автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Лазерные допплеровские измерительные системы

\Ч5 ОА - 3 окт

На правах рукописи

Соболев Виктор Сергеевич

УДК 621.383:778.4+ 681.518.3

лазерные допплеровские 1пмепптлыгые системы

Специальность 05.11.16 -Информационно - измерительные системы

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-шектронные приборы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск, 1946

Работа выполнена в Институте автоматики и электрометрии СО РАН

Официальные оппоненты: чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., проф. Э.П. Кругляков чл.-корр. Молдавской АН, дл .н., проф. И.Ф. Клисторин. деисте, член Академии Технологических Наук д.т.н. И.О. Гибин

Ведущая организация: Институт теоретической и прикладно) механики СО РАН, г.Новосибирск-

Защита состоится " 16 " октября 1996 г. в 10 часов на заседанш диссертационного совета Д.063.34.08 при Новосибирске! государственном техническом университете (630092, Новосибирск пр. К.Маркса, 20).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирском госз'дарствеиного технического университета.

Автореферат диссертации разослан " 12 " сентября 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного сонета, кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 .Актуальность.

Успехи квантовой электроники открыли для практических применений обширную область электромагнитных колебаний видимого и примыкающего к ней диапазона длин волн. Уникальные особенности когерентного света дали вторую жизнь методам интерферометрии, а высокая стабильность длины волны излучения лазеров позволила использовать её как эталон в измерительной технике нового поколения. Диссертационная работа относится к этой области знаний и посвящена развитию научных основ лазерных допплеровских измерительных систем - ЛДИС, принципы работы которых основаны на использовании допплеровского смещения частоты рассеянного света. Основное назначение этих систем -измерение параметров движения газов, жидкостей и твердых тел. Гакие уникальные возможности ЛДИС, как отсутствие воздействия на исследуемые об'екты, высокие точность и локальность измерений, тннейная связь допплеровской частоты с измеряемой скоростью, возможность определить любую пространственную компоненту зектора скорости или одновременно произвести измерения всех трёх :го компонент, высокое быстродействие о предел! га! приоритет ЛДИС феди существующих средств гидро- аэродинамического эксперимента I устройств измерения параметров движения в промышленности. 3месте с тем особенности рассеяния волн оптического диапазона на этучайном ансамбле частиц, квантовый характер преобразования голучаемых сигналов в электртеские и, особенно, трудности на пути »влечения из них полезной информации выделили проблему создания I использования ЛДИС в отдельное научное направление и ютребовали серьезных усилий многих исследователей, чтобы >азработать принципы построения ЛДИС и довести их до фактического использования. Существенный вклад в развитие ЛДИС ¡несли В.П.Коронкевич, Ю.Н.Дубнищев (ИАиЭ и ИТФ СО РАН), >.С.Ринкевичгос (МЭИ), решившие ряд актуальных задач теории и [рактической реализации оптической части ЛДИС; Г.Л.Гродзовский ЦАГИ), исследовавший вопросы точности ЛДИС при измерении корости газовых потоков; Ю.А.Щербина, получивший существенные езультаты в области статистики допплеровского сигнала; и др^ Из арубежных ученых в первую очередь следует назвать имена У.Йе и 1.Камминса, положивших начало допплеровской анемометрии; '1.Рада, предложившего новую интерференционную модель работы птической части ЛДИС; ЛЛэдинга, Р.Адриана, К.Гриэйтида и '.Дгорани, которые параллельно с автором работали над эвершенствованием ЛДИС как прецизионной информационно-змерительной системы широкого применения.

Актуального создания » исследования ЛДИС в первую очередь связана с том, что до их появления ни научный эксперимент, пи измерительная техника общего применения не имели средств точного и бесконтактно! о определения скорости и сляпанных с нею параметре» движения. Особенно остро эта проблема стояла в пщро-аэродшшмике при исследовании явлений турбулентности и обтекания тел. Поэтому, первоначально, усилия автора были направлены на разработку научно обоснованных принципов построения и применения ЛДИС в научных исследованиях. В к» же время очевидна актуальность использования ЛДИС во многих отраслях современного производства. Примером может служить острая потребность предприми« нефтегазового комплекса в точных расходомерах, н металлургического производства в бесконтактных измерителях скорости горячего проката. В связи с птш, в рамках диссертационной работы были созданы прототипы ЛДИС производственного назначения, разработаны научные основы их проектирования и детально исследованы вопросы точности.

2 . ( вязь с государственными программами.

Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами МИР ИАиЭ СО РАН, согласованными с государственными программами: "Разработка элементов оптических и оптико-электронных вычислительно-информационных систем" (гос регистрация № ЬЧ083906); "Совершенствование математического обеспечения и технических средств систем автоматизации научных исследований (на основе КАМАК, микропроцессоров и прецизионных быстродействующих лазерных устройств) (гос. регистрации

№81083908)"-

3 .Цель работы.

Исследование принципов построения и создание ЛДИС < высокими метрологическими и эксплуатационным! характеристиками, внедрение их в практ ику научного эксперимента i технологию производства. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:

-развитие теоретических основ построения ЛДИС, включающих определение соотношений между измеряемой скоростью i параметрами электрических дошшеровскнх сигналов: нахождение из основных статистических характеристик; теоретическое обосноваши методов выделения полезной информации из получаемых сигналов;

-метро/км мческие исследования ЛДИС:

-поиск оптимальных ( по выбранным критериям ) алгоритмов оценок скорости, определение их потенциальной точности и экспериментальную проверку полученных значений;

-разработка принципов построения ЛДИС и их реализация в виде действующих систем; выпуск промышленных образцов;

-использование уникальных возможностей ЛДИС при решении ряда актуальных научных и производственных задач.

4 .Методы исследования.

В работе использовались метода статистической теории сигналов, теории измерений, Фурье-оптики, метода спектрального и корреляционного анализа, а также машинное моделирование и физический эксперимент.

5 .Научная новизна.

-Сформулирована, обоснована и решена актуальная научно-техническая проблема, связанная с созданием теоретических основ нового класса измерительных систем - ЛДИС.

-Создана статистическая теория ЛДИС, включающая модель электрического допплеровского сигнала и оценки его статистических характеристик, анализ дробового, фазового и градиентного шумов и степени их влияния на точность измерений, характеристики основных режимов работы ЛДИС- одночастичного и многочастичного.

-Нацдены оптимальные и квазиоптимальные (по критерию максимума функции правдоподобия) алгоритмы оценки скорости, формулировано соотношение неопределенностей "точность-тространственное разрешение", оценена потенциальная точность ЛДИС.

