RU2638580C1

RU2638580C1 - Laser doppler velocity sensor

Info

Publication number: RU2638580C1
Application number: RU2016126071A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Дубнищев; Александр Александрович Шибаев
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2017-12-14

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: laser Doppler velocity sensor splits radiation into three channels using Wollaston prisms. Photoreceivers are installed in each channel. They register the Doppler shift that provides the measurement of the three projections of the velocity vector.

EFFECT: due to simultaneous measurement of the three projections of the velocity vector with the minimum number of laser beams, forming the probing field, and the use of only one acousto-optic modulator provides an increase in the accuracy of the velocity measurement.

5 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в экспериментальной гидро- и аэродинамике, в промышленных технологиях, связанных с необходимостью исследования скоростей потоков газовых и конденсированных сред, а также скоростей движения поверхностей.The present invention relates to measuring technique and can be used in experimental hydro- and aerodynamics, in industrial technologies related to the need to study the flow rates of gas and condensed matter, as well as the speeds of surfaces.

Известен лазерный доплеровский измеритель скорости, предназначенный для измерения скорости, основанный на использовании лазерного излучения и эффекта Доплера. Для измерения вектора скорости в исследуемой среде формируется зондирующее поле, пространственная структура которого задает 3D (D - "dimension" - размерность) координатно-измерительный базис. Зондирующее поле ограничено областью пересечения лазерных пучков. Частота рассеянного света изменяется из-за доплеровского сдвига частоты, пропорционального скорости движения исследуемой среды. Измерение доплеровского частотного сдвига несет информацию об измеряемой скорости. Для определения вектора скорости наиболее широко используется пятилучевая система формирования. ортогонального координатного базиса в зондирующем поле, метод и реализующее его устройство описаны в [патент US 4838687 А]. Устройство содержит источник лазерного излучения, расщепители световых пучков, оптические формирователи зондирующего поля, при этом для определения двух компонент вектора скорости формируется координатный базис из трех лазерных пучков, а для измерения третьей ортогональной компоненты скорости координатный базис, образованный в области пересечения двух лазерных пучков. Фактически, для измерения 3D вектора скорости используются две лазерные доплеровские измерительные системы (ЛДИС) с совмещенным зондирующим полем: одна из них измеряет две проекции скорости в ортогональном координатном базисе, другая измеряет третью проекцию. Определение направлений компонент вектора скорости в таких системах осуществляется введением несущих частот в лазерные пучки с помощью акустооптических модуляторов, число которых в измерительной системе равно числу компонент вектора скорости.Known laser Doppler speed meter, designed to measure speed, based on the use of laser radiation and the Doppler effect. To measure the velocity vector in the studied medium, a probing field is formed, the spatial structure of which determines the 3D (D - "dimension" - dimension) coordinate-measuring basis. The probe field is limited by the region of intersection of the laser beams. The frequency of the scattered light changes due to the Doppler frequency shift proportional to the speed of the medium under study. The measurement of the Doppler frequency shift carries information about the measured speed. The five-beam formation system is most widely used to determine the velocity vector. the orthogonal coordinate basis in a sounding field, the method and its implementing device are described in [patent US 4838687 A]. The device contains a laser radiation source, light beam splitters, optical probing field shapers, and a coordinate basis of three laser beams is formed to determine the two components of the velocity vector, and a coordinate basis formed at the intersection of two laser beams is measured for the third orthogonal velocity component. In fact, two laser Doppler measuring systems (LDIS) with a combined probe field are used to measure the 3D velocity vector: one of them measures two velocity projections in an orthogonal coordinate basis, the other measures the third projection. The direction of the components of the velocity vector in such systems is determined by introducing the carrier frequencies into the laser beams using acousto-optical modulators, the number of which in the measuring system is equal to the number of components of the velocity vector.

Однако в указанном устройстве недостатками являются пониженная точность измерений и надежность из-за проблемы пространственного совмещения 2D и 1D составляющих координатно-измерительного базиса в зондирующем поле, поскольку они образуются раздельными и независимыми трехпучковой и двухпучковой оптическими системами в пространственном угле порядка π/2. В такой структуре ЛДИС (лазерный доплеровский измеритель скорости) три и два пучка независимо проходят через различные оптические элементы в 2D и 1D измерительных системах, что приводит к дополнительному снижению точности измерений из-за влияния механической нестабильности и тепловых полей.However, the disadvantages in this device are reduced measurement accuracy and reliability due to the problem of spatial alignment of the 2D and 1D components of the coordinate measuring base in the probe field, since they are formed by separate and independent three-beam and two-beam optical systems in a spatial angle of the order of π / 2. In such an LDIS (laser Doppler velocity meter) structure, three and two beams independently pass through various optical elements in 2D and 1D measuring systems, which leads to an additional decrease in measurement accuracy due to the influence of mechanical instability and thermal fields.

