Патент на изобретение №2225015

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА

(57) Реферат:

Предложены способ и устройство для измерения скорости, по меньшей мере, одного объекта с применением эффекта Доплера, согласно которым свет, рассеиваемый объектом, освещенным лазерным лучом, улавливается средствами формирования изображения и передается на детекторы света CCD через средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту лазерного освещения. Предусмотрены средства для генерирования контрольных монохроматических световых потоков с частотами, отличающимися от частоты лазерного освещения на постоянный и известный сдвиг частоты. Указанные контрольные световые потоки для коррекции вводятся в оптические средства формирования изображения и передаются на детекторы света CCD. Достигаемым техническим результатом является повышение точности измерения скорости. 2 c. и 8 з.п.ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение касается способа и устройства для измерения скорости с применением эффекта Доплера, в частности, для измерения поля скоростей в потоке текучей среды, а также для измерения скоростей движущихся твердых тел, таких как баллистические снаряды или ракеты.

Известен способ определения составляющих скорости объекта, освещенного лазерным лучом, выходящим из пучка, на основе силы света, рассеиваемого этим объектом и принимаемого непосредственно соответствующими приемниками света, и на основе силы этого света, принимаемого другими соответствующими приемниками света через средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту осветительного лазерного луча (см., например, документы ЕР-0506657 и AIAA 97-0498, 35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, 6-10 января 1997 года, “Planar Doppler Velocimetry performance in low-speed flows”, R. L. McKenzie). Обычно лазерный луч излучается аргоновым лазерным генератором или лазерным генератором типа Nd-YAG, подсоединенным к удвоителю частоты и работающим в импульсном режиме, при этом средства спектрального фильтрования содержат кювету с иодовым паром, которая имеет полосу поглощения, близкую к частоте осветительного лазерного луча, и светопропускание которой происходит примерно на 50% на этой частоте, а приемники света являются приемниками типа матриц CCD.

Средства спектрального фильтрования предназначены для преобразования возникающих по причине эффекта Доплера колебаний частоты света, рассеиваемого объектом, в колебания силы света, улавливаемого приемниками света. Таким образом, сила света, улавливаемого через средства спектрального фильтрования, изменяется в зависимости от скорости перемещения объекта. Выводят соотношение силы света, улавливаемого через средства спектрального фильтрования, к силе света, принимаемого непосредственно, для получения стандартного сигнала, который изменяется в зависимости от сдвига по Доплеру и наличие которого позволяет рассчитать скорость объекта в соответствии с направлением его движения в пространстве.

Кроме того, часть лазерного пучка отводится и направляется на приемники света матрицы CCD непосредственно и через средства спектрального фильтрования для получения стандартного сигнала (указанное выше соотношение между силой света, принимаемого непосредственно, и силой света, принимаемого через средства спектрального фильтрования), который соответствует нулевой скорости и позволяет постоянно компенсировать колебания частоты лазера во времени.

Таким образом, при помощи предварительной стандартизации пропускной функции указанных средств спектрального фильтрования определяют величину сдвига частоты, возникающего в силу эффекта Доплера, на основе стандартного сигнала света, рассеиваемого движущимся объектом, и стандартного сигнала нулевой скорости и рассчитывают скорость этого объекта в соответствии с направлением его движения в пространстве. Это направление определяется направлением освещения лазером и направлением наблюдения. Осуществляя наблюдения по трем разным направлениям, получают три составляющие векторов скорости объектов, движущихся в поле наблюдения.

Вместе с тем указанный известный способ не учитывает погрешности средств спектрального фильтрования при преобразовании в реальном времени, в частности, в зависимости от температуры, поэтому точность измерения скорости оказывается недостаточной.

Задачей настоящего изобретения является предложение простого, эффективного и рентабельного решения этой проблемы.

Согласно изобретению предлагается способ измерения скорости, по меньшей мере, одного объекта с применением эффекта Доплера, заключающийся в том, что:
освещают объект лазерным лучом, выходящим из лазерного пучка,
измеряют силу света, рассеиваемого объектом, при этом измерение осуществляют непосредственно и через средства спектрального фильтрования, практически настроенные на частоту лазерного освещения,
определяют соотношения указанных измерений для получения стандартного сигнала рассеиваемого света,
измеряют силу света части лазерного пучка непосредственно и через средства спектрального фильтрования и определяют соотношения этих измерений для получения стандартного сигнала, соответствующего нулевой скорости, и
определяют на основе стандартных сигналов составляющую скорости объекта в определенном направлении,
указанный способ характеризуется тем, что:
измеряют силу контрольного монохроматического светового потока непосредственно и через средства спектрального фильтрования, при этом контрольный поток имеет частоту, отличающуюся от частоты лазерного пучка на известную неизменную величину, и
определяют соотношение между измерениями силы контрольного потока для получения контрольного стандартного сигнала, соответствующего неизменному и известному сдвигу частоты и, следовательно, известной скорости, не равной нулю.