-Предложены, обоснованы и реализованы оригинальные методы то строения и устройства измерительной части ЛДИС (пороговый гчетно-импульсный, амплитудно-частотный, по длительности зыбросов).

-Определены оптимальные концентрации рассеивающих центров, обеспечивающие наивысшую точность ЛДИС;

-Предложены, обоснованы и реализованы оригинальные методы и устройства демодуляции допплеровского сигнала.

-Впервые с помощью созданных ЛДИС экспериментально юказано, что гидродинамическая турбулентность зарождается путем сонечного (а не бесконечного, как считалось ранее) числа шфуркационных переходов и уширения спектральных линий за счет »заимодействия порождаемых ими колебательных мод.

6 .Практическая ценность и реализация результатов работы.

Поставлена и решена крупная, имеющая народно-хозяйственно значение проблема создания и практической реализации лазерны измерительных систем, предназначенных для бесконтактног получения информации о параметрах движения газов, жидкостей : твердых тел. Результаты работы позволяют обоснованно подходить инженерному проектированию ЛДИС для широкого круга конкретны применений. Созданные ЛДИС, обладая высокой точностью, н возмущают исследуемый об'ект и, поэтому, являются незаменимы! инструментом при проведении гвдро-аэродинамически исследований. Они также могут успешно применяться в качеств расходомеров жидкостей и газов, а также как датчики скорости : системах автоматизации технологических процессов.

Под руководством автора впервые в нашей стране созданы ; совместно с комбинатом "Карл Цейс Йена" (ГДР) выпущеш промышленные образцы ЛДИС "ЛАДО-1" и "ЛАД0-2", нашедши применения в научном эксперименте и промышленности, разработа: успешно прошедший опытную эксплуатацию на Металлургическо] заводе им. Кузьмина (г. Новосибирск) лазерный допплеровски измеритель скорости горячего проката. На основе полученны результатов НИИ "ТЕПЛОПРИБОР" (г. Москва) разработал выпустил гамму прецизионных лазерных измерителей скорости да государственной аттестации расходомеров.

7 .На защиту выносятся:

-Теоретические основы построения ЛДИС, включающи! соотношения, связывающие параметры электрическог допплеровского сигнала с характеристиками движения исследуемог об'екта; основные статистические характеристики этого сигнала и и связь с режимами работы ЛДИС; природа и особенности фазового градиентного шумов, их статистика; функция правдоподоби допплеровской частоты;оптимальные по точности алгоритм] определения скорости и структурные схемы их реализации.

-Принципы построения ЛДИС, включающие оригинальные метода и устройства демодуляции допплеровского сигнала: пороговь: счетно-импульсные процессоры, оценивающие скорость либо по числ выбросов сигнала, либо по их длительности; быстродействуюш-следящие фильтры-демодуляторы с переносом спектра сигнала область нулевых частот, реализующие оптимальный по точност алгоритм оценки скорости в случае многочастичного режима работ ЛДИС; астатические квазноптимальные фильтры-демодуляторы

фазовой автоподстройкой частоты, адаптированные к одночастичному режиму.

-Методы анализа и исследования метрологических характеристик ЛДИС; оценки их потенциальной точности.

-Закономерности зарождения гидродинамической турбулентности в течении Куэтта.

8 .Апробация работы.

Результаты работы были представлены на ряде международных и отечественных конференций и семинаров: Методы исследования потоков жидкостей и газов (Лечестер, Англия, 1972 г.) [1], Лазерная техника и ее применение (Вашингтон, США, 1973 г.) [2], Конгресс ИМЕКО VI, (Дрезден, ГДР, 1973 г.) [3], Огггоэлектроника 75 [Саутгемптон, Англия, 1975 г.) [4], Конгресс ИМЕКО VII (Лондон, 1976 г.) [5], Методы лазерной допплеровской диагностики в гидроаэродинамике (Минск, 1978 г.) [9], ИЮТАМ- симпозиум 'Ламинарно - турбулентный переход" (Штудгарт, ФРГ, 1979 г.) [6], Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности (Новосибирск, 1979 г.) [10], Лазерная допплеровская шемометрия и ее применения (Новосибирск, 1980 г.) [И-15], Современная техника и измерения в гидродинамике (Пекин, КНР, 1989 \) [7], Аэросенс 95 - прикладная лазерная локация (Орландо, США, 1995 г.) [8],

> Личный вклад.

Постановка задачи создания ЛДИС и теоретическое обоснование тринципов их построения (в части математической модели шектрического допплеровского сигнала, определения его основных патетических характеристик, получения оптимальных по точности алгоритмов измерения скорости, оценки их потенциальной точности) >существлены автором. Компьютерное моделирование, разработка методов демодуляции допплеровского сигнала, создание аппаратных редств ЛДИС и проведение экспериментальных исследований (ыполнены сотрудниками лабораторий ИАиЭ СО РАН под >уководством и при непосредственном участии автора.

l0 .Публикации.

По результатам проведенных исследований лично и в соавторстве >публиковано 52 работы, в том числе 2 монографии, получено 7 1ВТОрских свидетельства на изобретения.

11 .Структура и объем диссертации:

Диссертация содержит Введение, шесть глав, Заключение и списо: литературы из 52 наименовании. Объем диссертации - 356стр., 95 илл.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дан краткий обзор развития ЛДИС, определены цел) работы, её актуальность, научная и практическая значимост: решаемых задач.

Глава 1. Принципы работы и организации ЛДИС

В начале главы приводятся соотношения, связывающие величин; допплеровского смещения со значением вектора измеряемой скорости 1 геометрией зондирующего и принимаемого пучков лазерного излучения Принципы построения ЛДИС поясняются с помощью обобщенно! функциональной схемы (рис.1), которая включает в себя источни излучения - лазер, акусто-опгаческую ячейку (расщепитель и смесител: частоты излучения), позволяющую кардинально решить проблем; фильтрации мешающего н.ч. пьедестала получаемого сигнала, оптическуи часть, включающую формирующую и приемную оптику, фотоприемник ] систему электронной обработки допплеровского сигнала, осуществляющук измерение его параметров и выделение информации о скорости.

