SU1080084A1

SU1080084A1 - Inversive-differential laser doppler meter of liquid or gas flow speed

Info

Publication number: SU1080084A1
Application number: SU823491695A
Authority: SU
Inventors: Владимир Михайлович Землянский; Андрей Михайлович Демещик
Original assignee: Киевский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Инженеров Гражданской Авиации
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1982-09-20
Publication date: 1984-03-15

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени локальной скорости потоков жидкости или газа оптическими средствами.The invention relates to a measuring technique and can be used to measure the local velocity of a stream of liquid or gas by optical means.

Известна инверсно-дифференциальна схема лазерного доплеровского измерител скорости, состо ща из лазера, фокусирующего и собирающего объективов ,диафрагмы с двум отверсти ми, светоотражател , светоделител , фотоприемника и измерител доплеровской частоты tl3.The inverse-differential laser doppler velocity velocity meter is known, consisting of a laser, focusing and collecting lenses, aperture with two holes, a reflector, a beam splitter, a photodetector, and a doppler frequency meter tl3.

Недостатком схемы вл етс ее низка чувствительность при малых углах рассе ни , что ограничивает нижний диапазон измер емых скоростей .The disadvantage of the circuit is its low sensitivity at small scattering angles, which limits the lower range of measured velocities.

Наиболее близкой к изобретению вл етс инверсно-дифференциальна схема измерител скорости, содержаща последовательно установленные и оптически сопр женные лазер, устройство сдвигачастоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейс полуволновой пластинок, фокусирующий и собиракадий объективы, диафрагму с двум отверсти ми, распложенную перпендикул рно оптической оси схемы, пол ризационный расщепитель и два фотоприемника, подклюэченных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты 2Closest to the invention is an inverse-differential circuit of a velocity meter comprising a sequentially mounted and optically coupled laser, a frequency shift device made in the form of a quarter-wave and rotating half-wave plates, focusing and assembling lenses, a two-hole diaphragm, perpendicular to the optical axis schemes, a polarization splitter and two photodetectors connected by outputs through a mixer to the Doppler frequency meter 2

Данна схема обладает низким отношением сигнал-шум вследствие того , что на фотоприемники направл ютс два рассе нных пучка, распростран ющихс под углом друг к другу , поэтому только незначительна часть мощности рассе нного пучка участвует в фотосмещении. Следовательно , мощность, принимаема фотоприемником , определ етс не ра.змером двух отверстий .в диафрагме, а размером диафрагмы, установленной перед фотоприемником. Размер этой диафрагмы выбираетс равным полупериоду интерференционной картины, создаваемой от пересечени двух рассе нных пучков в области изображени собирающего объектива, причем мощность, принимаема фотоприемником , тем меньше, чем больший угол рассе ни используетс в схеме . Таким образом, в известной схеме повышение чувствительности, достигаемое за счет увеличени угла приема рассе нного света, приводит к значительному снижению отношени сигнал-шум, что практически затрудн ет выделение сигнала из помех и снижает точность измерени .This scheme has a low signal-to-noise ratio due to the fact that two scattered beams are directed to the photodetectors, which propagate at an angle to each other, therefore only a small part of the scattered beam power is involved in the photo-shift. Consequently, the power received by the photodetector is not determined by the size of the two orifices in the diaphragm, but by the size of the diaphragm installed in front of the photoreceiver. The size of this diaphragm is chosen to be equal to the half-period of the interference pattern created from the intersection of two scattered beams in the image area of the collecting lens, and the power received by the photoreceiver is smaller, the larger the scattering angle used in the scheme. Thus, in the known scheme, the increase in sensitivity achieved by increasing the reception angle of scattered light leads to a significant decrease in the signal-to-noise ratio, which makes it difficult to isolate the signal from interference and reduces the measurement accuracy.

Цель изобретени - повыиение точности измерений за счет увеличени соотношени сигнал - шум.The purpose of the invention is to increase the measurement accuracy by increasing the signal-to-noise ratio.

