Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Когерентная волна лазера, падающая на некоторый объем рассеивающих частиц, обусловливает интерференцию рассеянных частицами волн, что, в свою очередь, приводит к распределению мощности рассеянного излучения в различных направлениях. Рассмотрим конкретный пример применения матрицы рассеяния аэрозоля, используя поляризованное излучение на выходе ЛДИС для измерения скорости потока, т. е.
определения вектора о е. Для этого оптическую систему прибора ЛДИС дополняют поляризационными призмами. Обычно в качестве поляризатора и анализатора применяют призмы Волластонз и с их помощью определяют поляризацию рассеянного излучения. Допустим, что рассеивающие частицы, находящиеся в потоке, имеют сферическую форму, одинаковые оптические свойства и размеры. При рассеянии горизонтально поляризованной волны сферическими частицами в направлении опорного луча преобразование параметров волны можно описать матрицей рассеяния (см. рис. 10.2, б) й,е"р! О а при рассеянии вертикально поляризованной волны в направлении приемника — матрицей рассеяния О й,е'"Рг Это можно показать, используя квадратные матрицы Джонса (4, 10).
Призма Волластона при азимуте 0 = О имеет следующие приборные матрицы для горизонтально и вертикально поляризованных со- ставляющих измеряемого рассеянного излучения О О О 1 Учитывая, что для каждой из поляризованных составляювцих волн предназначен свой приемник, поляризацнонную матрицу рассеянной волны, падающей на один из фотоумножителей, можно определить Р 'К ..~'Ы,'-)- '""" П 1 О й,е"" О Ава е'~" А й !!ер!+епа! Поляризационные матрицы опорных волн Е„н пространственно совмещенных с ними рассеянных объектных вони Е„а соответственно ' Смл 3 е м л и и с к и 3 Н.
М. Лазерные доплеровские измерители скорости и их примеиеиие в науке и технике,— К., 1988.— 18 с. 312 имеют вид: О 1 з(п 20 — соз 20 Е е~ ' — соз 28 1 О соз 20 ейп 28 О, геок з(п 20 где и,емв', две!~аз — комплексные коэффициенты ослабления при рассеянии горизонтально и вертикально поляризованных волн с векторами направления й„лг на частицах аэрозоля; йвь йрг — коэффициенты рассеяния; А„, А„„— амплитуды поляризациойной матрицы опорной и рассеянной матриц; 0 — азимут полуволновой пластинки; Е„, Е„„— ортогональные составляющие напряженности электрического поля опорной и рассеянной волн; б,„, б„, — углы ориентации векторов напряженности опорной и рассеянной волн.
Из этих формул следует, что амплитуда напряженности электрического поля опорной волны зависит от азимута полуволновой пластинки фазового компенсатора. Меняя 8, можно регулировать соотношение амплитуд волн, разделенных призмой Волластона. При 0 = 48' интенсивности волн, попадающих на разные фотоприемники, одинаковы. По сигналам на выходе фотоумножителей, пропорциональным проекциям вектора о, можно судить о его модуле н направлении. 45.5. Отношение мощностей сигнала и шума е ЛДИС и структура доллероаского сигнала В ЛДИС выделение сигнала на фоне шумов производится как оптическим каналом, так и электронным трактом обработки и регистрации доплеровского сигнала. Поэтому условно принято разделять шумы на внешние и внутренние.
Так как входным сигналом является суперпозиция рассеянных лазерных лучей, порождаемых частицами и не. однородностями среды, то в структуру внешних шумов сигнала будут входить следующие компоненты: случайные флюктуации амплитуды и фазы излучения лазера (т. е.
квантовые шумы, фоновые засветки) и шумы, порождаемые посторонними источниками излучения. В реальных схемах доплеровский сигнал смешан еще и с внутренними шумами. К ним относят темновой ток фотоприемника, а также тепловой и дробовой шумы электронного тракта.
Отметим, что каждое звено измерительной схемы вносит свой компонент шума и ухудшает качество системы в целом. Добавление шумов уширяет спектр доплеровской частоты, так как уже говорилось, что оптический сигнал представляет собой векторную сумму отдельных сигналов, включая н шумы. Это может привести к тому, что полезный сигнал исчезнет на фоне этих шумов.
Кроме указанных выше, на уширение спектра доплеровского сигнала оказывают влияние конечный размер анализируемого объема, неравномерность скоростей рассеивающих частиц, механические вибрации н другие причины. Физическая природа аддитивных компонент шума почти одинакова для всех оптоэлектронных измерительных сн- 3!3 стем. Поэтому, не проводя математического анализа, представим одну из важнейших шумовых характеристик измерительной схемы при методе прямого детектирования ЛДИС. Этой характеристикой, определяющей качество работы систем„является отношение мощностей полезного сигнала Р, и шума Р (7): (15.6) то~/ где т1 — квантоваЯ эффективность фотоУмножителЯ; йто — энеРгиЯ фотона, Дж; гт/ — полоса пропускания фотоумножителя и электронного тракта; Ос« — диаметр входного зрачка приемного объектива; /7 — расстояние от анализируемого объема до приемника, см; и (6, Ф) — дифференциальное сечение рассеяния частицы, см'1 0, Ф вЂ” угловые координаты вектора йр относительно вектора й„.
