптики, связанную с необходимостью создания трех интерферометрических измерительных каналов, а также несогласованность измерительной системы координат с общепринятыми в экспериментальной гидро- и аэродинамике направлениями координатных осей при измерениях в потоках. The main disadvantage of this method is the large solid angle occupied by the combined spatial configuration of the probe laser beams, which limits the possibility of application for measurements in small volumes and in near-surface areas. These disadvantages are especially pronounced when implementing the method by means of fiber optic technology. Other disadvantages include the difficulty of implementing the method using volumetric optics associated with the need to create three interferometric measuring channels, as well as the inconsistency of the measuring coordinate system with the directions of the coordinate axes generally accepted in experimental hydro- and aerodynamics during measurements in flows.

Другой известный способ лазерного измерения вектора скорости описан в [2] . Он заключается в том, что в исследуемую область потока направляется 5 пересекающихся в заданной точке лучей, причем три из них образуют трехпучковую конфигурацию с двумя ортогонально ориентированными разностными векторами чувствительности, задающими направления двух ортогональных координатных осей измерительной системы. Третью ортогональную координатную ось задают разностным вектором чувствительности в двухлучевой конфигурации. Рассмотренные пучки, несущие информацию о соответствующей компоненте вектора скорости, селектируют по хроматическому признаку. Выполняют фотоэлектрическое преобразование выделенных рассеянных пучков, измеряют частоты полученных электрических сигналов и преобразуют измеренные частоты в значения соответствующих компонент вектора скорости по линейным соотношениям, определяемым конфигурацией системы зондирующих лазерных лучей. Another known method for laser measurement of the velocity vector is described in [2]. It consists in the fact that 5 rays intersecting at a given point are directed into the studied region of the flow, and three of them form a three-beam configuration with two orthogonally oriented difference sensitivity vectors that specify the directions of two orthogonal coordinate axes of the measuring system. The third orthogonal coordinate axis is defined by a difference sensitivity vector in a two-beam configuration. The considered beams carrying information on the corresponding component of the velocity vector are selected by the chromatic attribute. The photovoltaic conversion of the extracted scattered beams is carried out, the frequencies of the obtained electrical signals are measured, and the measured frequencies are converted to the values of the corresponding components of the velocity vector by linear relationships determined by the configuration of the probe laser beam system.

Основным недостатком этого способа является большой телесный угол, занимаемый пятилучевой пространственной конфигурацией, и необходимость приведения системы координат прибора к общепринятой координатной системе, используемой при измерениях в гидро- и аэродинамических стендах. The main disadvantage of this method is the large solid angle occupied by the five-beam spatial configuration, and the need to bring the coordinate system of the device to the generally accepted coordinate system used in measurements in hydro- and aerodynamic stands.

Ближайшим аналогом предлагаемого способа является способ лазерного измерения вектора скорости, описанный в [3]. Способ заключается в том, что в исследуемую область направляются лазерные лучи, формирующие зондирующие поля с заданными векторами чувствительности. Выделяют световые пучки, рассеянные в зондирующем поле. Выполняют электрическое гетеродинное преобразование выделенных рассеянных пучков. Селектируют электрические сигналы с частотами, соответствующими проекциям вектора скорости на заданные вектора чувствительности. Измеряют частоты селектированных электрических сигналов. Преобразуют измеренные частоты в значения соответствующих компонент вектора скорости посредством известных линейных преобразований, определяемых пространственной конфигурацией векторов чувствительности зондирующих полей. Основными недостатками этого способа является отсутствие информации о компоненте вектора скорости, направленной по биссектрисе угла между лазерными лучами, формирующими зондирующее поле. The closest analogue of the proposed method is the method of laser measurement of the velocity vector described in [3]. The method consists in the fact that laser beams are sent to the studied region, which form probing fields with given sensitivity vectors. Light beams scattered in a sounding field are emitted. Perform electrical heterodyne conversion of the selected scattered beams. Select electrical signals with frequencies corresponding to the projections of the velocity vector onto the given sensitivity vectors. The frequencies of the selected electrical signals are measured. The measured frequencies are converted to the values of the corresponding components of the velocity vector by means of known linear transformations determined by the spatial configuration of the sensitivity vectors of the probe fields. The main disadvantages of this method is the lack of information about the component of the velocity vector directed along the bisector of the angle between the laser beams forming the probe field.

В основу изобретения положена задача разработки метода, позволяющего измерять с высокой чувствительностью ортогональные компоненты вектора скорости, включая осевую, направленную по биссектрисе угла между лазерными лучами, формирующими зондирующее поле в 2-, 3-, 4- или многолучевой конфигурации. Это обеспечивает возможность создания измерителей вектора скорости с компактной конфигурацией, что особенно важно, например, при разработке оптиковолоконных измерительных систем. The basis of the invention is the task of developing a method that allows measuring with high sensitivity the orthogonal components of the velocity vector, including the axial axis directed along the bisector of the angle between the laser beams forming the probe field in a 2-, 3-, 4- or multipath configuration. This makes it possible to create speed vector meters with a compact configuration, which is especially important, for example, in the development of fiber-optic measuring systems.