Поставленна цель достигаетс тем, что в инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский иэмеритеаThe goal is achieved by the fact that in the inverse differential laser Doppler

скорости потока жидкости или газа, содержащий последовательно установленные и оптически сопр женные лазер , устройство-сдвига частоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейс полуволновой пластинок , фокусиругаций и собирающий объективы, диафрагму с двум отверсти ми , расположенную перпендикул рно оптической оси схемы, пол ризационный расщепитель и два фотоприемника , подключенных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты, дополнительно введны полуволнова пластинка, светоотражатель и светоделитель, при этом светоотражатель и светоделител расположены между диафрагмой и пол ризационным расщепителем и оптически сопр жены с двум отверсти ми диафрагмы, дополнительна полуволнова пластинка установлена между светоотражателем и светоделителем , четвертьволнова пластинка устройства сдвига частоты установлена за вращагадейс полуволновой пластинкой, а геометрическа ось, проход ща через противолежащие отверсти диафрагмы, составл ет угол i45 с-осью наибольшей скорости света вчетвертьволновой пластинке устройства сдвига частоты.liquid or gas flow rates containing a sequentially mounted and optically conjugated laser, a frequency shifter, made in the form of a quarter-wave and rotating half-wave plates, focusing and collecting lenses, a two-hole diaphragm located perpendicular to the optical axis of the circuit, a polarization splitter and two photodetectors connected by outputs through the mixer to the Doppler frequency meter, a half-wave plate, a light reflector and a beam splitter are additionally introduced while the reflector and the beam splitter are located between the diaphragm and the polarization splitter and are optically coupled with two apertures, an additional half-wave plate is installed between the light reflector and the beam splitter, the quarter-wave plate of the frequency shifter is installed by a half-wave plate, and a geometric waveguide slit is located on the slit of the frequency shift plate, the waveform slider is installed by a half-wave plate, opposite apertures of the diaphragm, makes an angle of i45 with the axis of maximum speed of light in a quarter-wave plate of a shear device for an hour Ota.

На чертеже представлена блоксхема предлагаемого измерител .The drawing shows the block diagram of the proposed meter.

-Инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский измеритель скорости содержит лазер 1, излучающий линейно пол ризованный луч 2, устройство сдвига частоты 3, состо ще из. вращающейс в магнитном (либо электрическом) поле полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой платинки 5, фокусирукщий объектив 6, область измерени 7, собИраивдий расе нные лучи 8 и 9 объектив 10, диафрагму 11 с двум отверсти ми, светоотражатель 12, полуволновую пластинку 13, светоделитель 14, пол ризационный расщепитель 15, фотоприемники 16 и 17, смеситель 18 и измеритель доплеровской частоты 19.The differential-differential laser Doppler velocity meter contains a laser 1, emitting a linearly polarized beam 2, a frequency shifter 3, consisting of. rotating in a magnetic (or electric) field a half-wave plate 4 and a quarter-wave platinum 5, a focusing lens 6, a measurement area 7, a collection of propagated rays 8 and 9, a lens 10, aperture 11 with two holes, a retroreflector 12, a half-wave plate 13, a beam splitter 14 , a polarization splitter 15, photodetectors 16 and 17, a mixer 18 and a Doppler frequency meter 19.

Измеритель скорости работает слдующим образом.The speed meter works in the following way.