Формула (15.6) справедлива для одной рассеивающей частицы аэрозоля. Если анализируемый объем мал и содержит набор частиц У, движущихся с различными скоростями, то отношение мощностей Р,/Р для набора частиц будет равно (Р,/Р„) У. Положив, что У рассеивающих частиц занимают весь анализируемый объем, равный сфере диаметром с(, получим У = ттг(арм/6 где рм — плотность частиц в анализируемом объеме.
Отношение Р,/Р для всего анализируемого объема, содержащего У рассеивающих частиц, ь л~л' и (6 Ф) (15.7) Лт«Д///« Чтобы получить максимальное отношение Р,/Р, необходимо фокусировать приемник и излучатель на минимально возможный диаметр анализируемого объема, который в свою очередь ограничен днфракционным пределом разрешения излучения. Из приведенных формул следует, что отношение Р,/Р, помимо параметров рассеивающей среды, зависит от мощности лазера, квантовой эффективности и полосы пропускания фотоумножителя.
Поэтому к методам повышения отношения Р,/Р следует отнести: увеличение мощности лазера; увеличение квантовой эффективности фото. умножителя; применение оптической фильтрации сигнала на входе приемника; использование оптимальной пространственной фильтрации с помощью апертурных диафрагм рассчитанной конфигурации. Применение средств криогенной техники позволяет снизить шумы приемника, которые определяются флюктуациями температуры нагрева фохослоя. Доплеровская ширина полосы, вызванная различием скоростей частиц аэрозоля, составляет 3...5 кГц, в то время как доплеровское смещение частоты от среднего значения, характеризующего скорость потока, достигает 100 МГц. Измерение доплеровского сигнала (рис. 15.4, а), спектральная плотность которого показана на рис. 15.4, б, обычно производят спектроанализатором.
Среднюю скорость оценивают по центру наблюдаемого спектра и (то). Однако спектроанализатор не пригоден для регистрации 314 быстрых изменений скорости, а также по этой методике измерения трудно различить, какова природа сигнала: либо от наличия турбулентности в потоке, либо в от перемещения частиц аэрозоля. Поэтому для достоверной информации применяют и другую электронную схему. Она состоит из фотоумножителя, ограничителя и частотного дискриминатора с шириной поло- 5(4«) сы, обеспечивающей пропускание всего 1 спектра частот.
1 По этой методике измеряют спектраль- г ную плотность мощности в спектре допле- РовскОгО сигнала, кОтоРаи имеет ту жЕ Р 13 4 Выходной кфструктуру, что и функция плотности веро. тоалектрониого умиожителя, ятности, характеризующая число рассеи- содержащий переменную совающих центров для каждого значения ско- стааляющую с частотой /р рости «. Это гауссова функция с централь- (а) и спектр фототока, репой частотой, соответствующей мгновен- гисгрируемыз спектроаналиной скорости движения частиц в анализируемом объеме, которая определяется зависимостью Г Лодг з(т) = з(то) ехр — = (то — то) (15.8) г'1п 2 где з (то) — спектральная плотность мощности, соответствующая доплеровской частоте; /ато — ширина доплеровски уширенной спектральной линии.
Для частиц аэрозоля уширение доплеровской спектральной линии мало. Например, для капель воды радиусом а = 1 мкм при Т = 300 К, сс = 10' и )со = 0,63 мкм /тмо = 650 Гц. Подобное уширение спектральной характеристики обычно трудно наблюдать. Отметим, что в Ьто учтено уширение спектра за счет турбулентности среды. 4Я.Я. Оценка энергетических характеристик излучателя Наибольшее расстояние, на котором с помощью ЛДИС может быть измерена скорость среды, определяют, решая уравнения (15.7) относительно й и подставляя в решение значение диаметра лазерного пучка, сфокусированного в анализируемом объеме.
В этом случае 2 Р«ы«чьо/1««рм /4 '" — зн (Р, Р 1. я,,д/ о(6' Ф)' (15.9) где с( ~ 4Х«Р/(и0„) — диаметр лазерного луча. Следовательно, с помощью ЛДИС можно измерять дистанции до турбулентностей, находящихся в оптически прозрачной среде. Если принять конкретные значения параметров схемы и среды: т) = 0.2; Р,„„ = 2 Вт; )оо = 0,48 мкм; .0„ = 15 см; (Р,/Р ) У = 4; а = 10', о Смл Р и н к е в и ч ю с Б, С.
Ля«ерная анемомсгрия.— М., 1978.— !60 с, 313 Рис. 15.5. Оптическая схема дифференциального ЛДИС: (о (е — фокУсвые РеестоЯввЯ объектввов", гсв — еветовоа ДкеметР ДвефРегмы! Ю ДиаметР евввяввруемого объеме ез( = 1О кГц; среднее значение дифференциального поперечного се- чения сг(О, <р) = п((4п) ж Р,г,аз(4, з тх = готото.ктфто~ (15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