Задача решается тем, что в способе лазерного измерения вектора скорости, заключающемся в том, что в исследуемую среду направляются лазерные лучи, формирующие зондирующие поля с заданными векторами чувствительности, выделяются световые пучки, рассеянные в зондирующем поле, выполняется фотоэлектрическое гетеродинное преобразование выделенных рассеянных пучков, селектируются электрические сигналы с частотами, соответствующими проекциям вектора скорости на вектора чувствительности, измеряются частоты селектированных электрических сигналов, а измеренные частоты преобразуются в значения соответствующих компонент вектора скорости посредством линейных преобразований, определяемых пространственной конфигурацией, согласно изобретению, определение взаимно ортогональных компонент вектора скорости осуществляют путем попарного вычитания и суммирования частот электрических сигналов, соответствующих проекциям вектора скорости на вектор чувствительности в выбранной паре, причем модули этих векторов чувствительности задают равными между собой. В дифференциальной конфигурации лазерных лучей измеряют суммарную или разностную частоту компоненты квадратично преобразованного сигнала, соответствующего гетеродинному фотосмешению суперпозиции световых пучков, рассеянных в направлении биссектрисы угла между зондирующими лазерными лучами. В инверсно-дифференциальной конфигурации лазерных лучей измеряют суммарную или разностную частоту компоненты квадратично преобразованного сигнала, соответствующего гетеродинному фотосмешению световых пучков, рассеянных в направлениях, симметричных относительно измеряемой компоненты вектора скорости и компланарных с ней. The problem is solved in that in the method of laser measurement of the velocity vector, which consists in the fact that laser beams are sent to the medium under investigation, forming probe fields with given sensitivity vectors, light beams scattered in the probing field are emitted, photoelectric heterodyne conversion of the selected scattered beams is performed, and selected electrical signals with frequencies corresponding to projections of the velocity vector onto the sensitivity vector, the frequencies of the selected electrical channels, and the measured frequencies are converted to the values of the corresponding components of the velocity vector by linear transformations determined by the spatial configuration according to the invention, mutually orthogonal components of the velocity vector are determined by pairwise subtraction and summation of the frequencies of the electrical signals corresponding to the projections of the velocity vector onto the sensitivity vector in the selected pair, moreover, the modules of these sensitivity vectors are set equal to each other. In the differential configuration of laser beams, the total or difference frequency of the components of the quadratically transformed signal corresponding to heterodyne photo mixing of a superposition of light beams scattered in the direction of the bisector of the angle between the probe laser beams is measured. In the inverse-differential configuration of laser beams, the total or difference frequency of the components of the quadratically converted signal corresponding to the heterodyne photo-mixing of light beams scattered in directions symmetrical with respect to the measured component of the velocity vector and coplanar with it is measured.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство содержит источник когерентного излучения (лазер) 1, делитель светового луча 2, оптические согласующие элементы 3-4, оптиковолоконные датчики 5-6, оптические ответвители 7-8, фотоприемники9-10, измерители доплеровского сдвига частоты 11-12, измеритель суммы частот 13, измеритель разности частот 14. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method. The device contains a coherent radiation source (laser) 1, a light beam splitter 2, optical matching elements 3-4, fiber optic sensors 5-6, optical couplers 7-8, photodetectors 9-10, Doppler frequency shift meters 11-12, frequency sum meter 13 , frequency difference meter 14.

Устройство действует следующим образом. The device operates as follows.

Световой пучок с волновым вектором

Figure 00000002
оптиковолоконным датчиком i-го измерительного канала направляется в исследуемую область потока. Здесь i - номер оптиковолоконного датчика. Рассеянный свет с волновым вектором
Figure 00000003
направляется в оптиковолоконный датчик и далее на гетеродинный фотоприемник, где трансформируется в фотоэлектрический сигнал, частота которого ωDi равна доплеровскому сдвигу частоты в рассеянном пучке [4]:
Figure 00000004
.Light beam with wave vector
Figure 00000002
with the optical fiber sensor of the i-th measuring channel is directed to the studied region of the flow. Here i is the number of the fiber optic sensor. Scattered light with wave vector
Figure 00000003
sent to the optical fiber sensor and then to the heterodyne photodetector, where it is transformed into a photoelectric signal whose frequency ω Di is equal to the Doppler frequency shift in the scattered beam [4]:
Figure 00000004
.

Или ,

Figure 00000005
,
где
Figure 00000006
- вектор чувствительности.Or ,
Figure 00000005
,
Where
Figure 00000006
- sensitivity vector.

