автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Формирование и обработка сигналов в лазерных доплеровских измерительных системах

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Р Г Б ОД

1 5 ДЕК 1990 да Правах рукописи

УДК 621.383:778.4+681.518.3

МЕЛЕДИН Владимир Генриевич

ФОРМИРОВАНИЕ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В ЛАЗЕРНЫХ ДОПЛЕРОВСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.11.07 -Оптические и оптико - электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1996

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный консультант: доктор технических наук, старший

научный сотрудник Дубнищев Ю.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Василенко Л.С.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Чугуй Ю.В.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Ковалев A.M.

Ведущая организация: Московский энергетический

институт - технический университет

Защита состоится » о рл 1996 г. в часов на

заседании специализированного совета Д 064.14.02 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Сибирской государственной геодезической академии по адресу: 630108, Новосибирск, 10S, ул. Плахотного, 10, СГГА; X.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Сибирской государственной геодезической академии.

Автореферат разослан «22» ¿/ЭлЪрЛ 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, доцент £ Верхотуров О.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие бесконтактных методов измерений параметров механического движения связывается с возможностями оптики, лазерной техники и современных систем обработки информации. Лазерная доплеровская анемометрия является примером комплексного подхода к решению этой задачи. Широкий спектр возникающих проблем в оптике, источниках когерентного излучения, фоторегистрации и обработке сигналов определяет многообразие способов их преодоления, отличающихся по функциональным возможностям и техническим решениям.

Первые зарубежные и отечественные публикации по лазерной доплеровской анемометрии относятся к концу шестидесятых годов. Прошедшие с этого времени годы характеризуются взрывооб-разным развитием технологий опто- и микроэлектроники. Совершенствование элементной базы, с одной стороны, и постоянно повышающийся уровень понимания физических основ лазерной доплеровской анемометрии с другой, привели к появлению в конце восьмидесятых оптических и оптико- электронных измерительных приборов нового поколения. Их комплексный характер уже допускал применение термина «лазерная доплеровская измерительная система», что отразилось в расширенном смысловом толковании аббревиатуры «ЛДИС».

К моменту начала работы над диссертацией в работах отечественных и зарубежных специалистов были заложены основы теории оптических сигналов лазерных анемометров. Были созданы счетно- импульсные и следящие доплеровские сигнальные процессоры. Зарубежные фирмы, такие как Тй/, 1)15А, МЕБвМЕТА!,-ЫЛЮ1Е освоили выпуск малых серий оптико- электронных допле-ровских измерительных приборов и систем. Внедрение новейших для того времени технологий обеспечило этим фирмам длительный период монопольного господства на рынке лазерных оптико- электронных измерителей.

Вместе с тем, образцы лазерных доплеровских анемометров тех лет находились на начальной стадии своего развития. В первую очередь, это выражалось в значительной зависимости точности измерений от целого ряда эмпирически определяемых параметров. Приборы выпускались в виде «конструктора» и были ориентированы на специалистов самой высокой квалификации, от ко-

торых требовалось умение не только профессионально обеспечивать необходимые режимы измерений, но и выявлять физический смысл полученных результатов. Лазерные анемометры обычно использовались в крупных исследовательских центрах, персонал которых мог справиться с проблемами, имевшими, как правило, междисциплинарный характер. По этой причине попытки использовать доплеровские измерители для метрологического обеспечения промышленных технологий, в частности, в металлургии с ее жесткими требованиями к точности, надежности и простоте в эксплуатации, оказались в те годы безуспешными.

Эффективность применения средств измерений определяется их точностью и широтой функциональных возможностей. Для лазерных доплеровских оптико- электронных приборов к числу важнейших относятся проблемы, связанные с созданием эффективных алгоритмов обнаружения и измерения параметров доплеровских сигналов и автоматической адаптации к ним систем обработки, что необходимо для реализации автоматического (без участия оператора) режима работы в широком диапазоне измеряемых, скоростей. Сюда же следует отнести уменьшение динамических погрешностей измерений пульсационных характеристик потоков, повышение точности измерения длин, концентраций светорассеиваю-щих частиц и оперативный контроль структуры зондирующего оптического поля.

Предметом диссертационного исследования является поиск решений обозначенных проблем. Создание эффективно работающих лазерных доплеровских оптико- электронных измерителей -отребовало проведения комплексного анализа и разработки методов формирования и обработки сигналов на всех этапах их преобразований.

Связь с государственными программами и НИР: работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теплофизики СО РАН по теме «Разработка когерентно- оптических методов диагностики потоков» (номер госрегистрации 01.88.0064738).

Цель работы: разработка и реализация методов формирования и обработки сигналов в лазерных доплеровских оптических и

оптико- электронных приборах, создание комплексных оптико-электронных приборов и измерительных систем, ориентированных на применение в научных экспериментах и в промышленных технологиях.

Научная новизна диссертации: состоит в том, что в ней впервые:

♦ развита в рамках фурье- оптики и полуклассической теории фотоэлектрической регистрации теория оптико- электронных сигналов ЛДИС, методы их оптимального приема и преобразования;

♦ предложены и исследованы методы: адаптивного центрирования сигнала, квадратурного регенеративного и адаптивного формирования доплеровских импульсных последовательностей, преобразования доплеровского спектра на основе фильтрующей дискретизации, которые реализованы в счетно- импульсных и следящих процессорах;

♦ разработаны и исследованы методы контроля и поверки точностных характеристик технологических лазерных доплеровских оптико- электронных приборов и систем в производственных условиях;

♦ предложены и исследованы методы контроля геометрических параметров осесимметричных изделий, основанные на применении лазерных доплеровских оптико- электронных приборов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе полученных результатов и выводов разработаны измерительные устройства и приборы, в числе которых: созданный совместно с Конструкторско- технологическим институтом научного приборостроения (КТИ НП) Сибирского отделения РАН и выпускаемый на производственной базе этого института лазерный допле-ровский анемометр с адаптивной временной селекцией и визуализацией вектора скорости (ЛДИС «ABC») и его оптико- волоконные аналоги; унифицированный ряд лазерных измерителей скорости и длины проката «Квазар», «ЛИ» и «Альтаир» на базе гелий-неоновых и полупроводниковых лазеров. Разработанные измерительные системы применяются в научных исследованиях гидро- и аэродинамики потоков и в металлургической промышленности.

Достоверность полученных результатов обоснована доведением предложенных и разработанных методов до полностью завершенных систем, допускающих прямые проверки и испытания в реальных условиях; результатами подобных испытаний; подробным анализом ошибок и погрешностей конкретных функциональных узлов; сопоставлением результатов, полученных различными методами измерений, а также общим комплексным характером работы по созданию лазерных доплеровских оптико- электронных приборов и систем.

На защиту выносятся: теоретические и практические основы формирования и обработки сигналов в лазерных доплеровских оптико- электронных измерительных приборах и системах, включая:

• методы оценки предельных метрологических характеристик и классификацию сигналов, обусловленных корпускулярным характером оптических сигналов ЛДИС;

• теоретическое и экспериментальное обоснование методов дифференциального и квадратурного формирования доплеровских импульсных последовательностей, адаптивного центрирования сигнала, преобразования доплеровского спектра на основе фильтрующей дискретизации и согласованной дискретно - аналоговой фильтрации;

• принципы оптимальной фильтрации, интерполяции, асинхронной временной автоподстройки и демодуляции доплеровских импульсных последовательностей;

' методы испытаний и параметрической стабилизации характеристик разработанных фотоэлектрических преобразователей ЛДИС и их'классификацию;

• способы определения геометрических параметров осесимметрич-ных промышленных изделий с помощью промышленно- технологических ЛДИС;

• методы контроля точностных характеристик и результаты испытаний разработанных ЛДИС в лабораторных и производственных условиях, а также экспериментальный комплекс для поверки измерителей;