Также известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в книге [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское из-во, 2003, 418 с.] на стр. 206-209 рис. 4.6, содержащий источник лазерного излучения, расщепители световых пучков, оптический формирователь зондирующего поля, фотоприемник, подключенный к системе обработки сигнала, при этом зондирующее поле с 3D координатно-измерительным базисом сформировано четырьмя лазерными пучками, проходящими через одни и те же оптические элементы, в числе которых три акустооптических модулятора, что усложняет структуру измерителя и снижает надежность ее работы. Структура устройства образует три измерительных канала. Это устройство работает в режиме адаптивной частотной селекции компонент вектора скорости с темпоральной коммутацией измерительных каналов.Also known laser Doppler speed meter, described in the book [Yu.N. Dubnischev, V.A. Arbuzov, P.P. Belousov, P.Ya. Belousov. Optical methods for studying flows. Novosibirsk, Siberian University Institute, 2003, 418 pp.] On pages 206-209 fig. 4.6, containing a laser radiation source, light beam splitters, an optical probe field probe, a photodetector connected to a signal processing system, while a probe field with a 3D coordinate measuring base is formed by four laser beams passing through the same optical elements, including which are three acousto-optical modulators, which complicates the structure of the meter and reduces the reliability of its operation. The structure of the device forms three measuring channels. This device operates in the adaptive frequency selection mode of the velocity vector components with temporal switching of the measuring channels.

Однако в указанном устройстве недостатком является пониженная точность измерений скорости, поскольку частота коммутации измерительных каналов, определяющих последовательно во времени проекции скорости, и, соответственно, частота Найквиста зависит от динамики исследуемого процесса и концентрации светорассеивающих частиц в среде.However, the disadvantage in this device is the reduced accuracy of velocity measurements, since the switching frequency of the measuring channels, which determine successively the velocity projection time, and, accordingly, the Nyquist frequency depends on the dynamics of the process under study and the concentration of light-scattering particles in the medium.

Кроме того, известен лазерный доплеровский измеритель скорости, описанный в этой же книге [Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов, П.Я. Белоусов. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск, Сибирское университетское из-во, 2003, 418 с.] на стр. 230-231 рис. 4.20, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий источник двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков, состоящий из призмы Волластона и двух лазерных диодов, взаимно ориентированных под углом расщепления призмы. Последовательно с ним расположены: акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных лазерных пучков, и вторая призма Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией поляризационной призмы источника. Между источником излучения и акустооптическим модулятором помещен согласующий объектив. Между акустооптическим модулятором и второй поляризационной призмой помещен второй объектив, согласующий их оптическое сопряжение. Последовательно за второй поляризационной призмой расположен оптический формирователь зондирующего поля в исследуемой среде и его изображения в рассеянном свете на фотоприемнике, подключенном к системе обработки сигналов. В системе обработки сигналов имеется коммутатор измерительных каналов, подключенный к источникам питания лазерных диодов. В указанном устройстве формирование зондирующего поля осуществляется четырьмя световыми пучками, проходящими через одни и те же оптические элементы и всего лишь один акустооптический модулятор. Принцип работы устройства заключается в том, что два ортогонально поляризованных лазерных пучка пространственно совмещают и направляют на акустооптический модулятор бегущей волны, работающий в режиме брэгговской дифракции. Дифрагированные пучки направляют на поляризационную призму Волластона, ориентация которой согласована с поляризацией падающих пучков. Расщепленные попарно призмой световые пучки согласуют по поляризации и направляют в исследуемую среду. Зондирующее поле в исследуемой среде образуют пересечением световых пучков, частоты которых отличаются на частоту ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. В рассеянном свете формируют изображение зондирующего поля и выполняют его фотоэлектрическое преобразование. Измеряют частоту фотоэлектрического тока.In addition, the known laser Doppler speed meter described in the same book [Yu.N. Dubnischev, V.A. Arbuzov, P.P. Belousov, P.Ya. Belousov. Optical methods for studying flows. Novosibirsk, Siberian University Institute, 2003, 418 pp.] On pages 230-231 fig. 4.20, which is the prototype of the present invention and containing a source of two spatially aligned orthogonally polarized laser beams, consisting of a Wollaston prism and two laser diodes, mutually oriented at an angle of splitting of the prism. In series with it are located: an acousto-optic traveling wave modulator oriented at a Bragg angle to the direction of spatially aligned laser beams, and a second Wollaston prism, the orientation of which is consistent with the orientation of the polarizing source prism. A matching lens is placed between the radiation source and the acousto-optical modulator. A second lens is placed between the acousto-optical modulator and the second polarizing prism, matching their optical conjugation. Sequentially behind the second polarizing prism, there is an optical driver of the probe field in the medium under study and its images in scattered light on a photodetector connected to a signal processing system. The signal processing system has a switch for measuring channels connected to power sources of laser diodes. In this device, the formation of the probe field is carried out by four light beams passing through the same optical elements and only one acousto-optical modulator. The principle of the device is that two orthogonally polarized laser beams are spatially aligned and directed to an acousto-optic traveling wave modulator operating in the Bragg diffraction mode. The diffracted beams are directed to the polarizing prism of Wollaston, whose orientation is consistent with the polarization of the incident beams. The light beams split in pairs by a prism coordinate according to polarization and direct to the medium under study. The probe field in the medium under study is formed by the intersection of light beams whose frequencies differ by the frequency of the ultrasonic wave in the acousto-optical modulator. In scattered light, an image of the probe field is formed and its photoelectric conversion is performed. Measure the frequency of the photoelectric current.