Следовательно, доплеровский сдвиг частоты в i-ом измерительном канале равен скалярному произведению вектора скорости и вектора чувствительности. Это выражение для доплеровского частотного сдвига означает, что гетеродинный измерительный канал измеряет проекцию вектора скорости

Figure 00000007
на разностный волновой вектор
Figure 00000008
, ориентированный вдоль оптической оси i-го оптического оптиковолоконного датчика.Therefore, the Doppler frequency shift in the i-th measuring channel is equal to the scalar product of the velocity vector and the sensitivity vector. This expression for the Doppler frequency shift means that the heterodyne measuring channel measures the projection of the velocity vector
Figure 00000007
on the difference wave vector
Figure 00000008
oriented along the optical axis of the i-th optical fiber optic sensor.

Для первого (i= 1) и второго (i=2) гетеродинных измерительных каналов имеем:

Figure 00000009
.For the first (i = 1) and second (i = 2) heterodyne measuring channels, we have:
Figure 00000009
.

Здесь

Figure 00000010
. Разность частот на выходе первого и второго измерительных каналов:
Figure 00000011

Из выражения (2) следует, что разностная частота ωD21 пропорциональна проекции скорости на разностный волновой вектор
Figure 00000012
, ортогональный биссектрисе угла 2θ и параллельный оптической оси y.Here
Figure 00000010
. The frequency difference at the output of the first and second measuring channels:
Figure 00000011

It follows from expression (2) that the difference frequency ω D21 is proportional to the projection of the velocity onto the difference wave vector
Figure 00000012
, orthogonal to the bisector of the angle 2θ and parallel to the optical axis y.

Поскольку скорость рассеивающих частиц много меньше скорости света, модули волновых векторов падающих и рассеянных световых пучков с большой точностью можно принять одинаковыми,

Figure 00000013
. Для
Figure 00000014
скалярная форма выражения (2) следует из фиг. 1:
ωD21= 4vksinθsinφ = vу4ksinθ (3) ,
где
4k sinθ - модуль разностного вектора,
Figure 00000015
- волновое число,
Figure 00000016
,
2θ - угол между волновыми векторами
Figure 00000017
зондирующих лучей,
φ - угол между вектором скорости
Figure 00000018
и биссектрисой угла 2θ .Since the speed of scattering particles is much lower than the speed of light, the moduli of the wave vectors of the incident and scattered light beams can be assumed to be identical with high accuracy,
Figure 00000013
. For
Figure 00000014
the scalar form of expression (2) follows from FIG. one:
ω D21 = 4vksinθsinφ = v for 4ksinθ (3),
Where
4k sinθ is the difference vector module,
Figure 00000015
is the wave number
Figure 00000016
,
2θ is the angle between the wave vectors
Figure 00000017
sounding rays
φ is the angle between the velocity vector
Figure 00000018
and the bisector of the angle 2θ.

На выходе сумматора частот первого и второго каналов имеем:

Figure 00000019

т. е. суммарная частота
Figure 00000020
пропорциональна проекции вектора скорости на сумму векторов чувствительности
Figure 00000021
или в скалярной форме:
Figure 00000022

Из фиг. 1 видно, что суммарный вектор направлен вдоль биссектрисы угла 2θ и соответственно оси x. Взаимная ортогональность разности и суммы векторов чувствительности
Figure 00000023
означает равенство нулю скалярного произведения:
Figure 00000024

Преобразуя (6), получаем:
Figure 00000025

Поскольку
Figure 00000026

Figure 00000027

Отсюда
Figure 00000028

Следовательно, необходимым условием для ортогональности векторов
Figure 00000029
является равенство модулей векторов чувствительности
Figure 00000030
. Взаимно ортогональным векторам
Figure 00000031
сопоставляются соответствующие взаимно ортогональные координатные оси Oy u Ox. Таким образом, измеряя разностную и суммарную частоты на выходах гетеродинных измерительных каналов 1 и 2, получим информацию об ортогональных компонентах vx и vy вектора скорости
Figure 00000032
.At the output of the frequency adder of the first and second channels we have:
Figure 00000019

i.e. total frequency
Figure 00000020
proportional to the projection of the velocity vector onto the sum of the sensitivity vectors
Figure 00000021
or in scalar form:
Figure 00000022

From FIG. Figure 1 shows that the total vector is directed along the bisector of the angle 2θ and, accordingly, the x axis. Mutual orthogonality of the difference and the sum of sensitivity vectors
Figure 00000023
means the scalar product is equal to zero:
Figure 00000024

Transforming (6), we obtain:
Figure 00000025

Because the
Figure 00000026

Figure 00000027

From here
Figure 00000028

Therefore, a necessary condition for the orthogonality of vectors
Figure 00000029
is the equality of the moduli of sensitivity vectors
Figure 00000030
. Mutually Orthogonal Vectors
Figure 00000031
corresponding mutually orthogonal coordinate axes O y u O x are compared. Thus, by measuring the difference and total frequencies at the outputs of the heterodyne measuring channels 1 and 2, we obtain information about the orthogonal components v x and v y of the velocity vector
Figure 00000032
.