Глава 2 .Анализ структуры оптического допплеровского сигнала

Полное решение задачи о пространственной структуре оптическог» сигнала можно получить, интегрируя уравнения Максвелла для поля ] присутствии рассеивающих центров (теория Ми). Однако, такой пуп ведёт к сложным (в виде бесконечных рядов) выражениям и не даё: наглядной картины оптического сигнала, необходимой на стадга проектирования ЛДИС. Изящные решения удалось получить [16] рассматривая оптическую часть ЛДИС как линейную систему I используя аппарат Фурье-оптики. В реферируемой работе задач; решена для случая очень малых рассеивающих центров пространственно-частотную характеристику которых можн< аппроксимировать дельта-функцией Дирака. Для основной используемого на практике случая, когда перетяжка лазера с совпадает с передней фокальной плоскостью передающего объектива получено выражение для зондирующего поля в его задней фокально! плоскости, то есть в исследуемой точке потока. Соответствующее ем; распределение интенсивности для дифференциальной схемы ЛДИС имеет вид

,(1)

1Л7 .>'/) - /„ схр{- (с1<;Еу(х) г И) |[| соз(2(/А-л-/ /Т)],<

до А' =2л/Л , Я - длина волны излучения. /•' - фокальное расстояние.

й-расстояние между пучками, /0 = 2А , Е — амплитуда

оля.

Из (1) следует, что в астре нзмертмльшм о обьома* ЛДИС юрмпрустся интерференционная картина с периодом ЛГ/2а и аусптой огибающей.

Бели мере:» область фокуса со скоростью I движется рассеивающая вст частица диаметром (!, то путем замены ее фильтром рострапственных частот с характеристикой вида 1?3(.ХрУ/) получено педующее простое выражение для интенсивности поля в плоскости ютоприемников, отстоящей от фокальной плоскости на расстоянии Z

1(х, v) - 1(У/У - 1, У }[1 + Соьчу,,[/ - Г, )]. (2)

яс щ~2ак У/Г - доиплеровская частое. - момент появления истицы в центре измерительного объёма, £—0/2(1. а

(:/) ^ 4 схр[-- а;/гу}/>"].

Из (2) следует, что 1(х,у) содержит низкочастотный пьедестал и обствсшю допплсровсхую компоненту. Характерно, что обе они не аписят от координат плоскости фотопрпемника. то есть картина в гон плоскости однородна, но "мигает" во времени с допплерокской астотой.

Если через измерительный объем пролетает поток рассеивающих астиц, то распределение интенсивности в пом случае представляется

виде двух составляющих, так называемой некчл ерентнон и огереитной. Первая из них представляет аддит:гепуго комбинацию ш налов, определяемых выражением (21, и также не зависит от оординат плоскости приемников. Когерентная компонента также меет низкочастотную и допплероискую составляющие, [ткочастотная составляющая создастся интерференцией пучков зета, рассеянного парами частиц из одного и того же зондирующего учка, а доштаеровская составляющая образуется за счёт птерферешши света, рассеянного парами частиц из разных лидирующих пучков. Обе когерентные компоненты являются ериодичсской функцией коор;цшат плоскости фотоприемника. [рос'фапстзеииыЛ период определяется расстоянием между

о»<Ч'м иаб.чтолишп - область пересечения лгперных п\ ткоп

частицами каждой пары, а направление интерференционных лоло< перпендикулярно проекции линии, соединяющей эти пары.

Таким образом, получено распределение поля и его интенсивности в плоскости фотоприемников, позволяющее перейти к описаник электрического допплеровского сигнала и его статистическом} анализу. Путём интегрирования полученных распределений найдень выражения для когерентной и некогерентной составляю щш электрического допплеровского сигнала. На примере двух частиц одновременно находящихся в измерительном объёме, показано, чт< отношение дисперсий когерентной и некогерентной компонен: обратно пропорционально площади апертуры фотоприемника I поперечного сечения измерительного объёма, т.е

аг\!агп — . Это означает, что в реальных условия;

когерентной компонентой можно пренебречь и интенсивност]

оптического сигнала в плоскости х,у будет иметь следующш окончательный вид:

N , ч

¿=1 1 1 где I; = 10 (1* .

Глава 3 .Структура к статистические характеристики электрического допплеровского снгнала.

Электронные методы обработки сигналов достигли высоко степени совершенства, поэтому в большинстве ЛДИ< интерференционная картина, получаемая на выходе оптической част! преобразуется в электрический сигнал. Особенност фотоэлектрического эффекта позволяют построить два тип фотоприёмников - дискретный, в котором подсчитывается числ эмитированных фотоэлектронов на выбранном интервал квантования сигнала по времени, и аналоговый, выходной сигна которого получается путём низкочастотной фильтрации поток фотоэлектронов. Отсчеты на выходе дискретного приемника, с учето Пуассоновского характера потока фотоэлектронов, буад флуктуировать. Но, если интервал квантования выбрать малым, сравнении с допплеровским периодом, то математическое ожцдаш отсчетов и их дисперсия будут следовать за изменениям интенсивности оптического допплеровского сигнала.

Сигнал на выходе аналогового приёмника, как показано в работ можно представить суммой, первый член которой пропорционал( интенсивности света, проинтегрированной по его апертуре, а второй

гсяется гауссовым шумом со спектральной плотностью, вторяющей частотную характеристику фотоприёмника, и сперсией, пропорциональной той же интенсивности.

Анализ работы обоих фотоприёмников показал, что дискретный лее соответствует современным средствам обработки пплеровского сигнала, однако такой недостаток этого приемника, к "мёртвое время" сильно ограничивает возможности его актического применения. При условии, что смещение тематического ожидания числа подсчитанных на интервале Т тоэлектронов, не будет за счёт мёртвого времени превышать :днеквадратической ошибки отсчёта, обусловленной дробовым фектом, в работе получено следующее соотношение, определяющее ксимально допустимое число отсчётов (интенсивность) при »естном значении относительного мёртвого времени

Формула (4) служит границей применимости обоих приёмников, ализ их работы заканчивается доказательством двух теорем о том, I осреднённая на некотором временном интервале энергия >бового шума определяется только средним значением генсивности света на этом интервале и не зависит от характера её /ктуаций. Эти теоремы используются при оценке потенциальной 1Ности ЛДИС.

Далее на основе (2) получено следующее выражение для ктрического сигнала от одной частицы на выходе аналогового гёмника [19]

Чр (0 ~ дробовой шум, дисперсия которого а йр—21 (I)е¥<^ге, где

полоса пропускания фотоприёмника,

активность приемника.

Отношение допплеровской компоненты [щеквадратичному значению шума равно

Соз^

ее - квантовая

сигнала

(6)

Из (6) следует, что отношение сигнал-шум на краях плеровского сигнала падает, и поэтому "хвосты" гауссоиды абатывать нецелесообразно. Получены также значения энергий

окочастотной £е и низкочастотной £н компонент сигнала и шума

к

<5^ на всём интервале времени существования допплеровского сигнал Отношение этих энергий равно

, £н[£ш = 70/2л'/2г/70 с

Энергия полезной допплеровскои компоненты в два раза низ энфгии низкочастотной компоненты сигнала.