• результаты практической реализации разработанных алгоритмов и методов в действующих оптических и оптико- электронных измерительных приборах и системах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на: 4-й Всесоюзной конференции «Оптика лазеров^ (Ленинград, 1984 г.); Всесоюзной конференции «Лазеры в народном хозяйстве» (Москва, 1986 г.); 3-й Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Таллин, 1987 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях «Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков» (Харьков, Алушта, 1988, 1990 г.); Всесоюзной конференции «Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований» (Севастополь, 1989 г.); 1-й Всесоюзной конференции «Физика и конверсия» (Калининград, 1991г.); 1-й Всесоюзной конференции «Оптические методы измерения потоков» (Новосибирск, 1991 г., 1989 г. - Всесоюзный семинар); Международной конференции «Лазерная технология» (Вильнюс, 1990 г.); 1-й Всесоюзной конференции «Применение волоконных систем в промышленности и технологии» (Волгоград, 1991 г.); 2-й Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993 г.); Межреспубликанской конференции «Оптика лазеров- 93» (Санкт- Петербург, 1993 г.); Международном симпозиуме «Прикладная оптика» (Санкт- Петербург, 1994 г.); 3-й Межгосударственной научно- технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1995 г.); Third Inter. Conf. «Laser Anemometry: Advanses and Application» (Swansea, 1989); Inter. Conf. «Modern Techniques and measurements in fluid flows» (Beijing, 1989); First Asian- Pasific Intern. Symp. «Combustion and Energy Utilisation» (Beijing, 1990); Intern. Conf. «Multiphase Flows» (Tsukuba, 1991); Fourth Intern. Conf. «Laser Anemometry: Advanses and Applications» (Cleveland, 1991); Second World Conf. «Experimental Heat Transfer Fluid Mechanics and Thermodynamics» (Dubrovnik, 1991); 15-th Intern. Conf. «Coherent and Nonlinear Optic» and 8-th Intern. Conf. «Laser Optic» (St.-Peter-burg, 1995), а также на различных семинарах и совещаниях.

Личный вклад. Постановка проблем, способы их решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору. Разработки измерительных систем на стадиях НИОКР и практическая реализация их выполнялись сотрудниками научного коллектива под руководством и при непосредственном участии автора.

Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 57 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 17 патентов и авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Содержит 466 страниц, 22 таблицы и 146 рисунков. Список литературы включает 323 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, отмечаются особенности развиваемого направления и его главные задачи, сформулированы наиболее важные научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Формирование и преобразования оптического сигнала в лазерных доплеровских измерительных системах. Исследована структура сигнала в наиболее распространенной дифференциальной оптической схеме ЛДИС. Проведен анализ формирования и преобразований пространственно- временной структуры оптических сигналов в дифференциальной схеме ЛДИС с учетом движения светорассеивателей в измерительном объеме.

Показано, что использование согласованной пространственно-частотной фильтрации когерентных световых полей и последующее фотоэлектрическое преобразование фурье-образа спекл-струк-туры позволяет оптимизировать отношение сигнал/шум ЛДИС. При этом функциональные возможности расширяются на измерение линейных размеров рассеивающих частиц.

В рамках полуклассической теории фотоэлектрической регистрации проведен анализ свойств элементарного (одночастичного) сигнала, обусловленных его корпускулярной природой. Показано, что основой классификации сигналов ЛДИС являются характерные временные и пространственные масштабы усреднения регистрируемых приемником фотособытий. Постоянная, равная времени пролета светорассеивателя через зондирующее поле, выделяет доплеровский пьедестал. Неоптимальная временная постоянная

Т < 2л/(с0О±П) увеличивает относительную долю шумов (рис. 1). Усреднение сигнала с постоянной времени, обратной доплеровско-му смещению частоты, приводит к выделению некогерентной компоненты оптического сигнала.

Пуассоновский характер процесса регистрации фотособытий изменяет характер флуктуаций спектральной плотности энергии регистрируемого оптического сигнала. Для оценки этого влияния

исследован второй момент величины |1>^)|2 или четвертый момент

регистрируемого спектра сигнала. Показано, что дисперсия спектральной плотности определяется временной корреляцией дробового шума с положительными полуволнами регистрируемого допле-ровского сигнала. Отношение некогерентного доплеровского сигнала к шуму достигает максимума при согласованной фильтрации на центральной частоте соц с постоянной При этом минимизируется доля широкополосного дробового шума и отсекаются полосы повышенного шума на кратных частотах.

Показано, что введение несущей изменяет характер скоростной функции пуассоновского процесса. В отсутствие несущей «сгущения» фотособытий синхронны положительным полуволнам некогерентной компоненты оптического сигнала (рис. 2). При введении несущей «сгущения» приходятся на максимумы амплитуды несущей. После синхронной демодуляции компоненты доплеровского сигнала 1Пнк с частотой и усреднения с постоянной Т0 восстанавливается некогерентный сигнал 1ик• Полосы флуктуаций спектральных величин смещаются вдоль оси частот и их центральные частоты оказываются некратными частоте щ (рис. 3). Показано, что в результате усреднения сигнала с временной постоянной Та и переноса спектра в область «Уд асимметричные компоненты шума фильтруются и отношение сигнал/шум повышается.

Установлено, что при многоспекловом приеме оптического сигнала время когерентности служит фактором, определяющим ширину спектра (рис. 4). Если в оптическом поле ЛДИС одновременно оказывается несколько светорассеивателей, то оптический сигнал становится многочастичным и появляется когерентная составляющая. Амплитуда и фаза оптического сигнала оказываются случайно модулированными на временном интервале Тцц. Парци-

альное сложение N элементарных одночастичных сигналов приводит к снижению контраста оптического сигнала в -/ы раз (рис. 5). Так как некогерентные сигналы и шумы некоррелированы, то амплитудное отношение сигнал/шум с ростом N не изменяется. Однако ширина спектра сигнала увеличивается, что ограничивает точность частотных оценок. Показано, что нормирование ширины полосы пропускания систем обработки доплеровских сигналов с учетом реального времени когерентности обеспечивает максимальную помехозащищенность.

Работа лазерных доплеровских измерительных систем основана на определении параметров рассеянного исследуемым объектом оптического излучения. Взаимодействие света и вещества носит принципиально случайный, стохастический характер. При фотопреобразованиях рассеянного света регистрируются флуктуации сигналов, обусловленные как ограниченной когерентностью световых полей, так и корпускулярным характером носителей информации- фотонов. Показано, что эти флуктуации определяют, в конечном счете, характеристики ЛДИС как измерительной системы. Получены оценки предельно- достижимых точностных характеристик, обусловленные фундаментальными физическими ограничениями точности регистрации параметров оптических сигналов ЛДИС.

Установлено, что при отсутствии фоновых засветок необходимое число информационных фотонов обратно пропорционально квадратам контраста сигнала и величины среднеквадратичной ошибки регистрации фазы оптического сигнала. Показано, что среднее значение регистрируемой амплитуды интерференционного оптического сигнала ЛДИС при любом конечном времени интегрирования не совпадает с истинной амплитудой. В оценке амплитуды имеется детерминированное смещение или смещение соответствующей оценки. Роль естественного ограничения времени накопления информации в ЛДИС играет время когерентности сигнала, зависящее от фазового шума или времяпролетного фактора Тщ-¡. В результате смещение оценки амплитудных характеристик сигналов ЛДИС реализуется достаточно часто.

Сделаны оценки числа фотособытий, необходимых для регистрации с заданной точностью амплитуды и фазы оптического сигнала ЛДИС. Показано, что для узкополосных сигналов ЛДИС при

О.»со£), допускающих аналитическое представление, фазово- частотные методы обработки фотонно- ограниченных сигналов ЛДИС обеспечивают асимптотически несмещенные оценки средней скорости исследуемого объекта. Если оптический сигнал ЛДИС не является узкополосным, например, при малом числе интерференционных полос в зондирующем оптическом поле, то корректность его аналитического представления нарушается. При этом нарушается однозначность разбиения сигнала на амплитудный и фазовый сомножители и смещенность амплитудной оценки вызывает соответствующее смещение оценок фазы и частоты. Подтверждено, что частотно- фазовые методы обработки сигналов ЛДИС, являются более помехоустойчивыми по сравнению с методами амплитудной обработки.