На фиг. 2 показан другой пример реализации предлагаемого способа для измерения двух ортогональных компонент вектора скорости. Устройство основано на двухпучковой дифференциальной конфигурации [4] в оптиковолоконном исполнении. Устройство содержит лазер 1, делитель светового луча 2, оптически согласующие элементы 3-4, оптиковолоконный формирователь зондирующего поля 5-6, приемный оптиковолоконный элемент 7, оптический смеситель 8, фотоприемник 9, полосовые фильтры 10-11, измерители частоты 12-13, квадратичный преобразователь 14 и полосовой фильтр 15. In FIG. 2 shows another example implementation of the proposed method for measuring two orthogonal components of the velocity vector. The device is based on a two-beam differential configuration [4] in fiber optic design. The device comprises a laser 1, a light beam splitter 2, optically matching elements 3-4, an optical fiber driver of a probing field 5-6, a receiving optical fiber element 7, an optical mixer 8, a photodetector 9, band-pass filters 10-11, frequency meters 12-13, quadratic converter 14 and bandpass filter 15.

Устройство действует следующим образом. The device operates as follows.

Делитель 2 преобразует луч лазера 1 в три пучка с заданной однополосной частотной модуляцией. Световые лучи, направляемые через согласующие элементы 3 и 4 в оптиковолоконные излучатели 5 и 6, имеют заданные частотные сдвиги Ω1 и Ω2 . Оптиковолоконные излучатели направляют лазерные лучи под известным углом 2θ между осями в исследуемую среду, где в области их пересечения формируется зондирующее поле. Свет, рассеянный по направлению биссектрисы угла 2θ , воспринимается оптиковолоконным элементом 7 и по световоду направляется в смеситель 8, где пространственно совмещается с референтным пучком, подведенным по световоду из делителя 2. Фотоприемник 9 выполняет гетеродинное фотоэлектрическое преобразование рассеянного и референтного пучков.Divider 2 converts the laser beam 1 into three beams with a given single-band frequency modulation. Light rays directed through matching elements 3 and 4 to the optical fiber emitters 5 and 6 have predetermined frequency shifts Ω 1 and Ω 2 . Optical fiber emitters direct laser beams at a known angle of 2θ between the axes into the medium under study, where a probing field is formed in the region of their intersection. The light scattered in the direction of the bisector of the angle 2θ is perceived by the fiber optic element 7 and sent through the fiber to the mixer 8, where it is spatially aligned with the reference beam supplied through the fiber from the divider 2. The photodetector 9 performs heterodyne photoelectric conversion of the scattered and reference beams.

Рассеянный свет, воспринимаемый оптиковолоконным датчиком 7, является суперпозицией двух пучков, рассеянных в зондирующем поле от лазерных лучей волновыми векторами

Figure 00000033
. Световой пучок, рассеянный от первого лазерного пучка, имеет, согласно (1), частотный сдвиг
Figure 00000034

где
Figure 00000035
- волновой вектор рассеянного пучка.The scattered light perceived by the optical fiber sensor 7 is a superposition of two beams scattered in the probing field from the laser beams by wave vectors
Figure 00000033
. A light beam scattered from the first laser beam has, according to (1), a frequency shift
Figure 00000034

Where
Figure 00000035
is the wave vector of the scattered beam.

Частотный сдвиг светового пучка, рассеянного от второго лазерного луча, описывается выражением

Figure 00000036

где
Figure 00000037
.The frequency shift of a light beam scattered from a second laser beam is described by the expression
Figure 00000036

Where
Figure 00000037
.

Фотоприемник 9 осуществляет квадратичное фотосмешение суперпозиции рассеянных и референтного пучков. В результате в фотоэлектрическом сигнале появляются компоненты с комбинационными частотами ω12, ω1(8) и ω2 (9) , где

Figure 00000038
.The photodetector 9 performs quadratic mixing of a superposition of scattered and reference beams. As a result, components with combination frequencies ω 12 , ω 1 (8) and ω 2 (9) appear in the photoelectric signal, where
Figure 00000038
.

Электрический сигнал с разностной частотой ω12 селектируется полосовым фильтром 10 и представляет собой обычный сигнал дифференциальной схемы лазерного анемометра [4]. Измеритель 12 дает значение этой частоты, являющейся известной функцией проекции вектора скорости на направление вектора

Figure 00000039
, являющегося разностью векторов чувствительности
Figure 00000040
и задающего направление координатной оси Oy.An electric signal with a difference frequency ω 12 is selected by a band-pass filter 10 and is a regular signal of a differential circuit of a laser anemometer [4]. The meter 12 gives the value of this frequency, which is a known function of the projection of the velocity vector on the direction of the vector
Figure 00000039
being the difference of sensitivity vectors
Figure 00000040
and specifying the direction of the coordinate axis O y .