Формулы, аналогичные (5) - (7), получены и для схемы ЛДИС опорным пучком. Отношение энергии допплеровскои компоненты энергии низкочастотной у схемы с опорным пучком в 2,2 раза выш чем у дифференциальной схемы. Поэтому в схеме с опорным пучко облегчается фильтрация этой компоненты, что краше важно до успешной демодуляции допплеровского сигнала.

Представляет интерес сравнение отношения сигнал-шум для обог типов схем. Такое сравнение выполнено при условии, что О! питаются от лазеров с одинаковыми мощностями и работают фотоприёмниками, имеющими одинаковые апертуры. Его результат обе схемы эквивалентны. В то же время, на практике апертуу приёмника дифференциальной схемы, как известно[15], можно сделат много большей, чем у схемы с опорным пучком, поэтои« дифференциальная схема оказывается более предпочтительной.

Для дифференциальной схемы в случае многочастичного режима работы ЛДИС электрический сигнал имеет вид

N 1=1

(

где амплитуда парциального сигнала от ¡-ой частицы, а N - чис; частиц, прошедших через измерительный объём. Соответствующ выражение получено и для схемы с опорным пучком.

Случайное положение рассеивающих центров в пространств различие их размеров и скоростей приводит к тому, ч' многочастичный допплеровский сигнал следует рассматривать К! сложный случайный процесс. В работе анализируются сигналы д четырех характерных режимов использования ЛДИС, когл измеряется скорость ламинарного безградиентного поток исследуется ламинарный поток с градиентом скорости; исследует турбулентный безградиентный поток; исследуется турбулентнь поток с градиентом скорости. В реальном потоке положение кажд« рассеивающей свет частицы не зависит от положения остальнь поэтому в первом случае допплеровский сигнал представляет соб( пуассоновский поток импульсов с интенсивностью Q = SqV, где <

сечение измерительного объёма плоскостью, перпендикулярной направлению потока, д- концентрация частиц в потоке. Во втором случае - это также стационарный пуассоновскии поток, только под V следует понимать значение скорости, осреднённое по сечению измерительного объёма. В случае турбулентного безградиентного течения допплеровский сигнал представляет собой неоднородный пуассоновскии поток импульсов, интенсивность которого пропорциональна мгновенной скорости. Полученные результаты позволили путём осреднения выражений, определяющих мгновенные значения сигналов ЛДИС по амплитудам и моментам появления частиц в центре измерительного объёма найти их условное математическое ожидание и дисперсию для заданной реализации мгновенной скорости. В случае дифференциальной схемы эти величины соответственно равны

где Ц- величина измерительного объёма. Среднее значение пропорционально объёму и концентрации, но не зависит от скорости и зременп. Дисперсия сигнала при постоянной концентрации частиц пропорционатьна среднему квадрату амплитуды сигнала, измерительному объёму и концентрации и не зависит от флуктуации жорссти (допплеровский сигнал статистически стационарен). Если же концентрация частиц переменна, то стационарность нарушается.

Наряду с первыми двумя статистическими моментами сигнала в заботе исследована эволюция распределений его мгновенных шачений, амплитуд, фаз и частот с ростом концентрации цаетиц в тотоке. Результаты получены моделированием сигнала на ЭВМ и лредставлепы на рис.2. С ростом концентрации распределение сигнала принимает колоколообразную форму и при более чем 13 частицах в «мерительном объёме становится нормальным, удовлетворяя сритерию Колмогорова. Распределение амплитуд приближается к ээлеевсхой форме. Фаза сигнала распределена равномерно. Большой штерес представляет поведение частоты, как основного параметра, эпределяющего точность измерений. Рост концентрации приводит к г'шнрению распределения, а введение амплитудного порога при обработке сигнала резко обужаетего. Обобщающей моделью полезной

(9)

(10)

допплеровской компоненты дошшероиского сигнала [19] может служить комплексное выражение вида

*М=л>(Оехр[-^'++^ (0- оо

- ^(0 - распределённая по закону Релея амплитуда, а <р(1) • равномерно распределённая фаза.

Статистический анализ сигнала завершается получением спектральных представлений. Спектральная плотность сигнала со) от ламинарного безградиентного потока получена как предел математического ожидания квадрата модуля Фурье-образа К-ь реализации при Т —>оо[\4,37]. Для дифференциальной схемы ЛДИС

с/,.1 - ^¿¿А,

5И = 772 г °>£> [

Как видим (рис.3), спектр имеет высокочастотную (допплеровскую) и низкочастотную компоненты, причём, первая повторяет форму второй. Максимум высокочастотной компоненты лежит на допплеровской частоте и в четыре раза ниже максимума низкочастотной компоненты. Амлитуда спектральной плотности обратно пропорциональна скорости, а ширина - пропорциональна ей, С ростом скорости максимум спектра смещается вправо, а ширина пропорционально растёт. Главный вывод - несмотря на то, что сигнал получен от потока с постоянной скоростью, его спектр далёк от спектра чисто гармонического процесса. Ширина спектра не равна нулю, что резко ограничивает точность измерения скорости при многочастичном режиме работы ЛДИС. Анализ факторов вызывающих ушнрение спектра, привёл автора к следующему соотношению неопределённостей между размерами измерительном объёма в (определяющими пространственное разрешение прибора) и относительной шириной спектральной плотности (погрешности измерений скорости сгу)

<7 у5 — соги>1 (1з;

Константа определяется параметрами оптической схемы ЛДИС, *

для схемы с гауссовыми пучками равна ! Ш- Из (13) следует весьма важный для проектирования ЛДИС вывод: чем выш< пространственное разрешение ЛДИС, тем хуже её потенциальна} точность.

Практически все исследуемые потоки имеют градиент скорости поэтому важно оценить его влияние на форму спектрально» плотности. В работе удалось получить явное выражение дш

Ы-о>г>

0'

+025expj-

{<o~O>d)

тектральной плотности в случае постоянного градиента [17]. Не риводя его здесь из-за громоздкости, отметим, что кривая тектральной плотности имеет плоскую вершину, что позволяет хелагь важный для практики вывод: постоянному градиаггу в потоке )Ответствует "полочка" в спектре сигнала. Отметим также, что спектр асимметричен - крутое начало и более плавный спад. Результатом :ой работы явился предложенный автором метод восстановления эофиля скорости [14].

Таким образом, в результате выполненных исследований найдены ;новные статистические характеристики допплеровского сигнала, з лучено соотношение неопределённостей точность эостранственное разрешение ЛДИС, найдены критерш! для выбора 1скретного или аналогового приемников и условия аппроксимации >пплеровского сигнала узкополоеным нормальным случайным )Оцессом.