Световые поля в различных спеклах некогерентны и их фазы некоррелированы. Показано, что если площадь апертуры фотоприемника оказывается меньше характерной площади спекла, то параметр /л — 1, а нормированное отношение сигнала к шуму линейно растет с ростом апертуры фотоприемника. Если в пределах апертуры фотоприемника оказывается достаточное количество спеклов, то ц «50/8с, а нормированное отношение сигнал/шум асимптотически стремится к единице (рис. 6). Получены соотношения минимально необходимого числа регистрируемых фотонов для оценки параметров одночастичного и многочастичного оптического сигнала ЛДИС с заданной точностью.

В лазерных доплеровских измерительных системах фотоприемник является важнейшим звеном во всей цепи преобразования информации. С учетом специфики оптических сигналов ЛДИС для фотоэлектрических преобразователей разработаны классификация, схемотехника и методы параметрической стабилизации характеристик. Теоретически и экспериментально обоснованы методы определения временных и частотных параметров фотоприемников ЛДИС, отличающихся значительным динамическим диапазоном (до 105) и полосой рабочих частот (до 100 мГц). Разработан метод, основанный на измерениях шума теплового некогерентного оптического источника с малым параметром вырождения фотоотсчетов. Источник допускает подгонку энергетических характеристик под характеристики оптического сигнала ЛДИС.

Разработан функционально завершенный ряд фотоэлектрических преобразователей доплеровских сигналов, оптимально согласованных с параметрами оптических сигналов лазерных доплеровских измерительных систем.

Глава 2. Обработка сигналов ЛДИС во временной области.

Алгоритмы работы доплеровских счетно- импульсных процессоров основаны на априорной информации о структуре оптического сигнала ЛДИС. Показано, что способ селекции и выделения электрических сигналов, несущих информацию о скорости движения исследуемых объектов, определяется используемой моделью оптического сигнала. На выбранном способе селекции базируются алгоритмы формирования последовательностей счетных и строб-импульсов, использующие дискретные измерения средней частоты выбросов доплеровского сигнала за нулевой уровень. Проведен теоретический анализ алгоритмов формирования счетных и строб-импульсных последовательностей в дискретном времени. Показано, что нормированное значение ожидаемой частоты нулей соответствует среднему значению частоты («центру тяжести») доплеровского спектра. Если некоторая полоса частот сигнала, соответствующая доплеровскому спектральному пику, несет мощность, большую чем соседние полосы, она «притягивает» нормированное значение ожидаемого числа нулей.

Избыточность данных минимизируется при переходе от асинхронного к синхронному принципу работы. При этом формирование временной сетки осуществляется самими импульсами счетной последовательности. Последовательность Ок, определенная числом пересечений нуля разностным рядом ДА-т, является по-

следовательностью нулей высокого порядка. Реализованные методы и алгоритмы обработки доплеровского сигнала оперируют тремя первыми членами последовательности При переходе к высоким порядкам нулей начинают сказываться краевые эффекты, смещающие оценку эффективного числа-интерференционных полос в зондирующем объеме ЛДИС. В методе адаптивного центрирования сигнала ЛДИС использована специальная компенсация краевых эффектов. Показано, что требования к качеству предварительной линейной фильтрации снижаются при использовании

фильтрующих синхронных алгоритмов работы формирователя счетной и строб- импульсной последовательностей.

Разработан алгоритм дифференциальной обработки полуволн входного сигнала, обеспечивающий идентичность работы двухуровневых формирователей с временным сдвигом на половину периода доплеровского сигнала. Предложен разностный метод обработки нулей высоких порядков, обеспечивающий подавление аддитивных помех и эквивалентный применению фильтра, сужающего эффективную полосу обрабатываемого сигнала. В ходе экспериментальных исследований созданного дифференциального формирователя установлено, что выигрыш зависит от соотношения амплитуд доплеровской составляющей и пьедестала и от общей структуры входного доплеровского сигнала. В наихудшем случае выигрыш в отношении сигнал/шум составил 4 дБ, а в наиболее благоприятном - доходил до 20 дБ. Дополнительным преимуществом метода является удвоенная частота выходной С- последовательности, обеспечивающая более быстрое накопление данных схемой цифровой обработки.

Разработан алгоритм регенерации квадратурных компонент сигнала ЛДИС, обеспечивающий сохранение информации о знаке скорости потока sgn(u) в сигнале и одновременно подавляющий образование паразитных нулей в выходных е- последовательностях (рис. 7). Установлено, что метод значительно повышает помехоустойчивость систем обработки. В регенерированных сигналах устранена неопределенность сечения нулей, но фаза выходных е- последовательностей смещена относительно исходной на величину, определяемую соотношением сигнала и шумов. Выполнена оценка этого смещения. Показано, что подавление паразитных нулей в е- последовательностях в результате регенерации является пол-

4ж тт

ным, если дисперсия шума удовлетворяет условию: <тг <-. При

0)о

регенерации полностью используются свойства «самонастройки» времени усреднения и согласованной фильтрации хф = 4л- / <ов статистической структурой процесса, описываемого аналитическим сигналом.

Разработаны и реализованы демодуляторы доплеровского сигнала, отличающиеся расширенным диапазоном и малыми динами-

ческими ошибками. В них использовано стробируемое интегрирование нормированной по амплитуде и длительности счетной последовательности. Восстанавливается ступенчатое напряжение, являющееся результатом дискретизации пуассоновским полем свето-рассеивателей непрерывной функции скорости исследуемого потока. Демодулированный сигнал представляется в форме:

где знаком * обозначена операция свертки, Пгу2(0 - прямоугольная функция, равная единице на интервале [ Т/2,Т/2 ] и нулю вне него. Период дискретизации определяется моментами появления светорассеивающих частиц в зондирующем оптическом поле, ¿>(f - tk) - дельта- функция, моделирующая случайную дискретизацию пуассоновским полем светорассеивателей в измеряемом потоке. Для восстановления гладкой непрерывной функции v(t) скорости исходного потока требуется соответствующая интерполяция. Показано, что оптимальным интерполятором сигналов ЛДИС, минимизирующим динамические ошибки, является фильтр Бесселя десятого порядка.

Теоретически и экспериментально установлено, что двухка-нальная структура демодулятора обеспечивает требуемую высокую точность. Демодулятор осуществляет обработку доплеровских С- и S- последовательностей с нелинейностью, не превышающей ОД % в диапазоне частот 102...107 Гц и уровнем дрейфа в режиме фиксации, не превышающим 5-Ю"3 В/с. Остаточные пульсации демоду-лированного сигнала, обусловленные циклами разряд- заряд интегрирующей цепи, устранены в предложенном и реализованном методе асинхронной фазовой автоподстройки. Метод основан на асинхронном слежении за текущим периодом следования импульсов счетной последовательности и эффективен при работе ЛДИС в режиме обратного рассеяния на предельных измерительных дистанциях. Разработаны методы цифровой обработки С- и S- последовательностей, генерируемых формирователем.

Комплекс предложенных методов реализован в коммутационном доплеровском сигнальном счетно- импульсном процессоре. Процессор выполнен в стандарте КАМАК и обладает расширенны-

ми функциональными возможностями. В их числе: измерение скорости; измерение частоты доплеровского сигнала; аналоговая демодуляции, оптимальная интерполяция и фильтрация сигналов; измерение счетной концентрации светорассеивающих частиц в потоке и контроль эффективной пространственной структуры зондирующего оптического поля.

Глава 3. Обработка сигналов ЛДИС в частотной области.