Суперпозиция электрических сигналов с частотами ω1 и ω2 , получающаяся при гетеродинном фотоэлектрическом преобразовании рассеянных пучков, селектируется полосовым фильтром 11 и направляется на квадратичный преобразователь 14. На выходе квадратичного преобразователя появляются компоненты сигнала, частоты которых равны суммарной ωx и разностной ω12 (10) частотам:
ωx= ω1+ω2= Ω1+Ω2+ωDx, (11)
где

Figure 00000041
.The superposition of electrical signals with frequencies ω 1 and ω 2 obtained by heterodyne photoelectric conversion of scattered beams is selected by a band-pass filter 11 and sent to a quadratic converter 14. At the output of the quadratic converter, signal components whose frequencies are equal to the total ω x and difference ω 12 (10 ) frequencies:
ω x = ω 1 + ω 2 = Ω 1 + Ω 2 + ω Dx , (11)
Where
Figure 00000041
.

Полосовой фильтр 15 выделяет компоненту электрического сигнала с суммарной частотой (11), которая измеряется измерителем 13. Как видно из (11), частота ωx является известной линейной функцией проекции вектора скорости

Figure 00000042
на вектор, равный сумме векторов чувствительности
Figure 00000043
и задающий направление координатной оси Ox. Скалярная форма этой зависимости имеет вид:
Figure 00000044
.The band-pass filter 15 selects the component of the electrical signal with a total frequency (11), which is measured by the meter 13. As can be seen from (11), the frequency ω x is a known linear function of the projection of the velocity vector
Figure 00000042
per vector equal to the sum of the sensitivity vectors
Figure 00000043
and specifying the direction of the coordinate axis O x . The scalar form of this dependence has the form:
Figure 00000044
.

Здесь
2θ - угол между волновыми векторами

Figure 00000045
зондирующих лучей, φ - угол между вектором скорости
Figure 00000046
и вектором
Figure 00000047
.Here
2θ is the angle between the wave vectors
Figure 00000045
sounding rays, φ is the angle between the velocity vector
Figure 00000046
and vector
Figure 00000047
.

Это выражение следует из фиг. 2, поскольку

Figure 00000048
.This expression follows from FIG. 2 since
Figure 00000048
.

Figure 00000049

Таким образом, двухлучевая гибридная конфигурация дифференциальной и гетеродинной схем обеспечивает возможность измерения двух ортогональных компонент вектора скорости. По сравнению с трехпучковой дифференциальной конфигурацией измерительной схемы, описанной в [4, c.100], предлагаемый способ обеспечивает более высокую чувствительность при измерении компоненты скорости, направленной по биссектрисе угла между зондирующими лучами. В схеме, описанной в [4], выражение (5.3) на стр. 100, связывающее частоту ωDx и проекцию вектора скорости на биссектрису угла 2θ , имеет вид (в сопоставимых обозначениях):
Figure 00000050
.
Figure 00000049

Thus, the two-beam hybrid configuration of the differential and heterodyne circuits provides the ability to measure two orthogonal components of the velocity vector. Compared with the three-beam differential configuration of the measuring circuit described in [4, p. 100], the proposed method provides higher sensitivity when measuring the velocity component directed along the bisector of the angle between the probe beams. In the scheme described in [4], expression (5.3) on page 100, relating the frequency ω Dx and the projection of the velocity vector onto the bisector of the angle 2θ, has the form (in comparable notation):
Figure 00000050
.

Из сравнения этого выражения с (12) видно, что выигрыш в чувствительности будет

Figure 00000051
. Например, для типичной величины угла θ = 10° выигрыш в чувствительности составляет ctg2(5o)=100.A comparison of this expression with (12) shows that the gain in sensitivity will be
Figure 00000051
. For example, for a typical angle θ = 10 °, the gain in sensitivity is ctg 2 (5 o ) = 100.

Описанная реализация предлагаемого способа особенно эффективна в оптоволоконном исполнении. The described implementation of the proposed method is especially effective in fiber optic design.

На фиг. 3 показан следующий пример реализации предлагаемого способа для измерения двух ортогональных компонент вектора скорости. Устройство основано на инверсно-дифференциальной конфигурации [4] зондирующих лучей в оптиковолоконном исполнении. Устройство содержит лазер 1, делитель светового пучка 2, оптический согласующий элемент 3, оптиковолоконный формирователь зондирующего поля 4, приемные оптиковолоконные элементы 5-6, оптический смеситель 7, фотоприемник 8, полосовые фильтры 9-10, измерители частоты 11-12, квадратичный преобразователь 13, полосовой фильтр 14. In FIG. 3 shows the following example implementation of the proposed method for measuring two orthogonal components of the velocity vector. The device is based on the inverse-differential configuration [4] of the probe beams in fiber optic design. The device comprises a laser 1, a light beam splitter 2, an optical matching element 3, an optical fiber driver of the probing field 4, receiving optical fiber elements 5-6, an optical mixer 7, a photodetector 8, bandpass filters 9-10, frequency meters 11-12, a quadratic converter 13 , bandpass filter 14.