гава 4 .Оценка потенциальной точности ЛДИС.

Точность ЛДИС определяется следующими основными факторами: равномерностью действительной или виртуальной ггерференционной решётки в измерительном объёме, дробовым ^мом фотоприёмника, фазовым шумом и, наконец, градиентом орости потока по сечению измерительного объёма. В ферируемемой главе исследуются погрешности ЛДИС, условленные тремя последними факторами, поскольку первый из (х детально исследован другими специалистами.

Влияние дробового шума на погрешность измерения скорости.

Задачу оценки этой погрешности удалось решить, аппроксимируя гнал гармоническим процессом, а дробовой шум - нормальным учайным процессом. Вначале было получено выражение для новенной частоты комбинации сигнала и шума, а затем определена дисперсия. Окончательное выражение для относительно зднеквадратичной погрешности измерений допплеровской частоты ;орости) имеет вид

(14)

а>в 2 V

; J0 - амплитуда сигнала.

Поскольку ширина спектра сигнала пропорциональна скорости, , чтобы не исказить сигнал, также должна изменяться полоса опускания фотоприёмника. Тогда из (14) следует важный для

практики вьюод: чем меньше скорость, тем с большей точностью можно измерить.

Фазовый шум и его вклад в погрешность измерения скорости.

Известно, что, даже при измерении скорости ламинарно безградиентного потока, мгновенная частота допплеровского сигна не остаётся постоянной величиной, а сильно флуктуирует, диссертации детально исследована природа этого явления, определи основные статистические характеристики флуктуаций соответствующие погрешности в оценке скорости. Причт флуктуаций частоты - случайные фазовые отношения парциальш сигналов и конечное время пролёта рассеивающих частиц чер измерительный объём. Поэтому эти флуктуации названы авторе фазовым шумом [11,18,28]. В начале исследования, на примере да частиц, одновременно находящихся в измерительном объёл показано, что мгновенная частота суммарного сигнала,определённ как производная фазы по времени, может существенно отличаться частоты каждого из парциальных сигналов. Найденное в рабо выражение для относительного отклонения частоты сигнала имеет bi

д© __Sin®

wD " лМ2 y~l(t) + y(t) + 2Cos®' 0

где М - число интерференционных полос в измерительном объёме j уровне амплитуды ехр(-1), а Ф = й*>д/ - полный сдвиг фаз меж. сигналами от кавдой частицы, 0 = Ф - 2т - главное значен: фазового сдвига, п - целое число допплеровских периодов i

интервале у- отношение амплитуд парциальных сигналов.

Чем ближе сдвиг фаз между парциальными сигналами к л, т<

больше отклонение мгновенной частоты. При 0 = л ее значен! неограниченно возрастают. Анализ (15) показывает, ч-математическое ожидание мгновенной частоты равно нулю, дисперсия безгранична. Выражение (15) иллюстрируется Рис. 4.

Далее анализируется многочастичный режим работы ЛДИС. П{ высокой концентрации частиц допплеровский сигнал в сю центральной предельной теоремы теории вероятностей становит нормальным процессом. Тогда спектральная плотность ei мгновенной частоты (то есть фазового шума) определяется так

ОО

S(co)- Ж(Ог /Лж^О) (16)

Спектр фазового шума на уровне 0,5 вдвое превышает полуширину (опплеровекого спектра. Анализ показал, что дисперсия фазового цума бесконечно велика. В связи с этим естественно возникает вопрос > том, можно ли верить показаниям ЛДИС, работающей в гаогочастичном режиме. Ответ на этот вопрос положителен и связан с •ем, что спектр флуктуащш измеряемой скорости всегда конечен и юэтому интегрирование (16) следует проводить в ограниченных [ределах. При выполнении этих условий получено следующее ¡ыражение для относительной погрешности измерения скорости

На практике F « аь и поэтому точность измерений довлетворительна. Поскольку áb пропорциональна скорости, то при 70 - comí относительная погрешность измерений будет обратно ропорциональна корню квадратному из скорости. Если же с ростом корости полосу Fq пропорционально увеличивать, чтобы не тфильтровать высокочастотные компоненты турбулентных ульсаций, то относительная ошибка остаётся постоянной. Полностью сключить погрешность, обусловленную фазовым шумом, как видно з (17), невозможно. Исключение из этого правша составляет случай, огда исследователя интересуют не мгновенные значения флуктуации корости, а их спектральная плотность. Фазовый шум и флуктуации корости статистически не зависимы, поэтому, как показано в работе, нтересующий спектр можно получить, вычитая из спектра частоты опплеровекого сигнала спектр фазового шума. Последний можно ибо рассчитать, либо получить экспериментально на ламинарном отоке. Эта же задача может быть решена с помощью двухточечной

Наиболее простым методом оценки допплеровской частоты гкорости) является измерение частоты выбросов допплеровского спала. Найденные в реферируемой работе статистические арактеристики выбросов позволили получить следующие выражения гш математического ожидания и относительной среднеквадратичной шибки измерения скорости

(17)

ДИС [5].

<з> ___1__

(V) ТМ' (и

Здесь Т • отрезок времени, в течение которого оцениваете "мгновенная"скорость.

Из (18,19) следует, что этот способ даёт смещённую оценку средне скорости, причём величина смещения обратно пропорционалън квадрату числа интерференционных полос, а относительная ошибк обратно пропорциональна корню из их числа.

Градиентный шум.

ЛДИС не осредняет значений скорости по измерительному объём; В одночастичном режиме измеряется скорость каждой частшц Поэтому если поток имеет градиент скорости, то даже в ламинарно режиме отсчёты скорости будут флуктуировать. Эти флуктуации есть градиентный шум, который приводит к смещению оценки средне скорости и может привести к существенным ошибкам в оцеш характеристик турбулентности, когда исследуется поток с градиенте скорости.

Исходя из того, что вероятность появления частицы измерительном объёме пропорциональна её скорости, в рабе найдено распределение измеренных скоростей в градиентном потоке соответственно их мат. ожидание и дисперсия. Показано {9, 19], чт значение средней скорости смещено относительно значений скорости центре измерительного объёма на величину пропорциональну квадрату градиента скорости. С учётом пуассоновского распределен! моментов появления частиц в измерительном объёме в работе найде!