Контрольный стандартный сигнал, соответствующий неизменному известному сдвигу частоты, служит для коррекции в режиме реального времени кривой пропускания средств спектрального фильтрования с компенсацией возможных погрешностей этих средств.

Сдвиг частоты предпочтительно выбирают для покрытия практически линейной части кривой пропускания, начиная от точки, соответствующей нулевой скорости. В этом случае становится возможным точно определить путем интерполяции значение сдвига по Доплеру, соответствующее стандартному сигналу света, рассеиваемого объектом, когда значение этого сигнала находится между значением стандартного сигнала нулевой скорости и значением стандартного сигнала контрольного потока.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения способ включает измерение непосредственно и через средства спектрального фильтрования значений силы нескольких контрольных монохроматических световых потоков, частоты которых отличаются от частот лазерного освещения на неизменные и известные величины, отличающиеся друг от друга, и определение для каждого контрольного потока соотношения между этими измерениями силы света для получения контрольных стандартных сигналов, соответствующих различным неизменным и известным сдвигам частоты.

Эти различные сдвиги частоты предпочтительно распределяются на большей части кривой пропускания средств спектрального фильтрования, в частности на нелинейных участках этой кривой. В результате этого, например, удваивается динамика частоты, что приводит к соответствующему увеличению динамики измеряемых скоростей.

В соответствии с другим отличительным признаком этого способа указанный контрольный поток или контрольные потоки излучаются в промежуточной плоскости изображения оптических средств формирования изображения объекта на блоки детекторов света. Благодаря этому предотвращают искажение поля измеряемых скоростей.

В предпочтительном варианте воплощения изобретения контрольный поток или контрольные потоки излучаются практически точечным источником.

Таким образом, используют только очень незначительную часть изображения этого поля для получения значений силы контрольных потоков.

Согласно изобретению предлагается также устройство для измерения скорости, по меньшей мере, одного объекта с применением эффекта Доплера, содержащее
средства освещения объекта лазерным лучом, выходящим из лазерного пучка,
оптические средства формирования изображения объекта на двух блоках приемников света, выходные сигналы которых соответствуют силе принимаемого света,
средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту лазерного пучка и находящиеся между оптическими средствами и блоком приемников света,
средства для непосредственного и одновременного направления части лазерного пучка на первую часть каждого из двух блоков приемников света через оптические средства формирования изображения для получения стандартных сигналов света, рассеиваемого объектом, и стандартных сигналов, соответствующих нулевой скорости,
характеризующееся тем, что дополнительно содержит
средства, генерирующие, по меньшей мере, один контрольный монохроматический световой поток, имеющий частоту, отличающуюся от частоты лазерного пучка на известную неизменную величину, и
средства непосредственного и одновременного направления контрольного потока на вторую часть каждого из двух блоков приемников света через оптические средства формирования изображения для получения стандартного контрольного сигнала, соответствующего неизменному и известному сдвигу частоты.

В предпочтительном варианте устройство согласно изобретению содержит средства, генерирующие несколько контрольных монохроматических световых потоков, имеющих частоты, отличающиеся от частоты лазерного пучка на неизменные и известные величины, отличающиеся друг от друга, при этом указанные контрольные потоки направляются непосредственно и одновременно на разные части каждого из двух блоков приемников света через оптические средства формирования изображения для получения стандартных контрольных сигналов, соответствующих неизменным и известным сдвигам частот.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения средства генерирования указанного контрольного потока или контрольных потоков являются акустико-оптическими средствами, такими, в частности, как устройство BRAGG.

Эти средства производят контрольные потоки с частотами, отличающимися от частоты лазерного освещения на величины, приблизительно равные nF, при этом F является неизменным и известным сдвигом частоты, a n – целым числом, большим 0.

Эти сдвиги частоты предпочтительно равномерно распределены на полезной части кривой спектрального пропускания указанных средств фильтрования.