Задачи гидро- и аэродинамики, связанные с точным измерением динамических характеристик полей скоростей многофазных потоков, измерения в плазме и аэрозолях определяют использование в следящих процессорах ЛДИС наиболее совершенных методов и технических решений. В разработанном двухканальном коммутационном доплеровском следящем процессоре реализованы: квадратурное аналоговое преобразование спектра, компенсационное выделение частотного рассогласования с дискретным фазово- частотным детектированием, стробируемое цифроаналоговое усреднение и векторный аналоговый генератор сигнала аппроксимации coq.

Предложен способ измерения скорости и частоты сигнала ЛДИС на основе цифровой коммутации режимов суммирования и

вычитания квадратурных последовательностей jcjij и jsf j. Реализован коммутируемый синхронный счет противофазных С- последовательностей с автоматическим выбором канала, содержащего к концу цикла Т информацию о частоте FD в прямом коде. Разработан интерфейс, связывающий системную шину доплеровского следящего процессора с магистралью КАМАК. Обеспечена возможность работы процессоров с различными компьютерами (не обязательно IBM- совместимыми).

В однокомпонентных ЛДИС ширина доплеровского спектра сигнала Аа^, прямо пропорциональна абсолютному значению измеряемой скорости. Реализована согласованная фильтрация на основе адаптивной перестройки полосы квадратурного фильтра. Проведены оценки предельных уровней аддитивных помех gc(t) и gs(t) в квадратурном сигнале разностной частоты □(£)> а также их влияния на качество работы сигнального процессора. Установлено, что число выходных импульсов последовательности, соответству-

ющее дискретизации фазы квадратурных сигналов частотного рассогласования должно быть не менее четырех на один полный период. Показано, что нелинейности передаточных характеристик генератора и фильтра компенсируются дополнительным диапазонным частотно- аналоговым преобразованием. В ходе лабораторных испытаний процессора получены данные о том, что общая погрешность измерения статических тестовых сигналов не превышает 0,03 % (рис. 8).

Разработан алгоритм работы системного измерителя скорости, основанный на интегрировании импульсной последовательности на базовом временном интервале Т:

Разрешающая способность формирователя временных интервалов, определяющая систематическую ошибку, не увеличивает общую погрешность измерения ЛДИС при двенадцатиразрядном двоичным кодировании коэффициента Ку (рис. 9). Минимальная длительность интервала временного усреднения Т при Ку = 15 кГц/м/с, 5 = 0,1%, /с =100 кГц, разрешении АК < 10 3 составляет Т « 100 тс.

Предложен и детально обоснован алгоритм работы системного измерителя длины на основе интегрирования импульсной последовательности на интервале О.-.Г^ (рис. 10). Интервал задается

синхроконтактом, либо разницей моментов срабатывания фоторелейных барьеров. Диаграмма формируется фиксаторами по сигналам формирователей, отслеживающих перемены состояний фотобарьеров. Реализованы: счет длины от нуля до момента стробиро-вания, либо от заданного значения до нуля; буферирование результата и отображение процесса текущего измерения; аппаратная блокировка измерений объектов, с длинами меньшими базового интервала; двоично- десятичный и двоичный режимы работы. Использование двоичного режима расширило диапазон измеряемых длин до 0,01...10485,00 метров с представлением информации в гексакодах.

г

Теоретически и экспериментально обоснован метод фильтрующей дискретизации, реализующий дискретно- аналоговую фильтрацию при выделении частотного рассогласования Интервал дискретизации сигнала ЛДИС у(Ь) равен Тс, фазы двух интегрирующих дискретизаторов сдвинуты на половину интервала Тс, а эффективная длина интервала интегрирования составляет Тс/2. Амплитудно- частотная характеристика эквивалентного фильтра определяется выражением:

В результате фильтрующей дискретизации комбинационные составляющие с четными номерами и в нуле подавлены. Выходной сигнал частотной ошибки У_(ю) <-» является результатом дис-

кретизации с частотой гладкой функции разностной частоты [<%-<%]. Метод реализован в квадратурных дифференциальных дискретно- аналоговых фильтрующих преобразователях спектра доплеровских следящих процессоров лазерного измерителя скорости и длины движущихся объектов. Структура преобразователей образована двумя дифференциальными дискретно- аналоговыми преобразователями и синхронизатором. Характеристики определяются импульсными последовательностями, вырабатываемыми синхронизатором. Обеспечена совместимость преобразователей с цифровыми аппроксимирующими генераторами и адаптация полосы приема доплеровского следящего процессора.

На основе комплекса предложенных методов разработана и . реализована система обработки доплеровского сигнала на следящем процессоре, осуществляющая точные измерения в условиях непредсказуемых отклонений параметров объектов и ориентированная на промышленные технологии (рис. 9-10). В сигнальном процессоре реализованы: одноканальное квадратурное преобразование спектра с дискретно- аналоговой фильтрацией, компенсационное дискретное фазово- частотное выделение частотного рассогласования, стробируемое аналоговое усреднение и квадратурный цифровой генератор аппроксимации В реализованной системе

работа, настройка и адаптация полностью автоматизированы; система явилась базовой для лазерных измерителей скоростей и длин движущихся поверхностей.

Глава 4. Функциональные узлы лазерных доплеровских измерительных систем. Ориентация разработок оптических доплеровских измерительных систем на применение полупроводниковых инжекционных лазеров достаточно перспективна. Это объясняется их компактностью, механической прочностью, высоким КПД, низким уровнем шумов и значительной мощностью выходного излучения, превышающей мощность гелий- неоновых лазеров.

Исследована связь основных характеристик полупроводниковых инжекционных лазеров как источников оптического излучения в ЛДИС с температурными эффектами и тепловым режимом лазерных кристаллов. Экспериментально установлено влияние характеристик токовой накачки и термостабилизации на ресурсные характеристики серийных полупроводниковых лазеров. Проведена оптимизация динамических характеристик регулятора, минимизация температурных градиентов кристалла лазера, замедляющая процессы деградации. Разработаны методы стабилизации длины волны, модового состава и мощности выходного излучения полупроводниковых лазеров в ЛДИС, обеспечивающие максимальный ресурс работы. Воспроизводимость и стабильность метрологических параметров ЛДИС обеспечены прецизионной стабилизацией температуры и тока накачки, а также тщательной проработкой оптико- механических функциональных узлов полупроводникового лазерного излучателя.

Для применения в ЛДИС разработан двухканальный импульсный полупроводниковый излучатель, предназначенный для генерации когерентных стробируемых световых импульсов и выработки сигналов импульсной синхронизации. Излучатель использован в ЛДИС с оптико- электронной коммутацией измерительных каналов и фотоприемником на основе однофотонного СоАя- фотоэлектронного умножителя. Установлено, что по энергетическим характеристикам подобный ЛДИС превосходит измеритель на гелий- неоновом лазере и позволяет проводить измерения в гидросредах на значительных измерительных дистанциях.

Теоретически и экспериментально обоснован метод графического представления на экране монитора выходных сигналов доп-леровских измерителей и визуализации векторов скорости потоков в лабораторной системе координат. Метод реализован в устройстве, получившем название «векторный преобразователь». Векторный преобразователь обрабатывает в реальном времени выходные аналоговые сигналы двухкомпонентного ЛДИС. Он выполнен в стандарте КАМАК, входит в состав созданных двухкомпонентных ЛДИС с временной селекцией и визуализацией компонент вектора скорости и использован в реальных физических экспериментах. Осуществлена визуализация в реальном масштабе времени двухмерного вектора скорости исследуемых потоков и объектов в полярной системе координат.

Глава 5. Практическая реализация и применение допле-ровских измерительных систем в научных исследованиях. Разработан и реализован оптико- электронный тракт лазерного допле-ровского анемометра с адаптивной временной селекцией и визуализацией вектора скорости. ЛДИС «ABC» предназначен для прецизионного бесконтактного измерения и визуализации вектора скорости потоков, а также измерений счетной концентрации частиц в ходе научных исследований. В измерителе применена двух-канальная структурная схема с акустооптической коммутацией каналов. Повышенная точность измерений обеспечена за счет временной селекции и автоматического согласования компонент вектора скорости с пространственным распределением рассеивающих частиц в потоке.