Однако указанный измеритель обладает недостатком в виде пониженной точности измерений скорости за счет темпоральной коммутации измерительных каналов, последовательно во времени определяющих проекции скорости, поскольку частота коммутации и, следовательно, частота Найквиста, зависят от динамики исследуемого процесса и концентрации рассеивающих частиц в среде.However, this meter has a drawback in the form of reduced accuracy of velocity measurements due to temporal switching of measuring channels, which sequentially determine the velocity projections in time, since the switching frequency and, therefore, the Nyquist frequency depend on the dynamics of the process under study and the concentration of scattering particles in the medium.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение точности измерения скорости.The task (technical result) of the present invention is to increase the accuracy of measuring speed.

Поставленная задача достигается тем, что в известном измерителе, содержащем последовательно расположенные источник излучения двух пространственно совмещенных ортогонально поляризованных лазерных пучков, состоящий из первой призмы Волластона и двух лазерных диодов, взаимно ориентированных под углом расщепления первой призмы Волластона, первый объектив, акустооптический модулятор бегущей волны, ориентированный под углом Брэгга к направлению пространственно совмещенных лазерных пучков, второй объектив, вторую призму Волластона, ориентация которой согласована с ориентацией первой призмы Волластона, оптический формирователь зондирующего поля, на пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой, последовательно расположены поворотное зеркало и первый фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов, введены ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, первая, вторая и третья четвертьволновые фазовые пластинки, полуволновая фазовая пластинка, дихроичное зеркало, зеркало, второй и третий фотоприемники, фильтр на длину волны λ₁. При этом в указанном источнике излучения лазерные диоды отличаются по длинам волн излучения λ₁ и λ₂, в направлении одного из дифракционных порядков между акустооптическим модулятором и первой призмой Волластона установлена ахроматическая полуволновая фазовая пластинка, на пути одного из пучков, расщепленных второй призмой Волластона, с длиной волны λ₁ установлена первая четвертьволновая фазовая пластинка, на пути другого пучка с длиной волны λ₁ последовательно установлены плоскопараллельная прозрачная светоделительная пластинка под углом Брюстера и вторая четвертьволновая фазовая пластинка, на пути одного из лазерных пучков с длиной волны λ₂ установлена полуволновая фазовая пластинка. На пути рассеянного исследуемой средой светового пучка между поворотным зеркалом и первым фотоприемником помещено дихроичное зеркало, пропускание и отражение которого согласовано с длинами волн излучения лазерных диодов, в плоскости изображения зондирующего поля, сформированного в отраженном дихроичным зеркалом пучке, установлен второй фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов. На пути светового пучка с длиной волны λ₁, отраженного от светоделительной пластины, последовательно установлены третья четвертьволновая фазовая пластинка и зеркало. На пути светового пучка, рассеянного исследуемой средой в направлении падающего пучка с длиной волны λ₁ и отраженного от светоделительной пластинки, установлены последовательно фильтр на длину волны λ₁, третий фотоприемник, подключенный к системе обработки сигналов.The problem is achieved in that in the known meter containing a sequentially located radiation source of two spatially aligned orthogonally polarized laser beams, consisting of the first Wollaston prism and two laser diodes, mutually oriented at the splitting angle of the first Wollaston prism, the first lens, an acousto-optic traveling wave modulator, oriented at the Bragg angle to the direction of spatially aligned laser beams, second lens, second Wollaston prism, The orientation of which is consistent with the orientation of the first Wollaston prism, the optical probe of the probing field, in the path of the light beam scattered by the medium under study, are located a rotating mirror and the first photodetector connected to the signal processing system, an achromatic half-wave phase plate, the first, second and third quarter-wave phase plates, half-wave phase plate, dichroic mirror, mirror, second and third photodetectors, a filter at a wavelength of λ ₁ . In this case, the laser diodes in the indicated radiation source differ in radiation wavelengths λ ₁ and λ ₂ , in the direction of one of the diffraction orders between the acousto-optic modulator and the first Wollaston prism, an achromatic half-wave phase plate is installed, in the path of one of the beams split by the second Wollaston prism, with with a wavelength of λ ₁ , the first quarter-wave phase plate is installed; in the path of another beam with a wavelength of λ ₁ , a plane-parallel transparent beam-splitting plate At the Brewster angle and the second quarter-wave phase plate, a half-wave phase plate is installed in the path of one of the laser beams with a wavelength of λ ₂ . A dichroic mirror is placed on the path of the light beam scattered by the medium under study between the rotary mirror and the first photodetector, the transmission and reflection of which is consistent with the laser wavelengths of the laser diodes, and a second photodetector connected to the processing system is installed in the image plane of the probe field generated in the beam reflected by the dichroic mirror signals. On the path of the light beam with a wavelength of λ ₁ reflected from the beam splitter plate, a third quarter-wave phase plate and a mirror are sequentially installed. In the path of the light beam scattered by the test medium in the direction of the incident beam with a wavelength of λ ₁ and reflected from the beam splitter plate, a filter for a wavelength of λ ₁ , a third photodetector connected to the signal processing system, is installed in series.

На Фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого измерителя.In FIG. 1 shows a structural diagram of the proposed meter.

На Фиг. 2 представлена векторная схема световых пучков, формирующих измерительный объем.In FIG. 2 is a vector diagram of light beams forming a measuring volume.

На Фиг. 3 показана поляризационная структура дифрагированных пучков.In FIG. 3 shows the polarization structure of diffracted beams.

На Фиг. 4 показана поляризационная структура дифрагированных пучков непосредственно после ахроматической полуволновой фазовой пластинки.In FIG. Figure 4 shows the polarization structure of diffracted beams immediately after the achromatic half-wave phase plate.

На Фиг. 5 показана поляризационная структура световых пучков, расщепленных поляризационной призмой 8.In FIG. 5 shows the polarization structure of light beams split by a polarization prism 8.

Предлагаемый измеритель (Фиг. 1) содержит лазерные диоды 1 и 2, поляризационную призму Волластона 3, образующие источник бихроматического светового пучка. Последовательно с источником расположены объектив 4, акустооптический модулятор бегущей волны 5, ахроматическая полуволновая фазовая пластинка 6, объектив 7, поляризационная призма Волластона 8, объектив 9, четвертьволновая фазовая пластинка 10, полуволновая фазовая пластинка 11 и объектив 12. Между объективами 9 и 12 помещена плоскопараллельная светоделительная пластинка 13. На пути светового пучка, проходящего через светоделительную пластинку 13, помещена четвертьволновая фазовая пластинка 14. На пути отраженного светоделительной пластинкой светового пучка последовательно установлены четвертьволновая пластинка 15 и зеркало 16. На пути отраженного зеркалом 16 и прошедшего через светоделительную пластинку 13 пучка последовательно помещены светофильтр 17, объектив 18 и фотоприемник 19. Между объективами 9 и 12 установлено поворотное зеркало 20. На пути светового пучка, отраженного зеркалом 20, помещено дихроичное зеркало 21, объектив 22 и фотоприемник 23. На пути отраженного дихроичным зеркалом 21 последовательно расположены объектив 24 и фотоприемник 25.The proposed meter (Fig. 1) contains laser diodes 1 and 2, a polarizing prism of Wollaston 3, forming a source of a bichromatic light beam. A lens 4, an acousto-optic traveling wave modulator 5, an achromatic half-wave phase plate 6, a lens 7, a Wollaston polarizing prism 8, a lens 9, a quarter-wave phase plate 10, a half-wave phase plate 11, and a lens 12 are located in series with the source. Plane-parallel is placed between the lenses 9 and 12 beam splitting plate 13. A quarter-wave phase plate 14 is placed in the path of the light beam passing through the beam splitting plate 14. In the path reflected by the beam splitting plate a quarter-wave plate 15 and a mirror 16 are sequentially mounted in the light beam. A filter 17, a lens 18 and a photodetector 19 are successively placed in the path of the beam reflected through the mirror 16 and passing through the beam splitter plate 19. A rotary mirror 20 is installed between the lenses 9 and 12. On the path of the light beam reflected a mirror 20, a dichroic mirror 21, a lens 22 and a photodetector 23 are placed. A lens 24 and a photodetector 25 are sequentially arranged in the path of the reflected dichroic mirror 21.

Предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости работает следующим образом. Ортогонально поляризованные пучки, один из которых излучается лазером 1 на длине волны λ₁, а другой - лазером 2 на длине волны λ₂, пространственно совмещаются поляризационной призмой Волластона 3 и объективом 4 направляются на акустооптический модулятор бегущей волны 5, работающий в режиме дифракции Брэгга. Дифрагированные в первый и минус первый порядки световые пучки имеют относительный частотный сдвиг Ω, равный частоте ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе. Поляризационная структура дифрагированных пучков показана на Фиг. 3 (плоскость, в которой распространяются дифрагированные пучки, для примера выбрана вертикальной).The proposed laser Doppler speed meter works as follows. Orthogonally polarized beams, one of which is emitted by laser 1 at a wavelength of λ ₁ , and the other by laser 2 at a wavelength of λ ₂ , are spatially aligned by the Wollaston 3 polarizing prism and objective 4 are directed to an acousto-optic traveling wave 5 modulator operating in the Bragg diffraction mode. The light beams diffracted into the first and minus first orders have a relative frequency shift Ω equal to the frequency of the ultrasonic wave in the acousto-optical modulator. The polarization structure of the diffracted beams is shown in FIG. 3 (the plane in which diffracted beams propagate is selected vertically for example).