Лазер 1 излучает луч 2, который поступает на вход устройства сдвига частоты 3, состо щего из вращающейс полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой пластинки 5. На выходе такого устройства сдвига частоты 3 образуютс два пространственно совмещенных луча со взаимно ортогональными линейными состо ни ми пол ризации Е и Е (Р мер, горизонтальна и вертикальна пол ризаци , если азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки равен 45°) и различными частотами и Юр-Й ,где ii; углова частота излучени лазера; Sf - частотное смещение луча лазера после прохождени его через уст ройство сдвига частоты 3 . Эти два луча фокусируютс объективом 6 в область измерени 7, движущегос с скоростью V потока. Рассе нный под углом 8 луч 8 (1ч собираетс объективом 10 и направл етс через отверстие а диафрагмы 11 на светоо ражатель 12, а затем (после прохож дени полуволновой пластинки 13 и светоделител 14) луч 8 поступает . на вход пол ризованного расщепител 15. Рассе нный под углом & луч 9(Kg) собираетс также объективом 10и направл етс через отверстие б диафрагмы 11 (после отражени его от светоделител 14) на вход пол ризационного расщепител 15. П чем юстировкой светоотражател 12 и светоделител 14 добиваютс пространственного совмещени лучей 8 и 9, т.е. чтобы их оптические оа совпадали при распространении рассе нных лучей.от светоделител до фотоприемников. Поскольку диафрагма 11расположена так, что ось, проход ща через центры отверстий а и б и расположенна перпендикул рно оптической оси облучающего луча к лежит в плоскости (0X2 или ОУ2), образованной оптической осью облучакицего луча и пло.скостью пол ри зации одного из расщепленных по частоте лучей (Ё или ЕО поэто му рассе нные лучи 8 и 9, собираемы в пределах отверстий а и б диафраг мы 11, как следует из векторной те рии рассе ни МИ, имеют также линейное состо ние пол ризации. Следовательно , если пространственна ориентаци двух отверстий диафрагмы выбрана так, что ось, проход ща через противоположные отверсти составл ет угол f 45 с азимутом ос наибольшей скорости четвертьволновой пластинки, то в этом случае рассе нное излучение, проход щее через эти отверсти , сохран ет неи менным свое состо ние пол ризации. В общем случае при приеме излучени в других направлени х, как следует из векторной теории рассе ни , происходит изменение пол ризации рассе нного излучени (например, рассе нное излучение имеет элиптическую пол ризацию) . С помс дью полуволновой пластинки 13 осуществл етс поворот азимута линейно пол ризованного луча 8 на угол 90 Таким образом на выходе пол ризационного рас цепител формируетс рассе нный пучок с горизонтальным состо нием пол ризации, вс мощность которого принимаетс приетлНИКОМ 16, и излучение с вертикальным состо нием пол ризации, вс . мощность которого принимаетс фотоприемником 17. В результате оптического гетеродинировани на выходе фотопрйемника 16 образуетс переменна составл гаца сигнала на частоте 2SI + и), а на выходе фотоприемника 17 - равна ей по амплитуде переменна -составл юща сигнала на частоте 2Я-и;д,где доплеровский сэдвиг частоты, пропсрцирнальный проекции вектора скорости V на разност( ный волновой вектор Kg - Kj Сигналы с выходов фотоприемников 16 и 17 поступают на входы смесител 18, на выходе которого вьдел етс разностна частота биений, равна 2 о котора измер етс измерителем доплеровской частоты 19. На чертеже представлены два варианта расположени диафрагмы 11. Если отверсти а и б расположены вертикально (вдоль оси ОУ), то осуществл етс измерение вертикальной составл к цей ..вектора скорости. При расположении отверстий диафрагмы вдоль оси ОХ Доплеровека частота сигнала, измер ема ,измерителем частоты 19, пропорциональна горизонтальной составл ющей вектора скорости . Если возникает необходимость измерить проекцию вектора скорости на ось, составл ющую с осью ОХ, например, угол 40, то необходимо, во-первых,установить азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки 5 равным 95, во-вторых, обеспечить согласование ориентации отверстий диафрагмы 11с плоскостью пол ризации одного из облучающих лучей 7, т.е. поворотов диафрагмы вокруг Оси добитьс , чтобы ось, проход ща через отверсти а и б, составл ла угол 45 с осью наибольшей скорости пластинки 3. Есл-и эти условие не выполнить, то рассе нное излучение, собираемое в пределах отверстий диафрагмы, в общем случае имеет эллиптическую пол ризацию, что приводит к по влению на выходе казкдого фотоприемника двух спектров с частотами . Следовательно, в этом случае выделить полезный сигнал из помех на выходе смесител становитс затруднительным.-. В предлагаемом измерителе рассе нное излучение., проиедшее свето Д1злите ь и пол ризационный расщепитель , полностью направл етс на фотоириемник. Это приводит к увеличению мощности рассе нного излучени принимаемого фотоприемником и, , следовательно, к повышению отношени сигнал - шум по сравнению с известной схемой. Так, в известной 5 схеме угол между рассе нными лучами , направл емыми на фотоприемник, равен 2в-5.