Разработаны оптико- электронные тракты волоконно- оптических аналогов лазерных измерителей скорости «ABC». Обработка доплеровских сигналов в системах реализована на двухканальных процессорах счетно- импульсного и следящего типов с логической адаптивной коммутацией измерительных каналов. Установлено, что максимальная частота коммутации оптических каналов достигает 300 кГц и определяется временем распространения ультразвуковых волн в акустооптических модуляторах. Разработан оптико-электронный тракт функционального аналога прибора «ABC», предназначенного для океанологических исследований.

Разработаны и реализованы оптико- электронные тракты малогабаритных ЛДИС для научных исследований с расширенными функциональными возможностями на основе полупроводниковых лазерных излучателей импульсного и непрерывного действия, в том числе на матричных полупроводниковых излучателях. В системах реализованы адаптивная временная и пространственно-временная селекции оптического сигнала. Совместно с КТИ НП СО РАН на разработанные системы выпущены комплекты конструкторской документации и экспериментальные образцы. Выпущена малая серия измерителей «ABC».

Созданные лазерные доплеровские измерительные системы нашли применение в аэрокосмической, судостроительной, целлю-лозно- бумажной отраслях промышленности. Они использовались в научных исследованиях, проводимых в институтах Сибирского отделения РАН. Высокий уровень характеристик приборов обусловил важность и новизну полученных результатов.

Примером успешного применения ЛДИС «ABC» являются экспериментальные исследования внутренней структуры топливной струи в дизельных двигателях (рис. 11). Исследовано влияние геометрии распыляющих отверстий и давления впрыска на скорость движения, уровень турбулентности газового потока и счетную концентрацию частиц топлива. Доказана возможность использования ЛДИС «ABC» для измерения импульсных нестационарных процессов, а также для определения счетной концентрации распыляемых капель в режиме впрыска дизельного топлива.

Измерительный комплекс «ABC» использован в исследованиях обтекания жесткого диска гидропотоком. Показана возможность получения пространственных распределений скоростей потоков и их пульсационных характеристик, а также распределения полей концентраций взвешенных в исследуемом потоке частиц при величинах измерительных дистанций более одного метра. Установлена возможность измерения ЛДИС «ABC» характеристик турбулентных воздушных потоков на естественных воздушных взвесях, без добавления рассеивающих частиц (рис. 12).

Примерами успешного применения ЛДИС на основе полупроводникового лазера являются физические экспериментальные исследования аэродинамики двухфазной гравитационной струи и измерения профилей скоростей криогенных сред в условиях теплооб-

мена. Исследования подобных структур предъявляют жесткие требования к характеристикам и функциональным возможностям измерителей. Особенно это относится к запасу в отношении сигнал/шум, определяющим глубину зондирования и полноту выборки пульсационных характеристик процессов. В ходе исследований измерены: локальные функции распределения скоростей частиц, средние по времени скорости падения частиц, уровни среднеквадратичных пульсаций продольных скоростей частиц, спектральные характеристики продольных пульсаций скоростей, относительные счетные концентрации частиц и их пространственные распределения.

Глава 6. Практическая реализация и применение лазерных доплеровских измерителей скорости и линейных размеров в металлургической промышленности. Для измерения скорости и длины проката на базе гелий- неоновых и полупроводниковых лазеров разработаны оптико- электронные тракты ряда унифицированных доплеровских измерительных систем: «Квазар-М», «Квазарам», «Квазар-ЗМ», «Альтаир», «Альтаир-М», «Альтаир-2М». В измерителях «Квазар-М», «Квазар-ЗМ» и «ЛИ-803м» в качестве источника когерентного излучения использованы гелий- неоновые лазеры. ЛДИС серии «Альтаир» основаны на полупроводниковых лазерах. На лазерные измерители скорости и длины разработана конструкторская документация в сотрудничестве с КТИ НП СО РАН. Приборы подготовлены к промышленному освоению. Выпущены малые серии.

Разработаны технологические программно- аппаратные комплексы ЛДИС обладающие расширенными функциональными возможностями. В системах реализованы: индикация в реальном времени текущих значений измеряемых скоростей и длин раскатов; хронометрирование результатов измерений; учет порядковых номеров раскатов; индикация и хронометрирование служебных сигналов измерителя и выдача информации о достоверности результатов измерений; показ в реальном времени процесса перемещения раската через зону измерения (мультипликация); заполнение таблицы результатов измерений, запись в нее следующей информации: порядкового номера раската; средней скорости движения; длины раската; времени измерения и достоверности данных; автоматическое формирование файлов данных и запись их в архив, с

сохранением информации при авариях сети; ведение посменного учета продукции с сохранением в отдельных файлах результатов каждой рабочей смены; отключение дисплея при длительных технологических перерывах.

Проведен сравнительный анализ основных технических характеристик ЛДИС «Альтаир», «Квазар-ЗМ»/«ЛИ-803м» и американских «Laser Speed™» фирмы TSI. Показано, что разработанные ЛДИС, представляющие собой функциональный ряд измерительных систем, по основным техническим характеристикам превосходят западные аналоги и лучше приспособлены к реальным условиям отечественного металлургического производства (рис. 13).

Разработан и реализован оптико- электронный тракт измерителя «Квазар-М», который успешно эксплуатируется на Новосибирском металлургическом заводе (НМЗ) с 1986 года. В 1985 году были разработаны, реализованы и испытаны в условиях металлургического производства первые лазерные бесконтактные доплеров-ские измерители скорости и длины проката серии «Альтаир». Полупроводниковые лазерные измерители скорости и длины проката серии «Альтаир» на момент создания обладали мировой новизной. В 1988 году был разработан оптико- электронный тракт измерителя скорости и длины горячего проката «Квазар-2М» на основе газового лазера и акустооптического модулятора бегущей волны. Работа по подготовке, к промышленному выпуску была включена в план освоения новой техники МИНЧЕРМЕТом СССР. Создан и цс-пытан в производственных условиях Западно- Сибирского металлургического комбината оптико- электронный тракт ЛДИС «Квазар-80М». Прибор явился результатом модернизации первого измерителя серии «Квазар», проведенной с учетом опыта эксплуатации на НМЗ. Созданы и испытаны в 1993 году на крупнейших предприятиях отрасли- Нижне- Тагильском (НТМК) и ЗападноСибирском (ЗСМК) металлургических комбинатах оптико- электронные тракты измерительных систем «ЛИ-803м», отличающиеся сверхдальней измерительной дистанцией и предельной глубиной измерительной зоны.

Показано, что нетрадиционное применение ЛДИС для контроля геометрических параметров осесимметричных промышленных изделий эффективно решает задачи измерения и контроля формы геометрически сложных тел, в том числе, железнодорож-

ных колес. Погрешность измерений зависит от величины и скоро сти изменения радиуса (степени несоосности) объекта. Она составляет ~0Д % для эксцентриситета порядка 20 %. Экспериментальная проверка метода проведена в 1994-1995 г. в обжимном цехе ЗСМК. Установлено, что погрешность измерений менее 0,1% обеспечивается при скорости движения проката до 10 м/с, температуре поверхности изделий до 1100° С и углах р < 30°.

Теоретически и экспериментально обоснованы методы контроля и поверки точностных характеристик ЛДИС промышленного применения. Создан автоматизированный комплекс, позволяющий настраивать промышленно- технологические ЛДИС, аттесто-вывать долговременную стабильность и воспроизводимость их метрологических характеристик. Выполнены стендовые испытания разработанных лазерных доплеровских измерительных систем.

