CC BY
29
ФИЗИКА___________________________________________________
УДК 535.536
С.А. Останин
Использование автодинного метода приема на лазер в анемометрии
В современных измерительных технологиях широкую популярность приобрели лазеры благодаря своим уникальным физическим свойствам; когерентности, монохромности, направленности излучения. При взаимодействии слабого лазерного излучения с частицами результатом является уникальная картина искажения амплитудных и фазовых характеристик волнового фронта. Это позволяет создавать различные лазерные измерительные системы, в том числе для использовании в анемометрии.
Предложена новая конструкция лазерного автодинного доплеровского анемометра (АДА) для определения скорости отдельных частиц
Рис. 1. Схема экспериментального макета автодинного анемометра
аэрозоля, основанная на одновременном испол* зовании двух физических методов: когерентно!* автодинного приема эхо-сигнала [1, с. 206] и регистрации сигнала (преобразование оптической сигнала в электрический) на второй гармонии генерации лазера [2, с. 883].
Экспериментальный макет анемометра имеет следующую конструкцию (рис. 1).
Использование автодинного метода приема на лазер в анемометрии
Резонатор излучателя образован тремя зеркалами с многослойными диэлектрическими покрытиями на основе окислов циркония: глухим плоским зеркалом 1 с коэффициентом пропускания не более 0,024, параметрическим зеркалом 2 с коэффициентом пропускания на длине волны 0,532 мкм - 92,4% и 0,2% на длине волны 1,0641 мкм и плоским зеркалом 3 с коэффициентом отражения на длине волны 0,532 - 99,2 % и длине волны 1,0641 - 99,84%. Излучение на основной длине волны (1,0641 мкм) осуществлялось квантроном 5, активной средой в котором служит кристалл УАС-Ис!3 диаметром 5 мм и длинной 100 мм. Лазер генерировал в непрерывном режиме. Преобразование во вторую гармонику осуществлялось преобразователем частоты 6, в качестве которого использовался нелинейный кристалл йодата лития. Излучение с длиной волны 1,0641 мкм выводилось из резонатора и фокусировалось телескопом Галиллея 7 с возможностью менять расстояние до места фокусировки от 1 до 60 метров. Часть рассеянного аэрозолем излучения, собираемая телескопом, поступает обратно в лазер. Кинетика генерации лазера контролировалась фотоприемником 8, на который поступала часть излучения на второй гармонике (0,53 мкм). Регистрация сигнала на второй гармонике генерации лазера позволяет дополнительно повысить чувствительность к модуляции мощности излучения лазера за счет отраженного от частиц аэрозоля излучения на 20%.
Известно [1], что при импульсном характере воздействия эхо-сигнала (справедливо в случае приема сигнала от отдельных частиц аэрозоля, пролетающих через фокальную область приемопередающей системы), модуляция излучения лазера происходит на частоте релаксации лазера и частоте доплеровского сдвига. Если частота релаксации лазера много больше частоты доплеровского сдвига (что верно для условий, реализуемых в нашем эксперименте), реакция интенсивности генерации лазера линейно зависит от воздействия эхо-сигнала.
Поскольку при относительно малых скоростях решающую роль играет продольный эффект Доплера, то возможно измерение компоненты вектора скорости, параллельной оптической оси зондирования. Кроме скорости возможно проводить измерение сечения рассеяния и размеров. По измерениям интервалов времени между двумя доплеровскими сигналами возможно сделать оценку концентрации частиц при усреднении по большому числу реакций.
Для регистрации и обработки сигналов использовалась автоматизированная система, основная часть которой показана на рисунке 1.
Рис. 2. Осциллограмма сигнала автодинного анемометра
Сигнал, поступающий с фотоприемника 8, усиливался предварительным усилителем 9. Высокочастотная составляющая сигнала выделялась фильтром 10 и поступала на вход режек-торного фильтра 11, подавляющего составляющую сигнала на частоте релаксационных колебаний. Далее сигнал оцифровывался АЦП 12. Запуск АЦП осуществлялся генератором тактовых импульсов 13, работой которого управлял триггер Шмидта 14, переключаемый из одного устойчивого состояния в другое в случае перехода сигнала амплитудного детектора 15 через уровень, расположенный несколько выше уровня шума в паузах между пролетом частиц. Через контроллер АЦП был связан с ЭВМ 16, на которой проводился анализ сигнала. На рисунке 2 представлен доплеровский сигнал, полученный от одной из частиц аэрозоля. В случае большого отношения сигнал/шум период сигнала определялся из числа пересечений нулевого уровня за некоторое время. При амплитудах сигнала сравнимый с амплитудой шума период определялся из автокорреляционной функции сигнала. Анализ последовательности доплеровских сигналов позволяет построить распределение рассеивающих частиц по скоростям, из которого можно определить такие параметры, как наивероятная скорость частиц, средняя скорость, дисперсия скорости. Последняя дает представление о характере движения воздушного потока. Так, например, малая ширина распределения свидетельствует о ламинарном, направленном характере движения потока воздуха, а распределение без выраженного максимума - о турбулизации потока. В турбулентном потоке зависимость скорости частицы от времени носит случайный характер, соответственно частота доплеровского сигнала будет являться случайной функцией времени. Как и в случае ускоренного движения
частиц аэрозоля сигнал будет промодулирован по частоте и модулирующая функция содержит информацию о законе изменения ускорения. При сильно турбулизованном потоке или потоке, движущемся с большим ускорением, частицы заметно меняют скорость уже на масштабах порядка измерительного объема, поэтому отношение несущей частоты к девиации за время про лета может достигать нескольких единиц, т.е. частица успевает значительно изменить свою скорость уже за три-четыре периода доплеровского сигнала. Демодуляция сигналов с большей скоростью девиации частоты проводилась по методу, описанному [3, с. 547].
Макет автодинного доплеровского анемометра имеет следующие технические характеристики. Максимально регистрируемая концентрация частиц аэрозоля составила величину
1 5Ю10м-3 которая ограничивалась скоростью анализа сигнала. Минимально регистрируемая скорость 36 мкм/с определялась полосой спек ра шума лазера, а максимальная - (2 см/с) быстродействием АЦП. Минимальное полное сечен
пассеяния 1 210-10мкм2 соответствовало размеру
частицы порядка 1 мкм. Дальность зондирования достигала 60 м. Использование стабилизированного источника питания лазера, внеосев го зеркального телескопа и быстродействующих АЦП позволит существенно расширить технические характеристики анемометра этого типа.
В заключение необходимо отметить перспективность применения автодинных анемометров при исследовании плазмы, пламен и т.п. в связис высокой помехозащищенностью системы от фоновых засветок, реализуемой в когерен приеме эхо-сигнала на лазер.
Литература
1 Бураков С.Д. Определение микрофизических параметров аэрозоля автодинным приемопередатчиком на основе твердотельного лазера / Д УР > А.П. Годлевский, С.А. Останин // Оптика атмосферы. 1989. Т. 2. №2.
2 Бураков С.Д. Повышение чувствительности
метода узкополосной ВРЛС за счет
торной генерации второй гармоники / С.Д. Бураков,
А П.Годлевский, Е.П. Гордов, Н.Е. Губайдуллш/ А.И. Жилиба, С. А. Останин // Оптика атмосферы. 19Й
Т 2ЗЛЗураков С.Д. Определение профиля УДаленньв объектов когерентным автодинным / У
раков, А.П. Годлевский, С.А. Останин // Оптика атмо сферы. 1990. Т. 3. №5.