Ахроматическая полуволновая пластинка 6, установленная на пути верхней пары дифрагированных пучков, выполняет поворот плоскости поляризации пучков на 90°. Поляризационная структура лазерных пучков непосредственно после прохождения фазовой пластинки 6 показана на Фиг. 4. Объектив 7 направляет лазерные пучки на поляризационную призму Волластона 8, повернутую относительно призмы 3 на угол 90°. Взаимное расположение объектива 7, акустооптического модулятора 5 и поляризационной призмы 8 обеспечивает оптическое сопряжение источника дифрагированных пучков с его изображением при угловом коэффициенте увеличения, равным отношению угла расщепления поляризационной призмы к удвоенному углу Брэгга. Этим достигается равенство угла между пучками, падающими на призму 8, углу расщепления. Поляризационная призма Волластона 8 расщепляет падающие пучки. Поляризационная структура световых пучков, расщепленных призмой 8, показана на Фиг. 5. Передний фокус объектива 9 совмещен с точкой расщепления световых пучков поляризационной призмой 8. Объектив 9 преобразует расщепленные призмой 8 пучки из расходящихся в распространяющиеся параллельно оптической оси. Эти пучки пересекают плоскость ортогональную оптической оси в точках, образующих вершины четырехугольника, близкого по форме к квадрату abcd, как это показано на Фиг. 5. Одна диагональ прямоугольника (xx) проходит через сечение пучков, цвет которых соответствует длине волны λ₁. Другая диагональ (y'y') проходит через сечения пучков, цвет которых определяется длиной волны λ₂. Пересекающиеся диагонали xx и y'y' задают направления осей координатно-измерительного базиса, близкого к ортогональному. Степень приближения к ортогональному базису (с осями xx и yy) зависит от разницы углов Брэгга Δϕ при дифракции на ультразвуковой волне лазерных пучков с длинами волн λ₁ и λ₂:The achromatic half-wave plate 6, mounted on the path of the upper pair of diffracted beams, rotates the plane of polarization of the beams by 90 °. The polarization structure of the laser beams immediately after the passage of the phase plate 6 is shown in FIG. 4. The lens 7 directs the laser beams to the polarizing prism of Wollaston 8, rotated relative to the prism 3 by an angle of 90 °. The relative position of the lens 7, the acousto-optical modulator 5 and the polarizing prism 8 provides optical coupling of the diffracted beam source with its image at an angular magnification equal to the ratio of the angle of splitting of the polarizing prism to the doubled Bragg angle. This ensures the equality of the angle between the beams incident on the prism 8, the angle of splitting. The polarizing prism of Wollaston 8 splits the incident beams. The polarization structure of the light beams split by a prism 8 is shown in FIG. 5. The front focus of the lens 9 is aligned with the point of splitting of the light beams by a polarizing prism 8. The lens 9 converts the beams split by the prism 8 from diverging to propagating parallel to the optical axis. These beams intersect the plane orthogonal to the optical axis at the points forming the vertices of a quadrangle close in shape to the square abcd, as shown in FIG. 5. One diagonal of the rectangle (xx) passes through the section of beams whose color corresponds to the wavelength λ ₁ . Another diagonal (y'y ') passes through sections of beams whose color is determined by the wavelength λ ₂ . The intersecting diagonals xx and y'y 'define the directions of the axes of the coordinate measuring base, which is close to the orthogonal. The degree of approximation to the orthogonal basis (with the xx and yy axes) depends on the difference in the Bragg angles Δϕ during diffraction by ultrasonic wave of laser beams with wavelengths λ ₁ and λ ₂ :

где Δλ=λ₁-λ₂;where Δλ = λ ₁ -λ ₂ ;

Λ_а - пространственный период ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.Λ _a is the spatial period of the ultrasonic wave in the acousto-optical modulator.

Из (1) следует оценка неортогональности осей координатно-измерительного базисаFrom (1) follows the estimation of the nonorthogonality of the axes of the coordinate measuring base

.