В соответствии с другими отличительными признаками настоящего изобретения
средства генерирования контрольных световых потоков соединены при помощи оптических волокон со средствами формирования изображения,
оптические волокна имеют концы, расположенные практически в промежуточной плоскости изображения средств формирования изображения и направленные в сторону указанных детекторов света.

В основном настоящее изобретение повышает точность измерения скорости объекта с применением эффекта Доплера и может применяться для измерения поля скорости в механике текучих веществ, а также в баллистике для измерения скоростей движущихся тел, например снарядов.

Настоящее изобретение и его отличительные признаки и преимущества будут более понятны из нижеследующего описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает общий вид известного устройства;
Фиг.2 – схему направления составляющей скорости, определяемой в зависимости от направления освещения и от направления наблюдения;
Фиг.3 – блок-схему заявленного устройства для измерения скорости с применением эффекта Доплера, согласно изобретению;
Фиг. 4 – часть кривой спектрального пропускания средств фильтрования, используемых в устройстве согласно изобретению;
Фиг. 5 – блок-схему средств генерирования контрольных потоков, используемых в устройстве согласно изобретению.

Пример выполнения известного устройства показан на фиг.1 и 2. Устройство применяется для определения поля скоростей в потоке текучего вещества 10 путем измерения сдвигов по Доплеру света, рассеиваемого частицами 12, инжектированными в поток текучего вещества. Например, поток газа может быть насыщен туманом из мельчайших частиц жидкости или твердого вещества, диспергированных в потоке газа и увлекаемых этим потоком.

Поток 10 освещается лазерным лучом 14, формируемым соответствующими средствами 16, такими как оптическое средство открытия пучка (совокупность цилиндрических и сферических линз) или устройство с вращающимся многоугольником, и выходящим из пучка 18, излучаемого соответствующим лазерным источником, таким как аргоновый лазер, работающий в режиме продольной мономоды, излучающий на длине волны 514,5 нм, или сдвоенный лазер YAG, излучающий на длине волны 532 нм.

Лазерное освещение рассеивается частицами 12, присутствующими в потоке 10. Средства детекции света, рассеиваемого частицами 12, содержат оптическую систему 22 формирования изображения на блоке детекторов света, например, таких как камера CCD 24. При этом световой поток, пропускаемый оптической системой 22, проходит через разделитель 26 пучка, который направляет часть потока к другому блоку детекторов света, например другой камере CCD. Световой поток, пропускаемый разделителем 26 пучка, проходит через средства 30 спектрального фильтрования, настроенные на частоту лазерного пучка 18, а затем поступает в камеру CCD 24.

Средства 30 фильтрования содержат кювету с иодовым паром, имеющую полосу поглощения, близкую к частоте лазерного пучка 18, при этом пропускание происходит приблизительно на 50% на этой частоте.

Камеры 24 и 28 CCD соединены на выходе со средствами 32 обработки информации, содержащими средства получения и расчета и средства 34 визуализации, на которых можно воспроизводить изображения наблюдаемого поля и в которых составляющие скоростей частиц в определенном направлении представлены различными оттенками серого цвета или различными цветами.

На фиг. 2 является вектором скорости частицы 12, освещенной падающим лазерным лучом 36, направление распространения которого представлено единым вектором является единым лучом направления наблюдения или направления, связывающего частицу 12 с центром перспективы съемки.

Доплеровский сдвиг света, рассеиваемого частицей 12, по отношению к лазерному освещению выражается формулой

где Fo – частота лазерного освещения и с – скорость света в вакууме.

На фиг.2 вектор показывает направление, в котором измеряется составляющая скорости частицы при помощи известного устройства.

Рассеиваемый частицами 12 свет улавливается оптической системой 22 и частично передается на первую камеру 24 CCD после прохождения через средства 30 спектрального фильтрования и частично – на вторую камеру 28 CCD, возможно, при помощи отражательного зеркала 38 (фиг.3). Выходные сигналы камер 24 и 28 позволяют попиксельно сравнивать силу рассеиваемого света, принимаемого камерой 28, с силой рассеиваемого света, принимаемого камерой 24, после прохождения через средства спектрального фильтрования 30.