Устройство действует таким образом. The device acts in this way.

Делитель 2 преобразует луч лазера в два пучка с заданной разностью частот Ωo между ними. Один из этих пучков, имеющий большую интенсивность, используется для формирования зондирующего поля. Пучок малой интенсивности выполняет функции референтного сигнала. Интенсивный световой луч через согласующий элемент 3 вводится в оптиковолоконный излучатель 4, который в свою очередь направляет лазерный луч в исследуемую область, где формируется зондирующее поле. Световые пучки, рассеянные симметрично и компланарно под углом θ к направлению зондирующего луча, выделяются оптиковолоконными приемными элементами 5-6. По световодам рассеянные пучки попадают в оптический смеситель 7, где пространственно совмещаются с референтным пучком и направляются на фотоприемник 8. Фотоприемник 8 выполняет фотосмешение рассеянных и референтного пучков.Divider 2 converts the laser beam into two beams with a given frequency difference Ω o between them. One of these beams, which has a high intensity, is used to form a probe field. A low-intensity beam acts as a reference signal. An intense light beam through the matching element 3 is injected into the fiber optic emitter 4, which in turn directs the laser beam into the studied region, where a probing field is formed. Light beams scattered symmetrically and coplanarly at an angle θ to the direction of the probe beam are emitted by fiber optic receiving elements 5-6. The scattered beams pass through the optical fibers into the optical mixer 7, where they are spatially aligned with the reference beam and sent to the photodetector 8. Photodetector 8 performs the photo mixing of the scattered and reference beams.

Выделяемые оптиковолоконными оптическими элементами 5-6 рассеянные пучки имеют соответственно частотные сдвиги:

Figure 00000052

где
- доплеровские сдвиги частоты,
Figure 00000054
- вектора чувствительности,
Figure 00000055
- волновые вектора выделенных рассеянных пучков,
Figure 00000056
- волновой вектор зондирующего лазерного пучка.Scattered beams emitted by optical fiber optical elements 5-6 have frequency shifts, respectively:
Figure 00000052

Where
- Doppler frequency shifts,
Figure 00000054
- sensitivity vectors,
Figure 00000055
- wave vectors of selected scattered beams,
Figure 00000056
is the wave vector of the probe laser beam.

Фотоприемник 8 осуществляет квадратичное фотосмешение суперпозиции рассеянных и референтного пучков. В результате в фотоэлектрическом сигнале появляются компоненты с комбинационными частотами ω12,ω10,ω20 :

Figure 00000057

Электрический сигнал с разностной частотой ω12 селектируется полосовым фильтром 9 и представляет собой обычный сигнал инверсно-дифференционной схемы лазерного доплеровского анемометра [4]. Измеритель 11 дает значение этой частоты, которая является известной линейной функцией проекции вектора скорости на направление вектора
Figure 00000058
, задающего направление координатной оси Oy.The photodetector 8 performs quadratic mixing of a superposition of scattered and reference beams. As a result, components with combination frequencies ω 12 , ω 10 , ω 20 appear in the photoelectric signal:
Figure 00000057

An electric signal with a difference frequency ω 12 is selected by a band-pass filter 9 and is a normal signal of the inverse-differential circuit of a laser Doppler anemometer [4]. The meter 11 gives the value of this frequency, which is a known linear function of the projection of the velocity vector on the direction of the vector
Figure 00000058
defining the direction of the coordinate axis O y .

Суперпозиция электрических сигналов с частотами ω10 (15) и ω20 (16) селектируется полосовым фильтром 10 и поступает на квадратичный преобразователь 13. Выходной сигнал преобразователя содержит компоненты суммарной ωx и разностной ω12 (14) частотами:
ωx= ω10+ω20= 2Ω0-ωDx, (17)
где

