Приемно-передающее устройство лазерного доплеровского измерителя

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРИЕМНО-ПЕРЕДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Стецик Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Приемно-передающее устройство лазерного доплеровского измерителя, содержащее оптически связанные лазерный излучатель, линзу, фотодетектор, отличающееся тем, что в него введены вторая линза, блок фокусировки второй линзы и датчик амплитуды, а в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазер, причем часть излучения лазера через первую линзу направлена на фотодетектор, другая часть излучения через вторую линзу - к измеряемому объекту, а зеркало резонатора лазера использовано для направления отраженного от объекта излучения на фотодетектор при этом блок фокусировки второй линзы через датчик амплитуды соединен с фотодетектором.(56) 1. Патент РФ 1431498, 1996. 2. Патент РФ 2243568, МПК 015/26, 2004. 3. Физика полупроводниковых лазеров / Под ред. . Такумы. - М. Мир, 1989. - С. 310 Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в доплеровских измерителях скорости движения, рассеивающих оптическое излучение потоков жидкости и газов, а также твердых и диффузно отражающих объектов,вибрации отражающих поверхностей и т.п. Известна оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости 1, содержащая лазерный излучатель, поворотную призму, дифракционную решетку, светоде 38862007.10.30 лительную пластинку, линзы, приемник излучения. Недостатками этого устройства являются сложность конструкции и большие потери излучения на оптических элементах. Наиболее близким к предлагаемому устройству является оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости 2, содержащая лазер, моностатическую антенну,кольцеобразователь, коллиматор, светоделительную пластину, линзу фотодетектора, фотодетектор, при этом все оптические оси расположены в одной плоскости. Такая система позволяет измерять доплеровские сдвиги лазерного излучения, отраженного от движущегося объекта, например от вибрирующей поверхности. Недостатками этого устройства являются сложность конструкции и ограниченная точность измерений, обусловленная тем,что возможные вибрации и изменение коэффициентов отражения зеркал кольцеобразователя и светоделительной пластины будут влиять на точность измерения доплеровской частоты, а следовательно, на точность измерений системы в целом. Задача полезной модели - повышение точности измерений и упрощение конструкции оптической схемы лазерного доплеровского измерителя. Решение поставленной задачи позволит создавать оптические измерительные головки для доплеровских измерителей скорости движения, рассеивающих оптическое излучение потоков жидкости и газов, твердых и диффузно отражающих объектов, а также для измерения параметров вибрации отражающих поверхностей. Поставленная задача решается путем того, что в устройство 2, содержащее оптически связанные лазерный излучатель, линзу, фотодетектор, введены вторая линза, блок фокусировки второй линзы и датчик амплитуды, а в качестве лазерного излучателя использован полупроводниковый лазер, причем часть излучения лазера через первую линзу направлена на фотодетектор, другая часть излучения через вторую линзу - к измеряемому объекту, а зеркало резонатора лазера использовано для направления отраженного от объекта излучения на фотодетектор при этом блок фокусировки второй линзы через датчик амплитуды соединен с фотодетектором. Свойства, появляющиеся у заявляемого устройства, следующие повышение точности измерения, обусловленное тем, что в заявляемой системе отсутствует влияние возможных вибрации и изменения коэффициентов отражения зеркал кольцеобразователя и светоделительной пластины на точность измерения доплеровской частоты. Вибрации резонатора лазера будут оказывать одинаковое влияние как на опорный, так и на измерительный сигналы, и, следовательно, не будут влиять на гетеродинное выделение доплеровского сигнала повышение точности измерения также достигается за счет того, что осуществляется автоматическая фокусировка второй линзы по максимуму амплитуды сигнала на выходе приемника излучения, что улучшает отношение сигнал/шум упрощение конструкции оптической схемы достигается вследствие исключения из нее