Проведены производственные испытания разработанных систем (рис. 14). Проведены испытания измерителя «Квазар-М» на НМЗ им. А.Н. Кузьмина. Получены данные сравнения длин отрезанных труб, измеренных ЛДИС и отсчетов, полученных на измерительной решетке после охлаждения труб. Проведены заводские испытания измерителя «КВАЗАР-ЗМ» на ЗСМК. Прибор устанавливался на непрерывно- заготовительном стане 850/730/580 после черновой группы клетей. Температура прокатываемых заготовок 150x150 (сталь СтЗ ПС), составляла около 1000 °С. Показано, что погрешность измерения длины горячего проката разработанными ЛДИС в реальных производственных условиях составила 0,065 %, что в 25 раз меньше погрешности штатного заводского измерителя длин раскатов в АСУ ТП «РАСКРОЙ- НЗС».

Проведены сравнительные испытания измерителей длин проката на среднесортовом стане 450 ЗСМК: автоматизированной системы слежения за материальным потоком (АСУ «СЛЕЖЕНИЕ-450») и лазерного измерителя. АСУ ТП «РАСКРОЙ-450» использует информацию о скорости раската, полученную с таходатчика валка прокатной клети, и относится к классу роликовых контактных измерителей. В процессе испытаний (рис. 14) показаны значительные преимущества лазерных доплеровских измерительных систем скорости и длины проката по точности и надежности. Доказана возможность тонкого контроля технологии прокатного про-

изводства в реальном времени, а также качества настройки последовательного ряда прокатных клетей в технологических линиях.

Наиболее полно испытания разработанных ЛДИС в производственных условиях проведены в 1994 году на Нижне- Тагильском металлургическом комбинате в цехе прокатки широкополочных балок (ЦПШБ) после участка пил. Этот участок является последним во всей технологической цепочке и внедрение прогрессивной технологии дает здесь максимальную отдачу. Разработаны четыре метода проверки точности измерений ЛДИС в производственных условиях: по разбросу длин измеренных раскатов, длины которых определяются расстояниями между пилами; по разнице длин раскатов, измеренных прибором и металлической рулеткой на холодильнике; по сравнению длин отрезков холодного проката, измеренных прибором и металлической рулеткой; по многократному измерению длины отрезка холодного проката.

В результате производственных испытаний (рис. 14) установлено, что среднее отклонение измеренной прибором длины проката от истинной составляет не более 5 мм (0,05 %), а максимальное-не более 10 мм (0,099 %). Эти погрешности содержат компенсируемую систематическую составляющую, связанную с неточностью установки при испытаниях на прокатном стане оптического датчика ЛДИС. Показано, что максимальный разброс длин для одной и той же группы пил не превышает 10 мм, или 0,098 %. Эта величина является предельной оценкой и включает в себя как инструментальную погрешность ЛДИС, так и отклонения, связанные с биениями пил и неточностью их позиционирования.

При суммировании двух смежных отрезков проката значения полученной длины соответствует расстоянию между пилами, определяемому их расстановкой. В величину разброса входят колебания толщины реза и неодинаковый уход температур раскатов в процессе раскроя. Установлено, что оценка общей погрешности по данной методш^ не превышает 0,12 %, а разброс значений длин 30 мм. Сравнение длин раскатов по третьей методике проведено с температурной коррекцией. Установлено, что, несмотря на сложность оперативного измерения длины горячего проката рулеткой, устанавливаемой параллельно прокату, максимальное отклонение длин холодного проката и скорректированных длин горячего, измеренных ЛДИС, не превышает 20 мм. Средняя величина этого отклонения 10 мм ( < 0,1 %).

В ходе проведенных производственных испытаний показано, что разработанный комплекс ЛДИС работоспособен в условиях реального металлургического производства. Обеспечены точные измерения скорости и длины горячего и холодного проката с общей погрешностью, не превышающей ОД %. С 1994 года комплекс находится в непрерывной эксплуатации в системе учета продукции цеха широкополочных балок НТМК. Он заменил штатную измерительную систему («ИДШ»), обладая на порядок более высокой точностью и надежностью. Информация о скоростях, длинах раскатов, времени измерения и их достоверности представляется в виде информационных файлов. На основании этой информации, в частности, производится начисление заработной платы десятитысячному коллективу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен анализ пространственно- временной структуры оптических сигналов в дифференциальной схеме ЛДИС с учетом движения светорассеивателей в измерительном объеме. Показано, что узкополосная согласованная пространственно- частотная фильтрация когерентных световых полей и фотоэлектрическое преобразование фурье- образа этой структуры позволяют оптимизировать отношение сигнал/шум и расширить функциональные возможности ЛДИС.

2. В рамках полуклассической теории фотоэлектрической регистрации проведен анализ структуры одночастичного доплеровско-го сигнала. Получены предельные оценки метрологических характеристик, обусловленные фундаментальными физическими ограничениями точности регистрации оптических сигналов ЛДИС. Предложена классификация сигналов ЛДИС на основе различий временных и пространственных масштабов усреднения фотособытий, регистрируемых фотоприемником.

3. Для фотоэлектрических преобразователей оптических доплеров-ских сигналов разработаны классификация, схемотехника, методы испытаний и параметрической стабилизации их характеристик. Разработан и реализован ряд важнейших функциональных узлов лазерных доплеровских измерительных систем, в том числе фотоэлектрических преобразователей ЛДИС и полупроводниковых лазерных излучателей.

4. Предложены методы дифференциального и квадратурного формирования счетных и строб- импульсных последовательностей, а также адаптивного центрирования доплеровского сигнала. Показано, что использование методов повышает помехоустойчи-

вость и позволяет формировать 5- и С- сигнальные импульсные последовательности при неполном подавлении пьедестала в условиях аддитивных помех. Повышенная точность и устойчивость обработки доплеровских сигналов достигается за счет введения операций регенерации квадратур и регенерации стробов.

5. Разработаны методологические принципы и проведена классификация этапов выделения и преобразования информации в доплеровских сигнальных процессорах. Предложены и детально обоснованы способы преобразований доплеровского спектра на основе фильтрующей дискретизации и согласованной дискретно - аналоговой фильтрации. Показано, что в формирователях разработанных процессоров реализуется минимальная временная постоянная фильтрации, согласованная с временным масштабом исходного сигнала.

6. Исследованы особенности цифровой и аналоговой демодуляции сигнальных последовательностей в доплеровских процессорах. Показано, что уменьшение динамических погрешностей достигается применением оптимальной фильтрации и интерполяции сигналов. Повышение точности и расширение динамического диапазона достигается введением параллельных частотных каналов демодуляции, а также асинхронной временной автоподстройки.

7. Разработаны и созданы: базовая система для обработки сигналов промышленно- технологических ЛДИС, а также коммутационные сигнальные доплеровские счетно- импульсные и следящие процессоры. Процессоры реализуют метод временной селекции вектора скорости, выполнены в стандарте КАМАК, ап-паратно и программно совместимы с персональными компьютерами и обладают расширенными функциональными возможностями. В их числе: векторное измерение скорости: измерение частоты доплеровского сигнала; аналоговая демодуляции, интерполяция и фильтрация сигналов; измерение счетной концентрации светорассеивающих частиц и контроль эффективной пространственной структуры зондирующего оптического поля в потоке.

8. Уровень созданных систем для измерения пространственного распределения скоростей и концентраций обоснован научными результатами физических экспериментальных исследований: обтекания жесткого диска гидропотоком; внутренней структуры и концентрации распыляемых капель топливной струи в режиме импульсного впрыска в дизельных двигателях; аэродинамики двухфазной гравитационной струи; измерений скоростей криогенных сред в условиях теплообмена; турбулентных воздушных потоков на естественных взвесях, без введения дополнительных светорассеивателей.

9. Разработаны и реализованы оптико- электронные тракты: лазерного доплеровского анемометра с адаптивной временной селекцией и визуализацией вектора скорости, оптико- волоконных, полупроводниковых измерителей скоростей гидро- и аэропотоков, измерителей скорости океанических течений для натурных исследований, а также семейств промышленных технологических измерителей скорости и длины на основе газовых и полупроводниковых лазеров.