В этом случае в предла1080084б гаемой отношение сигнал - шум на пор док больше, чем в известной схе ме.Laser 1 emits beam 2, which enters the input of frequency shifter 3, consisting of a rotating half-wave plate 4 and a quarter-wave plate 5. At the output of such a frequency shift device 3, two spatially aligned beams with mutually orthogonal linear polarization states E and Е (Р measures, horizontal and vertical polarization, if the azimuth of the axis of the maximum speed of a quarter-wave plate is 45 °) and different frequencies and Yr-Y, where ii; laser angular frequency; Sf is the frequency shift of the laser beam after passing it through the device of frequency shift 3. These two beams are focused by the lens 6 into the measurement region 7 moving with the flow velocity V. The beam 8 scattered at an angle of 8 (1h is collected by the lens 10 and directed through the aperture 11 of the diaphragm 11 to the illuminator 12, and then (after passing the half-wave plate 13 and the splitter 14), the beam 8 enters the input of the polarized splitter 15. The diffuse The angled & beam 9 (Kg) is also collected by the lens 10 and guided through the opening 6 of the diaphragm 11 (after reflecting it from the splitter 14) to the input of the polarization splitter 15. By adjusting the reflector 12 and the splitter 14, spatial alignment of the rays 8 and 9, i.e. Their optical fibers coincided in the propagation of scattered rays from the beam splitter to the photodetectors. Since the diaphragm 11 is so positioned that the axis passing through the centers of the a and b holes and located perpendicular to the optical axis of the irradiating beam k lies in the (0X2 or OU2) plane, the optical axis of the irradiation beam and the plane polarization of one of the frequencies split by frequency (E or EO therefore scattered rays 8 and 9 are collected within aperture a and b of the diaphragm 11, as follows from vector theory scattered MI, have m as a linear polarization state. Therefore, if the spatial orientation of the two orifices of the diaphragm is chosen so that the axis passing through the opposite holes makes an angle F 45 with the azimuth of the axis of the fastest speed of a quarter-wave plate, in this case the scattered radiation passing through these holes remains unchanged. its state of polarization. In the general case, when receiving radiation in other directions, as follows from the vector scattering theory, there is a change in the polarization of the scattered radiation (for example, the scattered radiation has an elliptic polarization). With the help of the half-wave plate 13, the azimuth of the linearly polarized beam 8 is rotated through an angle of 90. Thus, at the output of the polarization release, a scattered beam with a horizontal state of polarization, whose power is received by an excellent 16, and a radiation with a vertical state are formed polarization, sun the power of which is received by the photodetector 17. As a result of the optical heterodyne, the output of the photodetector 16 produces a variable component of the signal at 2SI + and), and the output of the photodetector 17 is equal in amplitude to the variable -the component of the signal at the frequency 2I-i; the Doppler frequency shift, the projection of the projection of the velocity vector V to the difference (the wave wave vector Kg - Kj) The signals from the outputs of the photoreceivers 16 and 17 are fed to the inputs of the mixer 18, the output of which is the difference frequency of the beats The device is measured with a Doppler frequency meter 19. The drawing shows two variants of the arrangement of the diaphragm 11. If the holes a and b are arranged vertically (along the axis of the op-amp), then the vertical proportion is measured to the speed vector. When the holes of the diaphragm are arranged along the axis OX The Doppler frequency of the signal measured by the frequency meter 19 is proportional to the horizontal component of the velocity vector. If it is necessary to measure the projection of the velocity vector on the axis, the component with the axis OX, for example, 40, then it is necessary, first, to set the azimuth of the axis of maximum speed of a quarter-wave plate 5 to 95, and second, to ensure that the orientation of the orifices of the diaphragm 11 coincides with the polarization plane of one of the irradiating rays 7, i.e. turning the diaphragm around the axis to achieve that the axis passing through the a and b holes make an angle of 45 with the axis of the highest speed of the plate 3. If these conditions are not fulfilled, then the scattered radiation collected within the aperture holes, in the general case has an elliptical polarization, which leads to the appearance at the output of a photodetector of two spectra with frequencies. Therefore, in this case, it is difficult to isolate the useful signal from the noise at the mixer output. In the proposed meter, the scattered radiation, transmitted by the light of the light and the polarization splitter, is completely directed to the photo radiation detector. This leads to an increase in the power of the scattered radiation received by the photoreceiver and, therefore, to an increase in the signal-to-noise ratio as compared with the known circuit. Thus, in the known 5 scheme, the angle between the scattered rays directed to the photodetector is 2–5. In this case, the proposed signal – to-noise ratio is an order of magnitude larger than in the well-known scheme.

J А 5J A 5

t1t1

WW

Claims

INVERSION-DIFFERENTIAL LASER DOPLER LIQUID OR GAS FLOW SPEED METER, comprising a sequentially mounted and optically coupled laser, a frequency shift device made in the form of a quarter-wave and rotating half-wave plate, focusing and collecting lenses with an optical axis diaphragm, aperture a splitter and two photodetectors connected by outputs through a mixer to a Doppler frequency meter, characterized in that, with the purpose of increasing accuracy by increasing the signal-to-noise ratio is to add it. Introduced a half-wave plate, a reflector and a beam splitter.

in this case, the “reflector /’ ”and the beam splitter are located between the diaphragm and the polarization splitter and are optically coupled to two holes of the diaphragm, an additional half-wave plate is installed

- between the reflector and the beam splitter, the quarter-wave plate of the frequency shift device is installed behind the rotating half-wave plate, and the geometric axis passing through the opposite holes of the diaphragm makes an angle of 145 ° with the axis of the highest speed of light in the quarter-wave plate of the frequency shift device.

r ^{, D} ns