зеркал кольцеобразователя и светоделительной пластины, что также значительно упрощает процесс юстировки. На фигуре представлена функциональная схема приемно-передающего устройства лазерного доплеровского измерителя. Устройство содержит лазерный излучатель 1, первую линзу 2, гетеродинный фотоприемник 3, вторую линзу 4, блок фокусировки второй линзы 5, датчик амплитуды 6, измеряемый объект 7. Устройство работает следующим образом. Лазерный излучатель 1 излучает оптическое излучение частотой . В качестве лазерного излучателя 1 использован полупроводниковый лазер, обладающий широкой диаграммой направленности излучения, равной . Диаграмма направленности современных полупроводниковых лазеров составляет 20-30 градусов в плоскости, перпендикулярной переходу, и 8-15 градусов в плоскости -перехода 3, что вполне позволяет сформировать с помощью линз два луча для опорного и измерительного канала. Часть излучения отделяется линзой 2 и подается на гетеродинный фотоприемник 3 в качестве опорного сигнала для оптического гетеродинирования. 2 38862007.10.30 Другая часть излучения лазера направляется линзой 4 к измеряемому объекту 7. В результате эффекта Допплера в зависимости от направления скорости движения отраженное от вибрирующей (движущейся) поверхности объекта излучение приобретает сдвиг частоты где- длина волны излучения лазера,- скорость контролируемой точки поверхности,угол между направлением скорости и направлением лазерного луча. Следовательно, частота отраженного от объекта оптического излучения будет равна. Отраженное от объекта излучение собирается линзой 4 и, отразившись от зеркала резонатора лазера 1,направляется линзой 2 на фотоприемник 3. Таким образом, на фотоприемник 3 поступают два сигнала опорныйчастотойи отраженный от объекта - частотой. В результате оптического гетеродинирования на фотоприемнике 3 выделяется сигнал доплеровской частоты, определяемый формулой (1). Наилучшие условия работы системы реализуются в случае, когда половина излучения лазера попадает на линзу 2, а вторая половина на линзу 4. Коэффициент отражения с внешней стороны от зеркала резонатора лазера близок к единице благодаря большой разнице коэффициентов преломления активного вещества полупроводникового лазера и воздуха. Сигнал с фотоприемника 3 поступает также на датчик амплитуды 6, где измеряется амплитуда сигнала и это значение подается в блок фокусировки второй линзы 5. При изменении расстояния до измеряемого объекта блок фокусировки 5 изменяет положение второй линзы таким образом, чтобы добиться максимального значения амплитуды доплеровского сигнала при данном расстоянии до объекта, что повышает отношение сигнал/шум, а следовательно, точность измерений. Такие системы позволяют измерять вибрации и микроперемещения на уровне /2, что соответствует амплитуде вибрации в доли и единицы микрометров. Следовательно, при фокусном расстоянии второй линзы в единицы сантиметров возможна достаточно точная подстройка второй линзы на максимум амплитуды доплеровского сигнала. Если расстояние до измеряемого объекта будет изменяться в широких пределах (например, объект движется), то блок фокусировки 5 устанавливает положение второй линзы таким образом, чтобы из линзы выходил параллельный лазерный пучок (лазер находится в фокусе линзы). При этом амплитуда доплеровского сигнала не будет значительно изменяться при изменении расстояния. Переключение режимов работы измерения микроперемещений или измерения движущихся объектов осуществляется в блок фокусировки второй линзы 5. Предложенная приемно-передающая система в отличие от известных обладает простотой, минимальным количеством оптических элементов, практически не нуждается в юстировке и может использоваться для создания миниатюрных доплеровских измерителей скорости и вибрации. Таким образом, использование в качестве источника зондирующего излучения полупроводникового лазера, обладающего широкой диаграммой направленности излучения,дополнительной линзы с блоком фокусировки и использование зеркала резонатора лазера в качестве отражателя дистанционного сигнала для обеспечения гетеродинного выделения доплеровского сигнала позволяет повысить точность измерений и упростить конструкцию и юстировку оптической системы. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3