DK142473B - Apparat med en optisk sender og modtager, navnlig et flyvetidslaseranemometer. - Google Patents

Description

OD FREMLÆGGELSESSKRIFT 142473

(ÉM

\RB/ DANMARK (51) *nt· ^,3 ® p 5/20 // g 01 p 3/35 §(21) Ansøgning nr. 4681/77 (22) Indleveret den 20· Okt. 1577 (24) Løbedag 20. okt. 1977 (44) Ansøgningen fremlagt og .

fremlaaggelsesekriftet offentliggjort den 3· DOV. lycSO

DIREKTORATET FOR L

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den (71) FORSØGSANLÆG RISØ, 4000 Roskilde, DK.

(72) Opfinder: Lars Lading, Dyssevej 35* Aagerup, 4000 Roskilde, DK: Arne Skov Jensen, Munkebjergvej 17* 4100 RingBted, DK: Christian Pog, Høj* gaardsvej 15, Aagerup, 4000 Roskilde, DK.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Internationalt Patent-Bureau. __ (54) Apparat med en optisk sender og modtager, navnlig et flyvetids® laseranemometer.

Opfindelsen angår et apparat med en optisk sender, i hvilken indgår mindst én lyskilde, f.eks. en laser, og et optisk systen med to linser og et dobbeltbrydende optisk element til udsendelse af to lysstråler, der på målestedet har to fokale voluminer, der ligger i lille afstand fra hinanden, og med en optisk modtager, i hvilken indgår et optisk system til modtagelse af spredt stråling hidrørende fra partikler på målestedet og mindst én fotodetektor til omsætning af den modtagne stråling til elektroniske signaler, samt med elektronisk udstyr til analyse af signalerne fra fotodetektoren eller fotodetektorerne og tilvejebringelse af et analyseresultat, navnlig et flyvetidslaser-anemometer, hvorhos det dobbeltbrydende optiske element i senderen og et optisk element i modtagerens strålegang sammen er drejelige 2 142473 til ændring af måleretningen.

Laseranemometre af denne art benyttes til at bestemme den tid, partikler i et medium er om at bevæge sig fra et målested til et andet. Med kendskab til tiden og vejlængden kan partiklernes hastighed bestemmes.

Der kendes optiske apparater til ruhedsundersøgelser baseret på et lignende princip, hvor analyseresultatet benyttes til at tilvejebringe en afbildning, der illustrerer de rumlige forhold på den målte flade. I sådanne optiske apparater er der et behov for at kunne indstille måleretningen, der er bestemt af den indbyrdes beliggenhed af de to fokale målevoluminer. I de kendte måleudstyr ligger målestedet i kort afstand fra de optiske systemer.

Der kendes endvidere fra beskrivelsen til tysk Auslegeschrift 24 49 358 et optisk apparat til måling af strømningsvektoren i en gasstrøm ved måling af hastighed og retning af optisk iagttagelige partikler i strømmen, i hvilket apparat et Rockon prisme i senderen og en tohuLsblænder i modtageren er drejelige samtidigt med henblik på at sikre, at de to i modtageren indgående stråler stadig rammer hver sin fotoelektriske detektor, når Rockon prismet drejes til drejning- af retningen mellem målevoluminerne i gasstrømmen.

Dette kendte apparat egner sig ikke til fjernmåling. Der kræves en meget præcis føring af tohulsblænderen selv ved nærmåling, og apparatet er følsomt for parallelforskydning af blænderen på tværs af eller langs med strålernes optiske akse. Der kræves endvidere et særligt linsearrangement med to linser for de to stråler.

Når Rockon prismet drejes, vil det ene af de to lyssignaler enten, hvis det er fokuseret, beskrive en cirkel eller, hvis det er defoku-seret, udfylde et stort areal i forhold til billedet af et måle-volumin. Der kræves derfor i begge tilfælde et tilsvarende stort detektorareal med deraf følgende større mørkestrøm. Dette er ufordelagtigt, ikke blot når der anvendes halvleder-fotodioder, men generelt når der skal arbejdes med lave lysniveauer.