10.Разработаны методы и создан экспериментальный комплекс для контроля и поверки точностных характеристик ЛДИС в лабораторных и производственных условиях. Выполнены сравнительные испытания разработанных ЛДИС промышленного исполнения с применяемыми в металлургии штатными контрольно- измерительными комплексами. Показано, что точностные характеристики разработанных промышленно- технологических ЛДИС позволяют рассматривать их как эталонные приборы. Нетрадиционное применение ЛДИС для контроля геометрических параметров осесимметричных промышленных изделий позволяет эффективно решать задачи измерения и контроля формы геометрически сложных тел, в том числе, железнодорожных колес.

11.На основе результатов диссертационной работы создан ряд защищенных авторскими свидетельствами и патентами Российской Федерации лазерных доплеровских оптико- электронных приборов и измерительных систем, успешно работающих в длительном непрерывном режиме на предприятиях металлургической отрасли, осуществляющих контроль технологических производственных параметров и учет продукции. Эффективность применения разработанных систем подтверждена примерами реальных информационных файлов.

В диссертации поставлена, обоснована и решена крупная научно- техническая проблема разработки и реализации методов формирования и обработки сигналов в лазерных доплеровских оптических и оптико- электронных приборах, а также создания комплексных измерительных систем, ориентированных на применение в научных экспериментах и в промышленных технологиях, обладающих расширенными функциональными возможностями и высокими точностными характеристиками. Решение проблемы имеет важное научное и прикладное значение для экспериментальной гидро- и аэродинамики, а также для промышленных технологий, связанных с необходимостью точных бесконтактных измерений параметров движущихся объектов.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Арбузов В.А., Белоусов П.Я. Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др. Системы оптической диагностики динамики и фазовой структуры потоков // Сибирский физико- технический журнал,

1992. - Вып. 2. - Март- апрель. - С. 4-11.

2. A.c. № 1116837 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Когерентно-оптическое устройство для измерения скорости / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. / - 1983.

3. Dubnishchev Yu.N., Zhuravel F.A., Meledin V.G. e.a. Laser Doppler anemometry with selection of optical signal coherent component // Opt. Applicata, 1987. - Vol. 17. - № 2. - P. 71-80.

4. Меледин В.Г. Обработка сигналов в лазерной доплеровской анемометрии // Оптические методы исследования потоков: Материалы 2-й межреспубл. конф., 1-3 июня 1993 г. - Новосибирск,

1993. - С. 17-18.

5. Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Павлов В.А. Динамическая дифференциальная спекл- интерферометрия // Оптика лазеров: Материалы 4-ой Всесоюзн. конф., 13-18 яив. 1984 г., ГОИ. - Ленинград, 1983. - С. 289.

6. A.c. № 1261450 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Лазерный доплеров-ский анемометр / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. / 1984.

7. Белоусов П.Я., Меледин В.Г. Простая прецизионная система дистанционной юстировки лазеров // Автометрия, 1985. - № 5. - С. 105-106.

8. A.c. № 1374939 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Способ определения частоты сигнала лазерного доплеровского измерителя скорости / Меледин В.Г. / 1986.

9. Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Павлов В.А. Измерение скорости методом доплеровской спекл- интерферометрии // Автометрия, 1987. - № 1. - С. 44-51.

10.A.c. № 1302865 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Устройство для измерения скорости / Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др./ 1985. - Патент Российской Федерации № 1302865, действует с 1.11.93 г.

11.Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G., e.a. Laser Doppler anemometer with adaptive temporal selection of velocity vector // Laser Anemometry - Advances and Application. - Proc. of the Third Intern Conf. - Swansea. Wales. UK, 1989.

12.А.С. № 1433195 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Способ измерения скорости / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Павлов В.А. // -1986.

13.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др. Лазерный доплеровский анемометр с временной селекцией ортогональных компонент вектора скорости // Автометрия, 1988. - № 2. - С. 43-49.

14-А.с. № 1345120 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Измеритель скорости / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Спектор Б.И. и др. / Открытия. Изобретения. - 1987. - N° 38.

15.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Лазерные измерители скорости и длины проката // Новые металлургические технологии и оборудование: Материалы семинара- совещания Научного совета СО АН СССР по новым материалам и технологиям, 26-28 янв. 1988 г. - Новосибирск, 1988. - С. 73.

16.Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. An optical velocimeter on the basis of a semiconductor laser // Modern Techniques and Measurements in fluid flows. - Proc. Int. Conf. -Beijing. - Pergamon Press, 1989. - P. 503-507.

17.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Полупроводниковый лазерный излучатель для доплеровской анемометрии. -Новосибирск, 1987. - 33 с. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние. Ин-т автомат, и электрометрии; № 357).

18.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Оптический измеритель скорости на основе полупроводникового лазера // Квантовая электроника, 1988. - Т. 15. - № 3. - С. 633-635.

19.А.«;. № 1832942 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Лазерный доплеровский измеритель скорости / Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. // - 1989.

20.A.C. № 1610438 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Устройство для измерения скорости и длины объекта / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г./ Открытия. Изобретения. - 1990. - № 44. - Патент Российской Федерации № 1610438, действует с 28.01.93 г.

21.А.С. № 1569715 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Лазерный доплеровский измеритель скорости / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г./ Открытия. Изобретения. - 1990. - № 21. - Патент Российской Федерации № 1569715, действует с 28.01.93 г.

22.А.С. № 1638625. СССР, МКИ4 G01P 3/36. Лазерный измеритель вектора скорости / Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др. / Открытия. Изобретения. - 1991. - № 12. -Патент Российской Федерации № 1638625, действует с 28.01.93 г.

23.Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Laser -Doppler anemometer with adaptive temporal selection of the velocity vector // Optica Applicata, 1990.- Vol. 20.- № 3.- P. 187-197.

24.Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. Optical veloci-meters for moving surfaces using gaz and semiconductor lasers // Optics and Laser Technology, 1990. - № 6.- P. 335-339.

25.Патент Российской Федерации № 2006867, МКИ4 G01P 3/36: G01R 23/00, Устройство для обработки сигнала лазерного доп-леровского анемометра / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. -№ 4456088/29-10; приоритет от 7.07.88; действует с 30.01.94 // Открытия. Изобретения. - 1994. - №2.

26.Арбузов В.А., Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. в др. Оптические системы для измерения скорости и фазовой структуры потоков // Лазерная технология: Материалы между-нар. конф., 1990 г. - ВПЛТ. - Вильнюс, 1990.

27.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Лазерный допле-ровский анемометр с адаптивной временной селекцией и визуализацией вектора скорости // Известия СО АН СССР (сер. техн. наук), 1990. - № 4. - С. 24-28.

28.Arbuzov V.A., Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Optical systems for measurement velocity and phase structure of flows // Combustion and energy utilisation. Proc. of the Firs! Asian- Pasific Int. Simp.- Beijing. Pergamon Press, 1990.

29.Arbuzov V.A., Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Optical Systems for Measurity Velocity and for visualization of Flows Structure // Multiphase Flows. Proc. of Int. Conf.-Tsukuba: University of Tsukuba, 1991.

30.А.с. № 1431498 СССР, МКИ4 Gulp 3/36. Лазерный доплеров-ский измеритель скорости / Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н.. Меледин В.Г. / 1986. - Патент Российской Федерации № 1431498, действует с 1.11.93 г.

31.A.C. № 1525579 СССР МКИ4 G01P 3/36. Устройство для обра ботки сигнала лазерного доплеровского анемометра / Дубнищег Ю.Н., Меледин В.Г./ Открытия. Изобретения. - 1989. - № 44. Патент Российской Федерации № 1525579, действует с. 20.10.93г.

32.Arbuzov V.A., Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Optical Systems for Investigation of Dynamics and Phase Structure of flows // Laser anemometry: advanses and applications. - Proc. of Fourth Int. conf. - Cleveland. USA, 1991.

33.А.с. Ks 1789932 СССР, МКИ4 G01P 3/36. Лазерный анемометр / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г./ Открытия. Изобретения. •

1993. - № 3. - Патент Российской Федерации № 1789932, действует с 13.10.93 г.