Figure 00000059
. Полосовой фильтр 14 выделяет компонент электрического сигнала с суммарной частотой (17), которая измеряется измерителем 12. Как видно из (17), частота ωx является известной линейной функцией проекции вектора скорости
Figure 00000060
на вектор
Figure 00000061
, задающий направление координатной оси Ox. Как и в п. 2, скалярная форма этой зависимости имеет вид, аналогичный выражению (12), в котором 2θ - угол между волновыми векторами
Figure 00000062
выделенных рассеянных пучков. Отсюда чувствительность этой схемы, как и в п. 2, выше по сравнению с известными. Чувствительность можно повышать путем последовательного применения двух или более квадратичных преобразований с промежуточной полосовой фильтрацией суммарной спектральной боковой компоненты. При этом для суммарной частоты селектированного электрического сдвига получим после n-квадратичных преобразований:
ωxn= 2nΩ0-nωDx= nωx. (18)
При этом, естественно, уменьшается динамический диапазон измерений.A superposition of electrical signals with frequencies ω 10 (15) and ω 20 (16) is selected by a band-pass filter 10 and fed to a quadratic converter 13. The output signal of the converter contains components of the total ω x and difference ω 12 (14) frequencies:
ω x = ω 10 + ω 20 = 2Ω 0 -ω Dx , (17)
Where
Figure 00000059
. The band-pass filter 14 isolates the component of the electrical signal with a total frequency (17), which is measured by the meter 12. As can be seen from (17), the frequency ω x is a known linear function of the projection of the velocity vector
Figure 00000060
on vector
Figure 00000061
defining the direction of the coordinate axis O x . As in Sec. 2, the scalar form of this dependence has the form similar to expression (12), in which 2θ is the angle between the wave vectors
Figure 00000062
selected scattered beams. Hence, the sensitivity of this scheme, as in Section 2, is higher in comparison with the known ones. Sensitivity can be increased by the sequential application of two or more quadratic transformations with intermediate bandpass filtering of the total spectral lateral component. Moreover, for the total frequency of the selected electric shift, we obtain after n-quadratic transformations:
ω xn = 2nΩ 0 -nω Dx = nω x . (18)
In this case, of course, the dynamic range of measurements decreases.

Описанная реализация предлагаемого способа, как и в п. 2, наиболее эффективна в оптиковолоконном использовании. The described implementation of the proposed method, as in paragraph 2, is most effective in fiber optic use.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет измерить ортогональные проекции вектора скорости. Измерение третьей компоненты вектора скорости достигается очевидным образом путем введения дополнительного известного измерительного канала. При этом нет необходимости во взаимной ортогональной ориентации зондирующих лучей. Thus, the proposed technical solution allows to measure the orthogonal projections of the velocity vector. The measurement of the third component of the velocity vector is achieved in an obvious way by introducing an additional known measuring channel. In this case, there is no need for mutual orthogonal orientation of the probe beams.

Источники информации. Sources of information.

1. F. Durst. Principles and practics of Laser Doppler Anemometry, p. 100. 1. F. Durst. Principles and practics of Laser Doppler Anemometry, p. 100.

2. Nan-intrusiue measurements of size, velocity and concentration-Dantec //Information, -N04, -February, -1987, p.19-20. 2. Nan-intrusiue measurements of size, velocity and concentration-Dantec // Information, -N04, -February, -1987, p.19-20.

3. Богомолов Н. Ф., Хотяинцев С.Н. Многоканальные волоконно-оптические доплеровские измерители скорости // Изв. ВУЗов, серия "Радиоэлектроника", - 1983, -т.26, -N5, -c.59-63. 3. Bogomolov N. F., Althoughyntsev S. N. Multichannel fiber optic Doppler speed meters // Izv. Universities, a series of "Electronics", - 1983, -t.26, -N5, -c.59-63.

4. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. - М.: Наука, 1982. 4. Dubnischev Yu.N., Rinkevichyus B.S. Methods of laser Doppler anemometry. - M.: Science, 1982.

Claims (3)

1. Способ лазерного измерения вектора скорости, заключающийся в том, что в исследуемую область направляются лазерные лучи, формирующие зондирующие поля с заданными векторами чувствительности, выделяют световые пучки, рассеянные в зондирующем поле, выполняют фотоэлектрическое преобразование выделенных пучков, селектируют электрические сигналы с частотами, соответствующие проекциям вектора скорости на заданные вектора чувствительности, измеряют частоты селектированных электрических сигналов и трансформируют измеренные частоты в значения соответствующих компонентов вектора скорости посредством линейных преобразований, определяемых пространственной конфигурацией, отличающийся тем, что определяют взаимно ортогональные компоненты вектора скорости путем попарного вычитания и суммирования частот электрических сигналов, соответствующих проекциям вектора скорости на вектора чувствительности в выбранной паре, причем модули этих векторов чувствительности задают равными между собой. 1. The method of laser measurement of the velocity vector, which consists in the fact that laser beams are sent to the studied region, which form probing fields with given sensitivity vectors, emit light beams scattered in the probing field, perform photoelectric conversion of the extracted beams, select electrical signals with frequencies corresponding to projections of the velocity vector onto the given sensitivity vectors, measure the frequencies of the selected electrical signals and transform the measured frequencies into values of the corresponding components of the velocity vector by linear transformations determined by the spatial configuration, characterized in that mutually orthogonal components of the velocity vector are determined by pairwise subtraction and summation of the frequencies of the electrical signals corresponding to the projections of the velocity vector on the sensitivity vector in the selected pair, and the modules of these sensitivity vectors are set equal between themselves. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в дифференциальной конфигурации лазерных лучей измеряют суммарную или разностную частоту компоненты квадратично преобразованного сигнала, соответствующего гетеродинному фотосмещению суперпозиции световых пучков, рассеянных в направлении биссектрисы угла между зондирующими лазерными лучами. 2. The method according to claim 1, characterized in that in the differential configuration of the laser beams, the total or difference frequency of the component of the quadratically transformed signal corresponding to the heterodyne photograph displacement of the superposition of light beams scattered in the direction of the bisector of the angle between the probe laser beams is measured. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в инверсно-дифференциальной конфигурации лазерных лучей измеряют суммарную или разностную компоненту квадратично преобразованного сигнала, соответствующего гетеродинному фотосмешению световых пучков, рассеянных в направлениях, симметричных относительно измеряемой компоненты вектора скорости и компланарных с ней. 3. The method according to claim 1, characterized in that in the inverse-differential configuration of the laser beams, the total or difference component of the quadratically converted signal corresponding to the heterodyne photo-mixing of light beams scattered in directions symmetrical with respect to the measured component of the velocity vector and coplanar with it is measured.
RU95115737A 1995-09-06 1995-09-06 Method of velocity vector laser measurement RU2108585C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95115737A RU2108585C1 (en) 1995-09-06 1995-09-06 Method of velocity vector laser measurement