При λ₁=0,55 мкм (зеленый цвет) и λ₂=0,65 мкм (красный цвет) Δψ=0,04. Коррекция ортогональности координатно-измерительного базиса при необходимости достигается поворотом поляризационной призмы 8 относительно оптической оси на угол Δψ и компенсационным поворотом поляризации пучка на выходе поляризационной призмы 3 с использованием, например, полуволновой ахроматической фазовой пластинки либо конструктивно. На практике при λ₁=0.55 мкм и λ₂=0,65 мкм ортогональность координатно-измерительного базиса без каких-либо подстроек выполняется с угловым отклонением Δψ≈2°, что дает вклад в погрешность измерения проекций вектора скорости не превышающий

. Объектив 9 трансформирует расходящиеся лазерные пучки в распространяющиеся параллельно оптической оси. На пути одного из пучков, например, с длиной волны λ₁ помещается четвертьволновая пластинка, превращающая линейную поляризацию в круговую. На пути другого лазерного пучка с длиной волны λ₁ устанавливаются последовательно: светоделительная плоскопараллельная пластинка 13 под углом, близким к углу Брюстера, и четвертьволновая фазовая пластинка 14, трансформирующая линейную поляризацию в круговую. Эти пучки с волновыми векторами k₁ и k₂, имеющие одинаковую круговую поляризацию и отличающиеся по частоте на Ω, объективом 12 направляются в исследуемую среду, где они, пересекаясь, образуют зондирующее поле. Рассеянное движущейся средой поле представляет собой суперпозицию пространственно совмещенных компонент с частотами: ω₁=ω₀₁+k₁v и ω₂=ω_0l+Ω+k₂v, где ω₀₁ и k₁ - соответственно, частота и волновой вектор первого падающего пучка; ω₀₁+Ω и k₂ - частота и волновой вектор второго падающего пучка; ⎥k₁⎢=k₁=⎥k₂⎢=k₂=2π/λ₁. Эти рассеянные пучки объективом 12, зеркалом 20, дихроичным зеркалом 21 и объективом 22 направляются на фотоприемник 23, работающий в режиме оптического смешения. В фотоэлектрическом токе фотоприемника появляется составляющая, частота которой равняется разности частот оптически смешиваемых полейWhen λ ₁ = 0.55 μm (green) and λ ₂ = 0.65 μm (red) Δψ = 0.04. Correction of the orthogonality of the coordinate-measuring basis, if necessary, is achieved by rotating the polarization prism 8 relative to the optical axis by an angle Δψ and compensating rotation of the beam polarization at the output of the polarizing prism 3 using, for example, a half-wave achromatic phase plate or structurally. In practice, at λ ₁ = 0.55 μm and λ ₂ = 0.65 μm, the coordinate measuring basis is made orthogonally without any adjustments with an angular deviation Δψ≈2 °, which contributes to the error in measuring the projections of the velocity vector not exceeding

. Lens 9 transforms diverging laser beams into propagating parallel to the optical axis. On the path of one of the beams, for example, with a wavelength of λ ₁ , a quarter-wave plate is placed, which converts linear polarization to circular. On the path of another laser beam with a wavelength of λ ₁ are installed sequentially: a beam-splitting plane-parallel plate 13 at an angle close to the Brewster angle, and a quarter-wave phase plate 14, which transforms linear polarization into circular. These beams with wave vectors k ₁ and k ₂ , having the same circular polarization and differing in frequency by Ω, are sent by objective 12 to the medium under study, where they intersect to form a probe field. The field scattered by a moving medium is a superposition of spatially aligned components with frequencies: ω ₁ = ω ₀₁ + k ₁ v and ω ₂ = ω _0l + Ω + k ₂ v, where ω ₀₁ and k ₁ are, respectively, the frequency and wave vector of the first incident beam; ω ₀₁ + Ω and k ₂ - frequency and wave vector of the second incident beam; ⎥k ₁ ⎢ = k ₁ = ⎥k ₂ ⎢ = k ₂ = 2π / λ ₁ . These scattered beams by a lens 12, a mirror 20, a dichroic mirror 21, and a lens 22 are directed to a photodetector 23 operating in the optical mixing mode. A component appears in the photoelectric current of the photodetector, the frequency of which is equal to the frequency difference of the optically mixed fields

где ω_Dx=v(k₂-k₁) - доплеровский сдвиг частоты, равный скалярному произведению вектора скорости на разность волновых векторов падающих пучков k₁-k₂, задающую ось x координатно-измерительного базиса.where ω _Dx = v (k ₂ -k ₁ ) is the Doppler frequency shift equal to the scalar product of the velocity vector by the difference of the wave vectors of the incident beams k ₁ -k ₂ defining the x axis of the coordinate-measuring basis.

Величина доплеровского сдвига частоты, и, соответственно, x - проекция вектора скорости v_x определяется блоком обработки сигналов, к которому подключен фотоприемник 23. Знак доплеровского сдвига частоты ω_Dx указывает на направление проекции скорости v_x.The magnitude of the Doppler frequency shift, and, accordingly, x is the projection of the velocity vector v _x is determined by the signal processing unit to which the photodetector 23 is connected. The sign of the Doppler frequency shift ω _Dx indicates the direction of the projection of the velocity v _x .

