Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Используя многомодовые волоконные световоды в качестве пассивного резонатора гироскопа, согласно принципу суперпозиции можно значительно увеличить объем полезной информации. При этом существенно упрощаются стыковка световода в лазерным диодом и фото- диодом и технология сборки гироскопа. 302 Глава 15. ЛАЗЕРНЫЕ ДОПЛЕРОВСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ 15.1.
Область применения Одной из важных проблем газовой динамики является определение поля скоростей при обтекании моделей различных тел турбулентным потоком газа, а также получение визуальной картины процесса обтекания. Эта проблема решается различными способами, Например, скорость потока газовой среды определяется с помощью манометров с насадками, регистрирующими давление, и термоанемометров, а визуализация осуществляется теневым методом. В поток, обтекающий модель, вводится нагреваемая электрическим током проволока, и по степени ее охлаждения определяется скорость газа в данной точке.
Недостаток этих методов заключается в конечных размерах датчиков, возмущающих анализируемый объем потока, что отрицательно сказывается на точности измерения и качестве визуальной картины. С развитием лазерной техники появилась возможность создания устройств для измерения вектора скорости движущейся среды, использующих доплеровский эффект сдвига частоты при рассеянии коллимированных пучков излучения лазера движущимися частицами среды. Этот принцип положен в основу работы лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) — перспективных .устройств, обладающих рядом преимуществ по сравнению с традиционными измерителями: например, отсутствием искажения потока в точке измерения; весьма широким динамическим диапазоном измеряемых скоростей (10 о...
...10'м/с); хорошим пространственным разрешением (1О ~~ см'); непо. средственным измерением скорости, не требующим последующей математической обработки информации. К существенным ограничениям принципа следует отнести то, что исследуемая среда должна быть оптически прозрачной и содержать рассеивающие частицы оптимальных размеров и с оптимальными оптическими свойствами. Широкие возможности ЛДИС особенно ярко проявляются при исследовании газовых и жидкостных потоков с малыми поперечными размерами, когда известные методы с применением трубок избыточного давления или термоанемометров неприменимы.
Лазерный доплеровский метод позволяет измерять скорости турбулентных потоков газа и жидкости, воздушных потоков, содержащих капли воды и твердые частицы (двухфазные потоки), гяперзвуковых потоков и скорости движущихся светорассеивающих поверхностей. Однако на точности ре. зультатов измерений, например в экспериментальной аэродинамике, отрицательно сказывается наличие вибраций, источником которых неизбежно является работающая аэродинамическая труба. При использовании оптических устройств в исследованиях околомодельного пространства требуется предусматривать дополнительные меры, направленные на уменьшение или полное устранение влияния вибрации. Поэтому при построении ЛДИС следует учитывать указанные ограничения, выбирая оптимальные соотношения параметров схемы и среды, а также условия работы прибора.
303 Эффект Доплера, используемый в этих устройствах, заключается в изменении длины волны (частоты), которое наблюдается при движении источника излучения относительно приемника. Этот эффект характерен для любого волнового процесса распространения света, радиоволн, звука и имеет следующее объяснение. Если источник колебаний с периодом Т, (частотой то = 1/Т,) неподвижен относительно приемника, то длина волны, воспринимаемая приемником, равна произведению скорости света с на период колебаний Т,, Если же источник, например, будет приближаться к наблюдателю (или наблюдатель к источнику) со скоростью и, то длина волны изменится: Л=(с — и) Т, = Л,(! — о/с), наблюдатель зарегистрирует длину волны Л ( Ло, причем относительное изменение длин волн Ло Хо Все многообразие различных схем ЛДИС можно разделить на два типа! схемы с опорным лучом и дифференциальные схемы.
И.2. Схема з1ДИС с опорным пучем Разработка первого ЛДИС по схеме с опорным лучом относится к середине 60-х годов о. Работал он следующим образом. Луч газового лазера / с частотой излучения то и волновым вектором йо = 2п/Ло падает на частицы среды в точке А (рис. 15.1, а, б), которые движутся в анализируемом пространстве со скоростью и и рассеиваюв свет. Рассеянные лучи с частотой нр и волновым вектором й = 2п/ собираются на фотокатоде приемника. Часть начального пучка лазера отклоняется полупрозрачным зеркалом 2, отражается зеркалом 3, затем попадает на полупрозрачное зеркало 4 и совмещается с рассеянным излучением.
Если на чувствительном слое фотокатода волновые фронты обоих пучков совпадают, то выходной ток фотоумножителя будет содержать компоненту разностной частоты то = тр — то. Таким образом выделяется полезный сигнал доплеровской частоты. Определим, как изменится частота при рассеянии излучения на частицах, перемещающихся со скоростью пв потоке оптически прозрачной среды. Фронт волны опорного луча от неподвижного источника с частотой ото при попадании на движущиеся частицы рассеивается, причем рассеянное излучение имеет частоту сор тоо (1 и/с) Частицы, изменяя направление фронта волны, становятся как бы движущимися в пространстве источниками вторичного рассеянного излучения, и неподвижный приемник уже будет воспринимать сигнал рассеянного частицами излучения с доплеровской частотой соо = со — ооо = — отоп/с.