Til grund for den foreliggende opfindelse ligger den opgave at tilvejebringe et sådant optisk apparat, som tillader en let og hurtig indstilling af måleretningen, navnlig et laseranemometer, der er egnet til at foretage målinger på et målested, der ligger fjernt fra selve udstyret. Et sådant måleudstyr er især egnet til meteorologiske undersøgelser og kan med fordel anvendes i lufthavne, men kan i øvrigt anvendes overalt, hvor der er brug for at måle U 2473 3 strømmende mediers hastighed eller partikelbevægelser i flydende og luftformige medier eller eventuelt i rummet. Når udstyret skal indrettes til fjernmålinger er problemerne med indstillingen af måleretningen særlig store. Selv om man sammenbygger sender og modtager til én enhed og indretter denne enhed indstillelig, opnår man ikke et betjeningsvenligt apparat.

Ifølge den foreliggende opfindelse løses opgaven ved, at det drejelige optiske element i modtagerens strålegang er et drejeligt dobbeltbrydende element.

Ved denne foranstaltning undgås de ovennævnte ulemper, og der fås et apparat, ved hvilket de ændringer, der optræder som følge af en afstandsindstilling ved fjernmåling kan gøres identiske i sender og modtager, hvilket er af betydning ved målinger på objekter med meget lille spredningstværsnit.

Selv om det til reduktion af falsk lys kan være en fordel, at der ikke er fælles optiske komponenter mellem sender og modtager foretrækkes det med henblik på lettelse af indstillingen, at udgangslinsen i den optiske sender indgår som indgangslinse i den optiske modtager.

I en hensigtsmæssig udførelsesform for anemometeret ifølge opfindelsen indeholder cfet optiske system i strålegangen efter indgangslinsen dels en linse og et dobbeltbrydende optisk element, som omsætter det opfangede lys til én stråle, dels en linse, der afbildér målestedets to fokale voluminer i én lysplet, i hvis plan er anbragt en blænder P, dels en λ./2 optisk plade, som er anbragt drejelig og ved drejning bevæger sig med den halve vinkel af drejningen af det dobbeltbrydende optiske element, dels et faststående dobbeltbrydende element, dels to fotodetektorer eventuelt med foranstående båndpas-filtre. Ved denne indretning af modtageren undgår man ved drejning af måleretningen at skulle dreje de to fotodetektorer, der overflødiggør en elektronisk adskillelse af signalerne fra målevoluminerne.

Opfindelsen forklares i det følgende nærmere under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 i diagramform viser et apparat med en optisk sender og modtager ifølge opfindelsen, fig. 2 et blokdiagram over det tilhørende elektroniske udstyr til analyse af signalerne fra de to fotodetektorer i fig. 1, og fig. 3 i diagramform en forenklet udførelsesform for modtageren i fig. 1.

4 U2473 I den kombinerede optiske sender og modtager, der er vist i diagram i fig. 1 findes en lasergenerator, i hvis strålegang ligger et λ/4 optisk element, et dobbeltbrydende optisk element W1 fortrinsvis et Wollaston prisme, en linse Li, to spejle Si og s2 samt en udgangslinse L2. Målestedet, der ligger fjernt fra linsen L2, er i figuren til højre vist skematisk med de to fokale voluminer Fl og F2. Den her beskrevne sender er i hovedsagen kendt fra artiklerne L. Lading "The Time-of-Flight Laser Anemometer", AGARD-CP-193, paper 23 og R. Schodl "The Laser-Dual-Focus Flow Velocimeter", AGARD-CP-193, paper 21 og behøver således ikke nærmere omtale. Det skal blot nævnes, at laserstrålen opdeles i to angulært adskilte stråler med ortogonal polarisation af Wollaston prismet W1 og brydes og fokuseres af linsen LI i to rumligt adskilte lyspletter. Disse lyspletter afbildes af linsen L2 i en afstand på fra 10 til 100 meter. Wollaston-prismets W1 placering i den fokale. plan til venstre for linsen LI i stedet for i den fokale plan for linsen L2 medfører, at separationen mellem de afbildede lyspletter er proportional med afstanden, samt at en fokuseret laserstråle inden for Wollaston-prismet Wl undgås. I fokus er lyspletdiametrene også proportionale med afstanden, fordi sender-aperturen er fast. En placering af Wollaston-prismet Wl i den fokale plan til venstre for L2 ville give parallelle stråler, men ikke et konstant forhold mellem strålediameteren og afstanden mellem strålerne.