функция корреляции и спектральная плотность градиентного шуь [И]

2 2 О,

-СГу * , (2

лг

где О у

г _ Г

С

У2

12 ^ХТУ1/ ^ = 9 ' концентРац]

частиц, У0- скорость в центре измерительного объёма, 5* - площадь е: поперечного сечения, а ¿V- полный градиент скорости. В рабо представлены пути исключения градиентного шума из результат« измерений турбулентных флуктуаций скорост

Стандартный алгоритм осреднения скорости дает смещенную ценку

= ■■ (21)

Автором предложен и реализован новый алгоритм осреднения, вободный от этого недостатка [10]

(У) = кп№т„ (22)

/ ! = 1

де к - известный коэффициент пропорциональности между ®п и V, п общее число зарегистрированных допплеровских периодов, N -исло прошедших частиц, а 7] - длительность сигнала от одной [астицы.

Применение этого алгоритма для осреднения скорости урбулентного потока также дает несмещенную оценку, в то время как тандартнын способ осреднения смещает ее на величину, [ропорциональную дисперсии турбулентных пульсаций.

Метрологические исследования ЛДИС.

Метрологические исследования ЛДИС были выполнены на стенде вращающимся жестким прозрачным диском, скорость которого табилизирована системой фазовой автоподстройки. Они показали, [то относительная погрешность измерений скорости составляет 0.15% гри времени осреднения 10 секунд. Сравнительные параллельные [спытания ЛАДО-1 и термоанемометра РТПС-2, проведенные на идродинамическом стенде с турбулентным потоком интенсивностью !% [4,52] показали почти полное совпадение формы и реднеквадратичных значений их выходных сигналов. Определенная ю результатам испытаний чувствительность к турбулентным [ульсациям в безградиентном потоке может достигать 0.2% от величины средней скорости.

Оптимальные оценки допплеровской частоты (скорости).

В большинстве применений ЛДИС априорное распределение вмеряемой скорости не известно. В этом случае критерием >пт;шальноп оценки является достижение максимума функции щавдоподобия. Исходя из особенностей работы ЛДИС, в диссертации >ассмотрено два подхода к решению этой задачи. Первый относится к >дночастичному режиму, когда ЛДИС работает с газовыми потоками. i второй - многочастичному, когда исследуются потоки жидкостей. В гсрвом режиме допплеровский измеритель может быть оснащён как щекретньш, так и аналоговым приёмтпеами.

Г/1

I

В случае дискретного приемника уравнение правдоподобия для допплеровской частоты имеет вид

СО гЛЛ Ыл[п

Ш)

где / - скорость счёта фотонов в точке максимума сигнала. Таким образом, имея отсчёты щ и решая уравнение (23), получим наивысшую по точности оценку скорости. Найденная в работе относительная среднеквадратичная погрешность соответственно определяется следующим выражением

Из (24) следует, что чем больше амплитуда сигнала и меньше скорость, тем выше точность её оценки. Если, например, £ = 0,05 и Л=10'М, &>£,= 1010 Гц, то Су/У = 0,24%. Подобный анализ выполнен и для аналогового приёмника при естественном предположении, что дробовой шум в этом случае является нестационарным нормальным процессом. Функционал правдоподобия и соответствующее уравнение имеют вид

■Л

(25)

оэ

(26)

Щ

—00

где

& = ехр|(-^£У21(1 + СОБСО^) , (27)

п(1) - текущее значение электрического допплеровского сигнала, а Среднеквадратичная ошибка оптимальной

оценки совпадает с (24).

В случае многочастичного режима работы ЛДИС основной вклад в погрешности измерений, как было показано ранее, вносит фазовый шум. Поэтому естественным способом измерения скорости в этом случае следует считать частотное детектирование допгшеровсзсогс сигнала и оптимальную последетекторную обработку полученногс напряжения Ц^ . На основе достигнутых результатов составлена структурная схема оптимального приёмника, представленная на рис.5.

Поскольку после частотного детектора обычно следует глаживающий низкочастотный фильтр, то фазовый шум на его ¡ыходе можно считать нормальным случайным процессом. Тогда )ункция правдоподобия и соответствующее уравнение записываются ледующим образом

г+т

1\а>в) =ехр

и

/ч

СО,

!)ТигА = т.

0)^) ск

)ткуда оценка допплеровской частоты равна

г+г

Л

0.5

)

В работе получена её дисперсия реднеквадратичная ошибка оценки скорости

(28)

(29)

(30)

относительная

•.е. чем выше скорость и больше время измерения, тем с большей ■очностью получается результат. Для большинства исследуемых ютоков частота турбулентных пульсаций пропорциональна скорости, юэтому время Т с ростом скорости следует уменьшать. Если гроизведение (ОцТ - держать постоянным, то погрешность измерений 1е будет зависеть от скорости и будет определяться только параметром (птнческой схемы ДДИС. Если, например, <§=0,05, а (ОцТ = 5000, то 7у/У = 0,68%.

Таким образом, найдены алгоритмы оптимальной оценки скорости I выражения для потенциальной точности ЛДИС. Эти результаты юзволяют обоснованно подходить к оценкам качества других более фостых и дешёвых систем демодуляции допплеровского сигнала, 'азработана структурная схема оптимального приёмниками одулятор а, реализующего эти алгоритмы.

"лава 5 -Методы и технические средства демодуляции допплеровского игнала.

Пороговый метод был предложен [20] и" реализован под >уководством автора, когда в результате исследований процесса сложения парциальных сигналов от нескольких частиц,

одновременно находящихся в измерительном объёме, стало ясно, что наибольших значений фазовый шум достигает в те моменты времени, когда амплитуда суммарного сигнала минимальна. Его суть состоит в том, что демодуляции подвергается только та часть допплеровского сигнала, амплитуда которой превышает наперёд заданный пороговый уровень. Таким образом, устраняются наибольшие выбросы фазового шума и снижается мешающее действие дробового. Разработано теоретическое обоснование этого метода [11, 19]: в частности, найдено аналитическое выражение для мгновенной частоты допплеровского сигнала от счётного множества рассеивающих центров и определена дисперсия мгновенной частоты как функция порога. Путём компьютерного моделирования найдена плотность вероятности значений сигнала, его амплитуд и мгновенной частоты как функция порога, показано, что при наличии более 13 частиц, одновременно находящихся в измерительном объёме, сигнал ЛДИС можно считать нормальным узкополосным процессом. Для такого сигнала получено явное выражение линии регрессии между мат. ожиданием модуля отклонений частоты и величиной порога. Показано также, что спектральная плотность в наиболее значащей области нулевых частот экспоненциально падает с ростом величины порога. Таким образом, в отличие от других исследователей, пороговый метод обоснован как для редкого, так и для густого потока рассеивающих центров. Метод реализован в виде счётно - импульсных процессоров, фиксирующих моменты времени, удовлетворяющие следующим условиям

где U(t)- мгновенные значения допплеровского сигнала, A(t)- его амплитуда, а А„ - значение порога.