о Смл у е и Х, Н. 2, С низ ! и Хз// Арр!. Роуз, ье!1.— !ОО4.— 'т'. 4.— Р. 17О, 304 Рис. 15.1. Варианты схемы ЛДИС с опорным лучом (о, б) и тре- угольник волновых векторов Йр, во, и (в) Положив от = 2пт= 2пс/Л = Кс, получим ото = оз — ото ~ — Ко = (й — /зо) и р Из векторного треугольника, образованного волновыми векторамп йр, й, и К, следует, что К = й, — /з„или, учтя тот факт, что биссектриса -ь -в угла а между векторами й и /то почти перпендикулярна к вектору разности К (рис. 15.1, в), К км 2йо з!и (а/2). Так как скалярное произведение векторов (Кп) = Косозф = 2йопз!п(а/2) созф, то, учитывая показатель преломления среды и, находим частоту доплеровского сигнала 4и, сс ото = 2йоппз!п(а/2) сов ф = — поз!п 2 сов ф, или 2л . а то —— — и з!п — соз ф, Хо 2 ! где ф — угол между векторами и и К. Отсюда величина 2л з!и— 2 = сопз! — коэффициент пропорциональности, определяеЛо мый параметрами схемы прибора. ЗОБ Е,(() = Е ехр( — )в,г) Ер(() = Ер ехр( — )в(), и рассеянная 30?, С увеличением угла рассеяния а доплеровская частота то увеличивается, а интенсивность рассеяния изменяется пропорционально а/2 иф, Рассмотрим теперь, как производится преобразование оцтического сигнала в электрический.
В схеме на рис.15.1, а на фотоумножитель падают две волны: опорная с напряженностью электрического поля где Е, Ер — амплитуды интерферирующих волн. Преобразованный электрический сигнал зависит от чувствительности фотоумножителя и контраста интерференционной картины смешиваемых волн (см. п. 3.3): (е(1)=йф)Е(()(т йф(Ерт+ Е~ми+ 2ЕртЕотсоз(вр — во)(), (15.2) где й(р — коэффициент усиления фотоумножителя.
Из анализа (!5.2) следует, что выходной ток содержит цостоянную составляющую, определяемую квадратом амплитуд Ер и Е,', и переменную составляющую, промодулированную частотой, равной разности частот опорного и рассеянного сигналов от двух интерферирующих волн. Эта разность и равна доплеровскому смещению частоты оо = (в — в,)/(2у(). Вкратце остановимся на особенностях схемы ЛДИС с опорным лучом. В ней доплеровский сигнал имеет максимальное значение только в том случае, если соблюдается совмещение опорной и рассеянной волн, т.
е, если выполняется условие оптического гетеродинировання: А,ьба Лйб, где А,е(хьб — светосила (так называемое французскими оптиками аэтаидю» — геометрия данной оптической системы, которая может принять н пропустить далее определенную порцию энергии излучения); А,р — эффективная площадь фотокатода приемника; (зьл — телесный угол, под которым виден анализируемый объем со стороны апертуры приемника.
Для гелий-неонового лазера, применяемого в качестве излучателя, показано [10), что А,еЖл()ьб = (пЖр)з, где Жю — число Френеля. Отсюда, чем больше площадь фотокатода приемника, тем в меньшем телесном угле захватывается излучение, что накладывает ограничения на прием сигнала, несущего информацию о скорости. Это условие требует совмещения на фотокатоде волновых фронтов с точностью до долей длины волны; поэтому такая схема критична к настройке. В действительности мощности опорной и рассеянной волн неодинаковы. Требуются определенные оптимальные соотношения мощностей этих излучений, т. е.
необходимо вводить дополнительные оптические элементы для ослабления энергии опорной волны. 306 Рнс. 16.2. Дифференциальная схема ЛДИС с рассеянием назад (а), поляризацнониая дифференциальная схема ЛДИС для измерения вектора скорости потока и по составлявшим (б) и визуализация обтекания профиля крыла аэродинамическими потоками (в): аг 1 лазер ЛГ-1ббМ( У вЂ” система иекзчни лазера: 3 — объектив П = йб см.
йсз 10 см) ( 4, 14 призмы АР-йб; а призма (куб); а — диафрагма; 7 — длнннофокуснмй объектив; а меследуема» модель( у — полевая диафрагма; !Π— еотозлектроинмй умножитель» 11 усилитель; га внелнззтор спектра; (3 — индикатор; о, — векторм воздушиога пото Ке; К вектоР нвпРевлеиаа обРатиаго РассеЯвиЯ; Кзт, Км — нентоРм иапРевленнй впали знрующик излучений; тп доплераяскея частота; а — угол между направлениями нзлуче Р й К, Кт ййЗ.
Дифференциальная схема ЛДИС Анализ существующих схем ЛДИС * показал, что для получения информации о векторе скорости частиц воздушного потока, обтекающего модель сложной конфигурации в аэродинамической трубе, в связи со спецификой работы такой трубы целесообразно использовать дифференциальную схему с рассеянием назад (рис. 15.2, а).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