Modtagerens indgangslinse L2 er den føromtalte udgangslinse i senderen L2 og bag den findes en spærreblænder S, som spærrer •for direkte lys fra senderen. I modtagerens strålegang findes en linse L3 og et Wollaston-prisme W2, som tilsammen omsætter det indfangede lys til δη stråle, som, når den fokuseres ved en linse L4, giver ét enkelt billede af de to lyspletter. Mellem Wollaston-prismet W2 og linsen L4 er indskudt to spejle S3 og S4.

I detfokale plan for linsen L4 findes en blænder (matched pinhole) P, der tjener som rumligt filter for de to kanaler, der indgår i strålen. Efter det rumlige filter P følger et 7</2 optisk element og endnu et Wollaston-prisme W3, som adskiller de to kanaler i hver sin stråle, der er rettet mod hver sin fotodetektor PMTl og PMT2. Foran fotodetektorerne er anbragt båndpasfiltre Bl og B2.

De to Wollaston-prismer Wl og W2 er anbragt drejelige om den optiske akse hensigtsmæssigt på en sådan måde, at de er sammenkoblede, således at man med et enkelt håndtag kan dreje dem 142473 5 begge én og samme vinkel til indstilling af måleretningen. Det optiske λ/2 element, der har den egenskab, at det drejer polarisationsretningen med den dobbelte drejningsvinkel målt i forhold til en retning, i hvilken ingen polarisationsændring finder sted, er ligeledes anbragt drejeligt og hensigtsmæssigt sammenkoblet med de to Wollaston-prismer, således at Λ/2 elementet udfører en vinkel-drejning, der er halvt så stor som den, de to Wollaston-prismer Wl og W2 udfører ved drejning af håndtaget. Når de to Wollaston-prismer Wl og W2 er identiske, sker der i øvrigt ingen ændring af justeringen af det optiske system. Da blænderen P kun har en enkelt åbning (pin-hole), behøver den ikke at drejes. Drejningen af Λ/2 elementet medfører, at man ikke behøver at rotere de to fotodetektorer omkring en fælles akse, når måleretningen ændres ved drejning af Wollaston-prismerne Wl og W2. Ved anvendelse af en forholdsvis stor afstand mellem linserne L3 og L4 reduceres synsfeltet og denned baggrundslyset.

Behandlingen af signalerne fra fotodetektorerne PMT1 og PMT2 i fig. 1 kan ske i et udstyr, som det i blokdiagram i fig. 2 viste eller i et andet egnet udstyr Indrettet efter apparatets anvendelse.

I fig. 2 føres signalerne fra fotodetektorerne PMT1 og PMT2 gennem forstærkere Al og A2 og filtre F3 og F4 samt diskrimina-torer Dl og D2 til en omformer, der omsætter tidsværdier til impulser med amplituder, der er afhængige af tidslængden. Udgangssignalerne herfra tilføres en histograf, der giver et histogram over flyvetiderne,og heraf kan hastighedernes sandsynlighedsfordeling udledes.

Til visse formål kan anvendes en forenklet udføreIses.form for apparatet, således som det er illustreret i fig. 3, der viser en optisk modtager, som den ses i fig. 1, men med udeladelse af den ene fotodetektor PMT2, Wollaston-prismet W3 og λ/2 elementet. Med dette forenklede apparat kan man ikke som med apparatet i fig. 1 bestemme flyveretningen, og det kan derfor kun med fordel anvendes ved målingen, hvor den kendes eller er uden interesse.

Det i fig. 1 viste λ/4 element kan undværes, hvis den anvendte lyskilde afgiver upolariseret eller cirkulært polariseret lys.

I den enkle udførelsesform er de dobbeltbrydende elementer Wl og W2 manuelt indstillelige uafhængigt af hinanden. En sådan manuel indstilling er ganske ukompliceret, men ved større og langt-