Как видно на кривой спектрального пропускания на фиг.4, средства 30 настроены на частоту, близкую по значению к частоте Fo лазерного пучка 18, при этом пропускание происходит примерно на 50% на частоте Fo. В зависимости от направления перемещения частиц 12 по отношению к измерительному устройству частота света, рассеиваемого частицами, может быть больше или меньше частоты Fo, а пропускание средствами 30 будет выше или ниже, чем оно было бы для частоты Fo.

Чтобы можно было учитывать и автоматически компенсировать флуктуации частоты Fo лазерного пучка 18 и погрешности, в частности термические средства 30 фильтрования, предусмотрены средства 40 (фиг.3), генерирующие контрольные монохроматические потоки, которые вводятся в световой поток, пропускаемый оптической системой 22, и улавливаются детекторами света камер 24 и 28 CCD.

Средства 40 предпочтительно являются средствами акустико-оптического типа и содержат кристалл, в котором фазовая решетка индуцируется распространением звуковой волны, генерируемой пьезоэлектрическим кристаллом, на клеммы которого приложено синусоидальное напряжение с частотой F. Когда световая волна с частотой Fo (часть лазерного пучка 18) распространяется внутри этого кристалла, на выходе получают пучок на частоте Fo+F (функционирование типа BRAGG). Эти два пучка могут пропускаться через оптические волокна 42 в двух точках промежуточной плоскости изображения оптической системы 22. При этом концы оптических волокон 42 направлены в этой плоскости в сторону светорасщепительного кубика 26. Таким образом, выходные сигналы камер 24 и 28 обеспечивают измерения значений силы световых потоков на частотах Fo и Fo+F, принимаемых камерой 24 после прохождения через средства 30 фильтрования и принимаемых непосредственно камерой 28.

Таким образом, на кривой спектрального пропускания (фиг.4) получают две точки, соответствующие частотам Fo и Fo+F, независимо от флуктуации частоты Fo лазерного пучка 18, при этом значение F является неизменным и известным.

Используют измерения силы света, получаемые при помощи камеры 28 CCD, для получения стандартных сигналов In, которые равны соотношениям (попиксельно) между значениями силы света, измеренными камерой 24, и значениями силы света, измеренными камерой 28. Предпочтительно средства 40 (фиг.5) генерирования контрольных световых потоков должны работать в режиме RAMAN-NATH, чтобы выдавать на выходе световые пучки с частотами Fo, F_o+F, F_o–F, F_o+2F и F_o-2F.
Эти пучки передаются оптическими волокнами и блоком 44 соединителей на ответвительные коробки 46, каждая из которых соединена с детекторным устройством (фиг.3) для измерения составляющих скоростей частиц 12 в трех различных направлениях, при этом используется только один лазерный источник 20 неизменного направления.

В каждой коробке 46 концы оптических волокон направлены в сторону приемников света и передают пять контрольных световых потоков с указанными выше частотами.

Это позволяет использовать большую часть кривой спектрального пропускания средств 30, содержащую нелинейные части, постоянно и автоматически компенсируя флуктуации частоты лазерного освещения и погрешности во времени средств 30 спектрального фильтрования.

Упомянутый сдвиг частоты F может быть равен 200 МГц, что позволяет работать на динамике частоты 1 ГГц вокруг лазерной частоты Fo. Динамика измеряемой скорости зависит от геометрических условий визирования. В случае стандартной конфигурации, встречающейся в аэродинамической трубе, получают динамику скоростей, которая переходит от 350 м/с (если ограничиться линейной частью кривой спектрального пропускания средств 30) до 700 м/с, то есть удваивается.

Обычно средства 30 спектрального фильтрования представляют собой кювету с иодовым паром. Если колебание температуры на отростке этой кюветы составляет 0,5^oС, то это влечет за собой частотное колебание порядка 5 МГц. Частотные флуктуации лазерного источника 20 могут быть порядка 2 МГц. Они порождают погрешность порядка 5 м/с на измеряемых скоростях (при стандартной конфигурации). Настоящее изобретение позволяет сделать так, чтобы эта погрешность стремилась к нулю, автоматически компенсируя термические погрешности кюветы с иодовым паром и частотные флуктуации лазерного источника.