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU95115737A RU2108585C1 (en) 1995-09-06 1995-09-06 Method of velocity vector laser measurement

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU95115737A RU95115737A (en) 1997-09-10
RU2108585C1 true RU2108585C1 (en) 1998-04-10

Family

ID=20171928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU95115737A RU2108585C1 (en) 1995-09-06 1995-09-06 Method of velocity vector laser measurement

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2108585C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2595794C2 (en) * 2010-11-03 2016-08-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Device for determining speed
RU2657135C1 (en) * 2017-07-27 2018-06-08 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Doppler velocity sensor for measuring a moving surface speed based on interferometer with a fiber radiation input
RU2672793C1 (en) * 2017-05-19 2018-11-19 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Differential measuring transducer
RU2811038C1 (en) * 2023-08-15 2024-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Device of doppler velocity meter based on interferometer with fibre radiation input

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Богомолов Н.Ф. и др. Многоканальные волоконно-оптические доплеровские измерители скорости. Изв.ВУЗов, радиоэлектроника, 1983, т. 26, N 5, с. 59 - 63. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2595794C2 (en) * 2010-11-03 2016-08-27 Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. Device for determining speed
RU2672793C1 (en) * 2017-05-19 2018-11-19 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Differential measuring transducer
RU2657135C1 (en) * 2017-07-27 2018-06-08 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Doppler velocity sensor for measuring a moving surface speed based on interferometer with a fiber radiation input
RU2811038C1 (en) * 2023-08-15 2024-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Device of doppler velocity meter based on interferometer with fibre radiation input

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6381015B1 (en) Inspection apparatus using optical interferometer
Briers Laser Doppler and time-varying speckle: a reconciliation
JP2504544B2 (en) Multidimensional laser Doppler velocimeter
TWI463177B (en) Method and apparatus for performing optical imaging using frequency-domain interferometry
US5910839A (en) White light velocity interferometer
US3904295A (en) Method and apparatus for the no-contact measurement of velocities, changes in relative position, or displacement paths
EP0271188A1 (en) Laser doppler displacement measuring apparatus
DE3306709A1 (en) Method for measuring the optical length of a light path, and laser interferometer for carrying out this method
EP0489474A1 (en) Laser apparatus for measuring the velocity of a fluid
EP0543064A1 (en) Sequential image synthesizer
US5684586A (en) Apparatus for characterizing short optical pulses
CN102866116A (en) Measurements of optical inhomogeneity and other properties in substances using propagation modes of light
CN105333815A (en) Super lateral resolution surface three-dimensional online interference measuring system based on spectral dispersion line scanning
US4397550A (en) Laser doppler velocimeter
RU2108585C1 (en) Method of velocity vector laser measurement
US5781283A (en) Process and arrangement for the measurement of physical values of light scattering moving particles by means of a laser doppler anemometer
Farmer et al. Two-component, self-aligning laser vector velocimeter
US4123142A (en) Ambiguity plane optical processor incorporating magneto-optic, bubble domain histograph
US4725136A (en) Method for measuring particle velocity using differential photodiode arrays
Meyers The elusive third component
Maru Laser Doppler cross-sectional velocity distribution measurement combining 16-channel spatial encoding and non-mechanical scanning
CN110192852A (en) The flow velocity cross stream component measuring system and method for dual scanning line optical coherence tomography
JP3077266B2 (en) Laser doppler velocimeter
CN1027557C (en) Optic frequency shift separation method for three-dimensional laser Doppler signal and three-dimensional laser Doppler speed measuring device
Ohtsuka A frequency-shifted laser interferometer for the study of small dynamic motions. Analytical treatment