SU1569715A1

SU1569715A1 - Лазерный доплеровский измеритель скорости

Info

Publication number: SU1569715A1
Application number: SU884392404A
Authority: SU
Inventors: Юрий Николаевич Дубнищев; Владимир Генриевич Меледин
Original assignee: Институт теплофизики СО АН СССР
Priority date: 1988-03-16
Filing date: 1988-03-16
Publication date: 1990-06-07

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени скорости движени рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов. Цель изобретени - повышение точности измерений за счет снижени относительной доли аппаратного уширени спектра ДС. Допплеровский сигнал (ДС) с выхода фотоприемника 4 поступает через автоматический регул тор усилени (АРУ) 6 на вход след щего процессора ДС, содержащего последовательно включенные двухвходовый детектор частотного рассогласовани 12, интегратор 13 и квадратурный генератор, управл емый напр жением (ГУН) 11. Сигнал, поступающий с каждого из выходов ГУН подвергаетс N - кратному преобразованию частоты вверх по отношению к частоте входного ДС, где N - число последовательно соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты, каждый из которых содержит смеситель и выходной полосовой фильтр. Сигнальные входы всех смесителей объединены и подключены к выходу АРУ 6. 1 ил.

Description

,-

Изобретение относитс к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл измерени скорости движени рассеивающих свет поверхностей , жидкостей, газов.

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени путем параметрического преобразовани вверх частоты анализируемого допплеров- ского сигнала при уменьшении относительной доли спектрального ускоре- ни .

На чертеже показана блок-схема измерител с

Измеритель содержит лазер 1, расположенную по ходу луча оптическую формирующую систему 2, приемную опти ческую систему 3 и фотоприемник 4, к которому последовательно подключены входной фильтр 5, автоматический регул тор 6 усилени и след щий процессор допплеровского сигнала (ДС), содержащий первый и второй параметрические преобразователи частоты, включающие смесители 7 и 8 и выходные полосовые фильтры 9 и 10 (ПФ), квадратурный генератор 11, управл емый напр жением (ГУН), двухвходовый детектор 12 частотного рассогласовани (ДЧР), интегратор 13, Между выходом ПФ 9 и первым входом ДЧР 12 введена последовательность соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты (ППЧ), включающих смесители 14 и ПФ 15, а между выходом ПФ 10 и вторым входом ДЧР 12 - последовательность ППЧ, вклю чающих смесители 16 и ПФ 17. Кажда цепочка последовательно соединенных ППЧ образует квадратурную ветвь след щего процессора ДС, Сигнальные входы всех ППЧ объединены и соединены с выходом АРУ 6,

Измеритель работает следующим образом .

0

5

0

Лазер 1 и оптическа система 2 формируют в исследуемой среде лазерное зондирующее поле с известной узкополосной структурой, период которой равен - , Изображение этого пол в рассе нном свете формируетс приемной оптической системой 3 на светочувствительной поверхности фотоприемника 4. В результате в фотоэлектрическом сигнале по вл етс переменна составл юща , частота которой f У/Д, где V - скорость рассеивающих частиц относительно периодической пространственной структуры зондирующего оптического пол , После фильтрации низкочастотного пьедестала и автоматической регулировки усилени сигнал на входе первых смесителей 7 и 8 можно представить в виде cos Wp t, где A - амплитуда; U7D . После смещени с сигналом квадратурного ГУН на выходе первых смесителей в каждой квадратурной ветви след щего процессора сигнал имеет (.с точностью до посто нной фазы) вид

i1eAcosu t cpsturt -Acos(u; tor)t+ + Acos(u) +u)t;

L Т) Г

i2 Acosu)-t -rA sin()t +

55

45 + - Asin(w +ш )t

Сигнал на выходе ПФ 9 и 10 в кажд ветви имеет вид

1 , . 1, A cos (

ia A sin ()r)t,

Соответственно, на выходе смесителей 14 и 16 второго ППЧ системы имеют вид

1 ж /

ц А сов (со -w )t- costo t

1 г1 2

т А cos()t + 7 A coswrt;

I 2

i - A sin((x W)t cosu t 2-2в rD

1г. i ,

7 A sin(2oo GJ) t + A sinkit.

(4JU Г 4

Вид,сигналов на выходе фильтров и 17:

1f

7 A cos()t;

1 2

Ј A .

При включении в каждую квадратурну ветвь последовательности из N ППЧ на входах ДЧР 12 получают сигналыi , Ј NA cosCNo -Wr)t; Ц NA sin()t.

При детектор 12 частотного рассогласовани формирует сигнал, пропорциональный разности частот 2си - W , которьй интегратором 13 преобразуетс в напр жение, управл ющее частотой генератора 9. В результате действи цепи обратной св зи частота ГУН OJr оказываетс равной удвоенной частоте входного сигнала

Wr 2WD.