Полуволновая пластинка 11 согласует поляризации параллельных лазерных пучков с длиной волны λ₂, сформированных объективом 9. Объективом 12 эти пучки с волновыми векторами k₃ и k₄, направляются в исследуемую среду. В области пересечения этих пучков образуется зондирующее поле, пространственно совмещенное с зондирующим полем, сформированным пучками с волновыми векторами k₁ и k₂. Разность волновых векторов k₃-k₄ задает направление оси у координатно-измерительного базиса. Рассеянное движущейся средой поле с длиной волны λ₂ является суперпозицией компонент с частотами ω₃=ω₀₂+Ω+k₃v и ω₄=ω₀₂+k₄v, где k₄ - волновой вектор четвертого падающего пучка с частотой ω₀₂; ω₀₂+Ω и k₃ - частота и волновой вектор третьего падающего пучка; ⎥k₃⎢=k₃=⎥k₄⎢=k₄=2π/λ₂.The half-wave plate 11 matches the polarization of parallel laser beams with a wavelength of λ ₂ formed by objective 9. With objective 12, these beams with wave vectors k ₃ and k ₄ are sent to the medium under study. In the region of intersection of these beams, a probing field is formed, spatially combined with a probing field formed by beams with wave vectors k ₁ and k ₂ . The difference of the wave vectors k ₃ -k ₄ defines the direction of the axis of the coordinate measuring basis. A field scattered by a moving medium with a wavelength of λ ₂ is a superposition of components with frequencies ω ₃ = ω ₀₂ + Ω + k ₃ v and ω ₄ = ω ₀₂ + k ₄ v, where k ₄ is the wave vector of the fourth incident beam with frequency ω ₀₂ ; ω ₀₂ + Ω and k ₃ - frequency and wave vector of the third incident beam; ⎥k ₃ ⎢ = k ₃ = ⎥k ₄ ⎢ = k ₄ = 2π / λ ₂ .

Объективом 12, зеркалом 20, дихроичным зеркалом 21 и объективом 24 рассеянные световые поля с длиной волны λ₂ направляются на фотоприемник 25. Результатом оптического смешения этих полей является появление компоненты фотоэлектрического тока, частота которой равна разности частотLens 12, mirror 20, dichroic mirror 21 and lens 24 scattered light fields with a wavelength of λ _{2 are} sent to the photodetector 25. The result of optical mixing of these fields is the appearance of a component of the photoelectric current, the frequency of which is equal to the frequency difference

Здесь ω_Dy=v(k₃-k₄) - доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный проекции вектора скорости на ось y, задаваемую разностью волновых векторов падающих пучков k₃-k₄.Here ω _Dy = v (k ₃ -k ₄ ) is the Doppler frequency shift proportional to the projection of the velocity vector on the y axis, defined by the difference of the wave vectors of the incident beams k ₃ -k ₄ .

Величина доплеровского сдвига частоты и его знак определяются блоком обработки сигнала, к которому подключен фотоприемник 25.The magnitude of the Doppler frequency shift and its sign are determined by the signal processing unit to which the photodetector 25 is connected.

Компонента скорости v_z находится следующим образом. Световое поле, рассеянное от циркулярно поляризованного падающего пучка с волновым вектором k₂, в направлении, обратном волновому вектору k₁, объективом 12 направляется через четвертьволновую фазовую пластинку 14 на светоделительную пластинку 13, ориентированную под углом, близким к углу Брюстера, отражается от нее, проходит через светофильтр 17 и объективом 18 направляется на фотоприемник 19. Совместным действием право- и левовращающкх четвертьволновых фазовых пластинок 10 и 14 световое поле, рассеянное исследуемой средой от падающего пучка с волновым вектором k₂ в направлении, обратном направлению лазерного пучка с волновым вектором k₁, трансформируется при падении на делительную пластинку в ТЕ-волну. Пластинка 13 отражает ТЕ-волну с высоким коэффициентом отражения. Лазерный пучок с ТМ-поляризацией, падающий на пластинку 13 под углом, близким к углу Брюстера, отражается от нее с малым коэффициентом отражения в направлении четвертьволновой фазовой пластинки 15 и зеркала 16. Отраженный от зеркала 16 пучок после прохождения четвертьволновой пластинки 15 трансформируется в ТЕ-волну, рекомбинирует на пластинке 13 с падающим на нее рассеянным ТЕ-пучком, проходит светофильтр 17 и объективом 18 направляется на фотоприемник 19, выполняя при оптическом смешении роль референтного поля. Поскольку частота рассеянного пучка равна ω₅=ω₀₁+Ω+v(k_2s-k₂), а частота референтного пучка равна ω₆=ω₀₁, в фотоэлектрическом токе на выходе фотоприемника 19 при фотосмешении появляется компонента, частота которой равнаThe velocity component v _z is found as follows. The light field scattered from the circularly polarized incident beam with the wave vector k ₂ , in the direction opposite to the wave vector k ₁ , the lens 12 is directed through the quarter-wave phase plate 14 to the beam splitter plate 13, oriented at an angle close to the Brewster angle, is reflected from it, passes through the filter 17 and the lens 18 is directed to the photodetector 19. By the combined action of the right- and left-handed quarter-wave phase plates 10 and 14, the light field scattered by the medium under study from the incident beam the wave vector k ₂ in the direction opposite to the direction of the laser beam with the wave vector k ₁ is transformed when falling on the separating plate in TE wave. The plate 13 reflects a TE wave with a high reflection coefficient. A laser beam with TM polarization incident on the plate 13 at an angle close to the Brewster angle is reflected from it with a small reflection coefficient in the direction of the quarter-wave phase plate 15 and the mirror 16. The beam reflected from the mirror 16 after passing through the quarter-wave plate 15 is transformed into TE the wave, recombines on the plate 13 with the scattered TE beam incident on it, passes the filter 17 and the lens 18 is directed to the photodetector 19, performing the role of the reference field during optical mixing. Since the frequency of the scattered beam is equal to ω ₅ = ω ₀₁ + Ω + v (k _2s -k ₂ ), and the frequency of the reference beam is equal to ω ₆ = ω ₀₁ , a component appears in the photoelectric current at the output of photodetector 19, with a frequency equal to