Электронные формирователи в моменты X генерируют счётные импульсы и стробы, длительность которых соответствует надпороговой части допплеровского сигнала. Специальный частотомер, работающий только тогда, когда A(l) > А„ , измеряет частоту сформированных импульсов и даёт на табло цифровое значение средней скорости, а частотный детектор, снабжённый устройством памяти (которая включается стробами на те отрезки времени, когда амплитуда меньше порога) выдаёт реализацию мгновенной скорости. На рис. 6 показаны эпюры сигналов в процессе преобразования.

Метод оценки скорости по длительности выбросов допплеровского сигнала. Для тех ситуаций, когда спектр турбулентных пульсаций скорости очень широк, был разработан [19] метод её оценки по длительности выбросов допплеровского сигнала, отличающийся высоким быстродействием. Действительно, длительность выбросов узкополосного сигнала за нулевой уровень (с одинаковым знаком производной) Тй. Следовательно, выборку значений

скорости можно производить с допплеровской частотой. На основе известных соотношений для статистических характеристик разности фаз узкополосного нормального процесса, в работе показано, что и Т]). Это означает, что в отличие от

мгновенной частоты (значения которой могут быть неограниченно большими) величина Т} конечна и оценка скорости по длительности выбросов оказывается не смещённой. Её дисперсия

где Г - гамма-функция, а Щг) - коэффициент корреляции допплеровского сигнала.

Для типичных значений Я (т) относительная погрешность в оценке скорости составляет 3%, но в большинстве случаев выборку значений скорости можно брать на два порядка реже допплеровской частоты, тогда погрешность не будет превышать 0.3%.

Амплитудно-частотный метод. Как уже указывалось максимальным выбросам фазового шума соответствуют нулевые значения амплитуды допплеровского сигнала. Поэтому, в отличие от установившейся традиции, автором предложено [19] измерять не мгновенную частоту, а ее произведение на квадрат амплитуды. На основе соотношений для условных вероятностен огибающей и мгновенной частоты многочастичного допплеровского сигнала получены дисперсия, корреляционная функция и спектральная плотность исследуемого произведения. Нормированные на <Л2> выражения для этих величин имеют вид

(32)

сг^ =0.5?а>2о,

к( г) = 0.542б)1 ехр[-(^г)2]; (34;

Из (34) видно, что в отличие от дисперсии мгновенной чатоты дисперсия произведения конечна. Относительная погрешносп измерения скорости во всей полосе демодуляции определяется так

= 0.707д. (35;

Обычно частоты турбулентных пульсаций много ниже ^сод и поэтому, демодулятор работает в сравнительно узкой полосе Г0. Тогда, как следует из (34)

у V

Сравнивая (36) с (17), определяющим погрешность измерения скорости по мгновенной чатоте, видим, что выигрыш по точности получается в 2.3 раза, что имеет существенное значение при исследовании турбулентных потоков.

Оптимальные следящие фильтры-демодуляторы. Если поток нестационарен и изменения скорости велики, то более простыми в эксплуатации оказываются фильтры-демодуляторы, автоматически отслеживающие мгновенные значения допплеровскон частоты (скорости). В связи с этим, предложены [19,48,49] и под руководством автора реализованы следующие новые принципы построения подобных фильтров: перенос допплеровского спектра в область нулевых (или удобных для работы) частот, фильтрация сигнала в этой области от пьедестала и дробовых шумов, использование в качестве сигнала ошибки разности фаз или произведения мгновенной чатоты и квадрата амплитуда, оптимальная последетекторная обработка сигнала по максимуму функции правдоподобия. Созданы как статические, так и астатические следящие фильтры. Анализ показал, что последним свойственен шум дискретности, величина которого обратно пропорциональна бысродействшо следящей системы. Задача выбора шага дискретизации решается в каждом конкретном случае путём разумного компромиса между допустимой погрешностью измерения скорости и требуемой полосой пропускания турбулентных флуктуации.

Восстановление профиля скорости. Предложена и теоретически обоснована возможность [14] восстановления профиля скорости в пограничном слое по результатам спектрального анализа допплеровского сигнала. Суть этого способа состоит в интегрировании кривой спектральной плотности от нуля до некоторого текущего значения допплеровской частоты . Значения этого интеграла равны координате потока в которой допплеровская частота равна a>D. Таким образом, полученная зависимость между coD и Zh есть искомый профиль скорости.

Принципы дискретизации допплеровского сигнала. Сложность задач оптимальной по точности оценки скорости и потребность в получении набора ее статистических характеристик естественным образом приводит к необходимости включения в состав ЛДИС средств вычислительной техники с накопленным к настоящему времени богатым арсеналом алгоритмов и программ. Основная трудность здесь связана с вводом значений допплеровского сигнала в ЭВМ, так как его частотный диапазон простирается до сотен мегагерц. Автором предложено и исследовано два подхода к решению этой задачи [51]. В первом из них дискретизации подвергается не с^м сигнал, а его комплексная огибающая. В работе показано, что она сохраняет всю информацию об изменениях измеряемой скорости и в то же время является медленным процессом в сравнении с самим допплеровским сигналом. При использовании второго подхода в ЭВМ вводится число выбросов N сигнала в допплеровской пачке за нулевой уровень и длительность Т пачки, что также резко снижает требования к быстродействию устройства ввода в ЭВМ. Скорость при этом определяется через значения допплеровских частот/ц- N/T

Корреляция фотоотсчёгов. При исследовании воздушных потоков интенсивность рассеянного света настолько слаба, что получить непрерывный допплеровский сигнал не представляется возможным. В этом случае необходимо применять дискретный приёмник и коррелятор фотоотсчётов. Созданный под руководством автора [17] коррелятор имеет динамический диапазон от 0 до 100 м/с и работает с интенсивностямн на уровне единиц фотоэлектронов в сек.

ЛДИС ЛАДО-1 н ЛАДО-2. Работы по созданию средств обработай допплеровского сигнала были завершены разработкой совместно с комбинатом Карл Цейс Йена двух ЛДИС - ЛАДО-l и ЛАДО-2 [15,22], которые в виде небольших партий были выпущены на рынок. В приборе ЛАДО-1 был реализован счётно-импульсный пороговый способ обработки сигнала, а прибор ЛАДО-2 имеет два процессора:

счётно-импульсный для продольной компоненты скорости и следящий - для поперечной, и может работать в режиме обратного рассеяния. Диапазон измеряемых скоростей составляет Ю-4 - 160 м/с, погрешность измерения средней скорости - 0.15 %.