Результирующий сигнал с выхода ГУН след щего процессора оказываетс эквивалентным сигналу в ситуации, когда пространственный период структуры зондирующего пол Д -v- составл ет экв j1

половину реального

Врем пролетное уширение д f flf) допплеровского спектра

flf

JJ Л 8П ш мХ

где $ - размер зондирующего оптического пол ;

М - число реальных пространственных периодов в структуре этого пол .

При N-кратном параметрическом преобразовании частоты ДС вверх относительна дол врем пролетного уширени Ј допплеровского спектра равна

L:.f in.

Nf о

.КУ./ЛУ.

мл л

К

гоГ

1569715

При гауссовой форме огибающей зондирующего объема лазерного анемометра относительна дол врем пролет- ного уширени спектра составл ет ве- 5j

личину 4fbn/ЈD.

0

Таким образом, относительна дол врем пролетного (аппаратного) уширени допплеровского спектра оказываетс в VN раз меньше, чем у известных измерителейо Снижение относительной доли аппаратного уширени спектра 5 ДС эквивалентно снижению уровн фазовых шумов в выходном сигнале измерительного устройства, что приводит к уменьшению погрешности измерений.

0 Фор мула изобретени

Лазерный допплеровский измеритель скорости, содержащий оптически согласованные лазер, оптическую формирую5 Щую и приемную системы, фотоприемник, к выходу которого последовательно подключены входной частотный фильтр, автоматический регул тор усилени и след щий процессор допплеровского

0 сигнала, включающий последовательно соединенные .двухвходовый детектор частотного рассогласовани , интегратор и квадратурный генератор, управл емый напр жением, первый и второй выходы которого подключены к опорным входам соответственно первого и второго параметрического преобразовател частоты, каждый из которых содержит двухвходовый смеситель и выходной по- лосовой фильтр, причем сигнальные входы первого и второго параметрических преобразователей частоты объединены и подключены к выходу автоматического регул тора усилени , о т л и чающий с тем, что, с целью повышени точности измерени , дополнительно содержит четное количество параметрических преобразователей частоты, одна половина которых соединена последовательно по опорным входам и включена между выходом первого параметрического преобразовател частоты и первым входом детектора частотного рассогласовани , а втора половина соединена последовательно по опорному входу и включена между выходом второго параметрического преобразовател частоты и вторым входом детек- тора частотного рассогппсовани , при

5

0

5

0

5

715697158

этом сигнальные входы дополнительных тот объединены и подключены к выходу параметрических преобразователей час- автоматического регул тора усилени .

Claims

Формула изобретения

Лазерный допплеровский измеритель скорости, содержащий оптически согласованные лазер, оптическую формирующую и приемную системы, фотоприемник, к выходу которого последовательно подключены входной частотный фильтр, автоматический регулятор усиления и следящий процессор допплеровского вия цепи обратной связи частота ГУК О>_г оказывается равной удвоенной частоте входного сигнала ^ωΓ⁼
2ω_Β·

Результирующий сигнал с выхода ГУН следящего процессора оказывается эк-вивалентным сигналу в ситуации, когда пространственный период структуры зонА дирующего поля Λ , _о= —-_л~ составляет экв половину реального»

Времяпролетное уширение &f_fln допплеровского спектра
3θ сигнала, включающий последовательно соединенные .двухвходовый детектор частотного рассогласования, интегратор и квадратурный генератор, управляемый напряжением, первый и второй выходы

35 которого подключены к опорным входам соответственно первого и второго параметрического преобразователя частоты, каждый из которых содержит двухвходовый смеситель и выходной по40- лосовой фильтр, причем сигнальные входы первого и второго параметрических преобразователей частоты объединены и подключены к выходу автоматического
8п где - размер зондирующего оптического поля;

М - число реальных пространственных периодов в структуре этого поля.

При N-кратном параметрическом преобразовании частоты ДС вверх относительная доля времяпролетного уширения £ допплеровского спектра равна

К; Л fan- ₌ КУ , NV ₌ _К

Nfo МА⁷ А ~NM регулятора усиления, отличаю45 щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно содержит четное количество параметрических преобразователей частоты, одна половина которых соединена по5θ следовательно по опорным входам и . включена между выходом первого параметрического преобразователя частоты и первым входом детектора частотного рассогласования, а вторая поло55 вина соединена последовательно по опорному входу и включена между выходом второго параметрического преобразователя частоты и вторым входом детек1тора частотного рассогласования, при этом сигнальные входы дополнительных параметрических преобразователей час тот объединены и подключены к выходу автоматического регулятора усиления.