Здесь ω_Dz=v(k_2s-k₂) - доплеровский сдвиг частоты, пропорциональный проекции вектора скорости на ось z, задаваемую разностью волновых векторов k_2s-k₂.Here, ω _Dz = v (k _2s -k ₂ ) is the Doppler frequency shift proportional to the projection of the velocity vector onto the z axis, given by the difference of the wave vectors k _2s -k ₂ .

Технический результат заключается в том, что предлагаемый лазерный доплеровский измеритель скорости формирует 3D координатно-измерительный базис из разностных волновых векторов k₁-k₂ (x-компонента), k₃-k₄ (y-компонента), k_2s-k₂ (z-компонента) и позволяет определять соответствующие доплеровские сдвиги частоты согласно формулам (2), (3), (4). Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу, обеспечивая одновременное измерение трех проекций вектора скорости в 3D координатно-измерительном базисе при минимальном числе лазерных пучков, формирующих зондирующее поле, с использованием только одного акустооптического модулятора, за счет чего повышается точность работы лазерного доплеровского измерителя скорости.The technical result consists in the fact that the proposed laser Doppler speed meter forms a 3D coordinate measuring basis of the difference wave vectors k ₁ -k ₂ (x-component), k ₃ -k ₄ (y-component), k _2s -k ₂ ( z-component) and allows one to determine the corresponding Doppler frequency shifts according to formulas (2), (3), (4). Thus, the proposed device solves the problem, providing simultaneous measurement of three projections of the velocity vector in a 3D coordinate measuring base with a minimum number of laser beams forming a probing field using only one acousto-optical modulator, thereby increasing the accuracy of the laser Doppler speed meter.

Claims

Laser Doppler speed meter containing a sequentially located radiation source of two spatially aligned orthogonally polarized laser beams, consisting of the first Wollaston prism and two laser diodes mutually oriented at the splitting angle of the first Wollaston prism, the first lens, an acousto-optic traveling wave modulator, oriented at the Bragg angle to the direction of spatially aligned laser beams, the second lens, the second Wollaston prism, the orientation of which according to oriented to the orientation of the first Wollaston prism, the optical probe of the probing field, in the path of the light beam scattered by the medium under study, there is sequentially located a rotary mirror and a first photodetector connected to a signal processing system, characterized in that an achromatic half-wave phase plate is introduced into it, the first, second and a third quarter-wave plate, a half wave phase plate, a dichroic mirror, and the second and third photodetectors, a filter for the wavelength λ _1, wherein a decree nnom source emission laser diodes different in emission wavelength λ ₁ and λ ₂ in the direction of one of the diffraction orders between the acousto-optical modulator and a first Wollaston prism is installed achromatic poluvolnozaya phase plate, in the path of one of the beams split by the second Wollaston prism with a wavelength λ ₁ , the first quarter-wave phase plate is installed; on the path of another beam with a wavelength of λ ₁ , a plane-parallel transparent beam splitting plate is installed at an angle of Brewster ra and the second quarter-wave phase plate, a half-wave phase plate is installed in the path of one of the laser beams with a wavelength of λ _2, a dichroic mirror is placed between the rotary mirror and the first photodetector, the transmission and reflection of which is consistent with the laser radiation wavelengths diodes, in the image plane of the probe field formed in the beam reflected by the dichroic mirror, a second photodetector is connected to the signal processing system c, in the path of a light beam with a wavelength of λ ₁ reflected from the beam splitter plate, a third quarter-wave phase plate and a mirror are installed in series, in the path of a light beam scattered by the test medium in the direction of an incident beam with a wavelength of λ ₁ and reflected from the beam splitter sequentially a filter at a wavelength of λ ₁ , a third photodetector connected to a signal processing system.