Средства 40 акустико-оптического типа могут генерировать частотные сдвиги с относительной точностью порядка 10^-6, то есть с погрешностью 200 Гц для частотного сдвига F в 200 МГц. Ошибка измерения в этом случае связана с погрешностью интерполяционного способа, используемого для получения в реальном времени стандартизированной кривой функции спектрального пропускания кюветы с иодовым паром, а также с погрешностью, связанной с радиометрическим измерением камер 24 и 28, которая может оцениваться в 0,15% в случае 10-битовых камер.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости, по меньшей мере, одного объекта с применением эффекта Доплера, заключающийся в том, что освещают объект лазерным лучом, выходящим из лазерного пучка, измеряют силу света, рассеиваемого объектом, при этом измерение осуществляют непосредственно и через средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту Fo лазерного освещения, получают стандартный сигнал In, равный отношению между значениями измерений силы света через средства спектрального фильтрования к значению силы света, измеренному непосредственно, измеряют силу света части лазерного пучка непосредственно и через средства спектрального фильтрования и определяют соотношения этих измерений для получения стандартного сигнала, соответствующего нулевой скорости, и определяют на основе указанных стандартных сигналов составляющую скорости объекта в определенном направлении, отличающийся тем, что для компенсации производной средства спектрального фильтрования и для повышения точности измерений дополнительно измеряют силу по меньшей мере одного контрольного монохроматического светового потока непосредственно и через средства спектрального фильтрования, при этом контрольный поток имеет частоту, отличающуюся от частоты Fo лазерного пучка на известную постоянную величину F, и определяют соотношение между величинами силы контрольного потока для получения контрольного стандартного сигнала, соответствующего постоянному и известному сдвигу частоты F.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют непосредственно и через средства спектрального фильтрования значения силы нескольких контрольных монохроматических световых потоков, частоты которых отличаются от частоты Fo лазерного пучка на постоянные и известные величины, отличающиеся друг от друга, и определяют для каждого контрольного потока соотношения между указанными измерениями силы света для получения контрольных стандартных сигналов, соответствующих различным постоянным и известным сдвигам частоты.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что контрольный или каждый контрольный поток генерируют из лазерного пучка путем смещения частоты этого пучка.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что контрольный или каждый контрольный поток излучают в промежуточную плоскость изображения оптических средств формирования изображения объекта на каждом блоке детекторов света.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что контрольный или каждый контрольный поток излучают практически точечным источником.

6. Устройство для измерения скорости по меньшей мере одного объекта с применением эффекта Доплера, содержащее средства освещения объекта лазерным лучом, выходящим из лазерного пучка, оптические средства формирования изображения объекта на двух блоках детекторов света, выходные сигналы которых соответствуют силе принимаемого света, средства спектрального фильтрования, настроенные на частоту Fo лазерного пучка и размещенные между указанными оптическими средствами и блоком указанных приемников света, средства для непосредственного и одновременного направления части лазерного пучка на первую часть каждого из двух блоков указанных детекторов света через оптические средства формирования изображения и средства определения соотношения между значениями силы света, рассеиваемого объектом, и соотношения между измерениями значений силы света указанной части лазерного освещения для получения стандартных сигналов, отличающееся тем, что для компенсации производной средства спектрального фильтрования и для повышения точности измерений содержит дополнительно средства, генерирующие по меньшей мере один контрольный монохроматический световой поток, имеющий частоту, отличающуюся от частоты Fo лазерного пучка на известную постоянную величину F, и средства ввода контрольного потока в оптические средства формирования изображения и направляющие его на вторую часть каждого из двух блоков детекторов света непосредственно и через средства спектрального фильтрования для получения контрольного стандартного сигнала, соответствующего неизменному и постоянному сдвигу частоты F.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что содержит средства, генерирующие несколько контрольных монохроматических световых потоков, частоты которых отличаются от частоты лазерного пучка на постоянные и известные величины, отличающиеся друг от друга, и средства для направления этих контрольных потоков на отдельные части каждого из двух блоков указанных детекторов света.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что средства генерирования контрольного потока или контрольных потоков являются акустико-оптическими средствами, такими, как устройство BRAGG.

9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что средства, генерирующие указанные контрольные потоки, формируют контрольные потоки с частотами соответственно (Fo+nF) и (Fo-nF), где Fo – частота лазерного освещения, F – постоянный и известный сдвиг частоты, n – целое число, большее 0 и имеющее значения 1, 2, … .

10. Устройство по любому из пп.6-9, отличающееся тем, что средства генерирования контрольных потоков связаны оптическими волокнами со средствами формирования изображения, при этом каждое оптическое волокно имеет конец, расположенный практически в промежуточной плоскости изображения средств формирования изображения и направленный в сторону указанных детекторов света.

РИСУНКИ