34.Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. и др. Оптические методы исследования потоков в научных исследованиях и промышленности // Прикладная оптика: Труды междунар. симпоз., 15-18 нояб. 1994 г. - ГОИ. - Санкт- Петербург, 1994.

35.Arbuzov V.A., Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Optical Systems for Investigation of Dynamics and Phase Structure of flows // Experimental Heat Transfer Fluid Mechanics and Thermodynamics. Proc. of Second World Conference.-Dubrovnik. - Yugoslavia, 1991.

36.Патент Российской Федерации № 2029307, МКИ4 G01P 3/36, G01B 11/20. Способ измерения скорости и размеров частиц в потоке / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Павлов В.А. -№ 5051206/10 (032569); приоритет от 6.06.92; действует с 20.02.95 // Открытия. Изобретения. - 1995. - № 5.

37.Решение о выдаче патента Российской Федерации от 18.10.96 по заявке на изобретение № 95115099/28 (025289), МКИ4 G01B 11/04. - Приоритет от 22.08.95 на «Способ измерения размеров и формы металлургических изделий» / Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. -1995.

38.Меледин В.Г., Павлов В.А., Пичурин A.M. Применение методов лазерной доплеровской анемометрии для исследования структуры топливно- воздушной струи // Оптические методы исследования потоков: Материалы 3-й межгосударств, научно-техн. конф. - Москва, 1995 г. - С. 148-149.

39.Meledin V.G. Laser Devices for the Speed and Length Control of Rolling in Metallurgy. - Novosibirsk: Vortex Technologies, 1995. -P/№ 9500001. - 17 p.

40.Патент Российской Федерации № 2044267, МКИ4 G01P 3/36, G01B 11/20. Способ измерения скорости и размеров частиц в потоке / Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г., Павлов В.А. -№ 5064813/28 (044907); приоритет от 9.10.92; действует с 20.09.95 // Открытия. Изобретения. - 1995. - № 26.

41.Arbuzov V.A., Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. e.a. Optic methods of flows studing by selecting of the spatial-temporal structure of the scattered light // Proc. of Coherent and Nonlinear Optics 15-th Int. Conf. and Laser Optic. 8-th Int. Conf,, June 27- July 1. - St.- Peterburg. - 1995.- P. 14.

42. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Способ измерения размеров и формы металлургических изделий // Оптичес-

кий журнал, 1996. - № 10.

-«A

11|

Шйаб*,

lili г, ш 1 1« t

Ip - *

Al«-«

^Tfl

Í \ V

Рис. 1. Структура элементарного Рис. 2. Структура сигнала при (одночастичного) доплеровского введении оптической несущей сигнала » ф1)

О ш® « ^ спей«. г(С1*а>Д

Рис. 3. Дисперсия спектральной плотности фотонно-ограниченного одночастичного некогерентного доплеровского сигнала со смещением частоты

Рис. 4. Доплеровский многочастичный сигнал (Вариации мгновенного спектра доплеровского многочастичного сигнала)

Л. ■ 4 _ До* А« э4я мЬ> мЬ Ы» ----Ъаш*------- "" 4 _ 6м А« *ёп гИ»

4^ Дм »4* «Ь» «Ь пк 4 ¥ Ьт А* »4» 4*» «4» «А

( ¿М хкя «4» «6» Ы» _ 4 ¿м Л« «Ь» м!п мЬ* пЫ

4 г со« аЪя а4л тг!» 4 6о» зЬя »¡а «6* »¿» пЛ*

4 А» А» 4Ъ» п* г»«

Рис. 5. Картина объективных спеклов в плоскости приемной оптической системы ЛДИС

Рис. 6. Зависимость нормированного среднеквадратичного отношения сигнал/шум от площади апертуры фотоприемника ЛДИС при многоспекловом приеме оптического сигнала

Л-0

Дмежрвтмзаторш Лагвчартор жшщдрвтур

У*т : -

(г: и (г^г

Гею

(Р?)

<е".)

<-е:)

; 1£'с>

(£11

(е!)

се-}

ФиэмцД гаыларагор

(-е:)

=ф=

р

(в:*

Фсрмцромчл» последом пльностей

1-Е".)

1ч:> я

в

IV/

9

П./ /1 (ч5) >

10

л/ /X (ч!)

«г

Рис. 7. Квадратурное регенеративное формирование доплеровских сигнальных последовательностей

Вид сверху

Нелинейность коэффициента преобразования генератора аппроксимации во

Передняя панель

Статическая точность работы следяще*« процессора

Рис. 8. Доплеровский сигнальный процессор следящего типа. Точностные характеристики. Обработка тестовых сигналов

ДМИММ) •

Рис. 9. Процессор измерителей скоростей и длин. Внешний вид

б

У

W+l пекл иирпм

И«ч*ло,<?тстст Сьдм

¿A4

кЫвртая

wwpnw, I1UW

коиад дячало

"Ы"

врем« murm

1лГ

i N>

ре Гото» ( кмкрсвм N)

ГоТоЬ К :

I N'íjj

Olí

Рис. 10. Измерение скоростей и длин ЛДИС с фоторелейными барьерами в промышленности. Временные соотношения

Рис. 11. Измерения в дизеле ЛДИС «АБС». Изменения величины осевой скорости частиц по сечению топливной струи

Рис. 12. Визуализация турбулентных пульсаций вектора скорости воздушного потока. Измерения проведены ЛДИС «ABC» на естественных светорассеивател ях.

Дистанция- 0,5м, средняя скорость 5 м/с, степень турбулентности 20 %

У

Рис. 13. ЛДИС в металлургии. Установка ЛДИС на прокатных станах

Рис. 14. Результаты промышленных испытаний лазерных доплеровских измерительных систем

ДЦИС "КВАЗАР-М". Новосибирский металлургический завод им. А.Н.Кузьмина. Разница значений длин, измеренных ЛДИС и рулеткой после охлаждения

Сравнительные измерения длин заготовок 150x150 на ЗСМК. Прокатный стан 850/730/580, после черновой группы клетей. Сталь СТ ЗПС, температура 1000°С

Серии и У4-1. 21 03 М

А /*.

/ ^ / V-.)

/ /

/

\

* Ь--

I-

- а

I \

к-* I',

Д - ИЗМЕРИТ. ЛИНЕЙКА • - ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ » ' X - "АСУ-ТП-РАСЖРОЙ* ^

—I-1-1-1-!-1-1-Г~

1—I—I—Г-4 10 11 12 13

Проверка равенства сумм длин отрезков проката исходным длинам раскатов

пиний. Серил 1.1. Двины* и» таблицы в.в-З

Прямые контрольные

замеры отрезков горячего проката

М,, (еж/ Длина объекта я$ я. Методики Я. Данные и» таблицы 9Л.7

°Т

-0.5

(ея] Длина объекта а Им. Ыекодикл 3. Данные шя таблицы 8Л.7

-0 5

ЧА^-УЧ-

9 10 11 12 13

Разброс длин, определяемых заданным расстоянием между пилами

Результаты испытаний. Серил 1.4. Данные ш таблицы 6.66

0.091

Прямые контрольные замеры ОТК. Температурная поправка: -1,4%. Планки погрешностей: ± 0,1% Ошибка измерен!* ЯцпО г&АЗАгЬЗгл (гртсйнивгропыюйанншОТК}

1 2 3 4 5

Проверка воспроизводимости результатов измерений 1

10.08

Результаты

ытамии. С1ороста.(м/С) та/11».,» ИДЯ_ 5

10.07

Пример реального информационного файла. Нижне-Тагильский металлургический комбинат (НТМК), ЦПШБ

Номер Скор.Длина Время Достоверность

3.923 3.922

8.12 3.12

20:00:06 20:00:12

3.963 6.08 20:00:28 3.992 8.12 20:00:32

3.923 3.914 3.921 3.822

8.11 8.12 8.12 8.13

20:00:50 20:00:56 20:01:00 20:01:05

и [м]

X X