Глава б .Результаты использования созданных ЛДИС в научном и производственном экспериментах.

Наиболее актуальные применения ЛДИС связаны с исследованиями явлений турбулентности. Дело в том, что большинство существующих средств гидро-аэродинамического эксперимента в отличие от ЛДИС возмущают исследуемый поток, что совершенно недопустимо при исследовании турбулентных течений. К настоящему времени хорошо изучены потоки с развитой турбулентностью, что же касается механизма зарождения турбулентных флуктуации, то ни теория, ни эксперимент не дали исчерпывающего ответа на вопрос о том, почему и каким образом при детерминированном перепаде давлений и стационарных граничных условиях возникает случайное турбулентное движение.

Попытка ответить на этот вопрос была предпринята при непосредственном участии автора в ИАиЭ СО АН СССР на примере простейшего течения между двумя цилиндрами (течения Куэтта) [6, 2326]. Схема эксперимента представлена на рнс.7. ЛДИС и все модули экспериментальной установки выполнены в соответствии с требованиями стандарта САМАС. Сигнал лазерного анемометра, пропорциональный (р-й компоненте локальной мгновенной скорости через АЦП вводился в ЭВМ. Программы обработки позволяли строить спектральные плотности колебаний скорости, а также вычислять и анализаровать амплитуды отдельных колебательных мод течения. Не вдаваясь в детали эксперимента, приведём здесь основные результаты. Анализ эволюции спектров колебаний скорости показал, что на начальной стадии возникает ряд колебательных движений на несоизмеримых частотах, и до чисел Яе = 1273 развитие течения происходит в соответствии с гипотезой Ландау-Хопфа, то есть в результате цепочки бифуркаций возникает ряд независимых друг от друга периодических колебательных мод. Но затем рост числа колебательных движений прекращается, а их спектральные плотности начинают уширяться, что говорит о нарушении детерминированного движения. Анализ поведения амплитуд колебательных мод показал, что энергия движения случайным образом перераспределяется между ними, то есть моды конкурируя начинают взаимодействовать между собой. В результате этого периодическая структура течения разрушается, обмотки торов, описывающих течение в фазовом пространстве не замыкаются и возшпсает случайное движение,

(вестное как "странный аттрактор". С ростом числа Не уширенные [ектральные пики смыкаются, образуя сплошной спектр, 1рактерный для турбулентного движения. Пример эволюции (ектральных плотностей флуктуации скорости показан на рис. 8.

Вторым актуальным экспериментом, выполненным под жоводством автора, является исследование течения в прямоугольной >аншее [27]. Подобные течения, получившие название отрывных, ироко используются на практике, но их теория, в силу сложности юисходящих явлений, находится в зачаточном состоянии. В этом 1ане естественен интерес к результатам эксперимента, тем более, что : может дать только невозмущающая методика. Иллюстрацией >лученных результатов является представленная на Рис. 9 картина чения, полученная для малых чисел Ке . Количественная обработка их кривых, выполненная в ИТФ СО РАН, показала, что в качестве ¡рвого приближения при описании подобных течений, можно ¡пользовать теорию струй. Результат этих исследований имеет и ¡посредственный практический интерес, так как эксперимент 1ляется моделью для задачи о последствиях захоронения вредных щесгв в глубоких впадинах океана. Полученная картина течения )сдупреждает о недопустимости подобных действий, так как наличие 1же слабых горизонтальных течений над впадиной вызывает вихрь, •торый безусловно вынесет на поверхность захороненные вещества.

Технические решения по основным узлам созданных ЛДИС были реданы в НИИ Теплоприбор (г. Москва), который на их основе □работал гамму прецезионных приборов для государственной тестации расходомеров.

Следующим примером использования созданных образцов ЛДИС ляется опытная эксплуатация измерителя скорости горячего проката цехе Новосибирского металлургического завода им. Кузьмина [23]. зультаты показали, что с использованием этого измерителя может лть завершена полная автоматизация редукционных и прокатных анов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе поставлена, обоснована и решена ожная научно-техническая проблема создания и практической ализации ЛДИС с высокими метрологическими и сплуатационными характеристиками. Получешше результаты «гоедены ниже:

1. Построена аналитическая модель электрического >пплеровского сигнала для основных режимов ЛДИС; исследованы обенности дискретного и аналогового фотоприемников и найдены

храницы применимости каждого из них; доказаны две теоремы независимости энергии дробового шума от характера временной пространственной модуляции оптического сигнала.

2. Исследованы основные статистические характеристш допплеровского сигнала, включая спектральные плотности. На осно полученных результатов найдено основополагающее соотношен! неопределенностей между точностью и пространственны разрешением ЛДИС: повышение точности может быть достигнут только ценой потери пространственного разрешения.

3. Определена потенциальная точность ЛДИС с учетом дробовог фазового и градиентного шумов. Найдены алгоритмы оптимальнь оценок скорости по критерию максимума функции правдопдобия определены математические ожидания и дисперсия этих оценок.

4. Разработаны оригинальные методы и устройства демодуляда допплеровского сигнала (пороговый счетно-импульсный, амплитуд» частотный, по длительности выбросов, оптимальные квазиоптимальные следящие фильтры-демодуляторы).

5. Созданы и доведены до практического использования ЛДИ для научных исследований и технологических применений. На v основе, совместно с комбинатом "Карл Цейсс Йена" разработаны выпущены промышленные образцы ЛДИС ЛАДО-t и ЛАДО-2.

6. С помощью созданных ЛДИС получены новые научнь результаты по проблеме зарождения гидродинамическо турбулентности и отрывных течений.

Перспективы развития ЛДИС автор видит в:

-создании методов получения данных о поле скорост (динамическая голография);

-микропроцессорной реализации оптимальных по точност алгоритмов оценки скорости;

-повышении надежности ЛДИС с целью их широкого применения народном хозяйстве.

Основное содержание диссертации отражено в следующи публикациях:

1. Dubnistchev Yu. N., Sobolev V. S., Koronkevich V. P. e.a. Las< Doppleimeter of turbulent flow parametis.- In: Fluid dynami measurements in the industrial and medikal environments. Proc. DISj Conf. Leicester, 1972, v. l,p. 73-80.

2. Vasilenko Yu. G., Dubnistchev Yu. N., Sobolev V. S. e. a. Las« Doppler Velosimeter. IEEE Journal of Quantum Electronics, June 197: V.QE-9, № 6.

3. Barill G.A., Vasilenko Yu.G., Dubnitshev Yu.N., Koronkevitc V.P., Sobolev V.S., Stoipovsky A.A., Utkin E.N. Laser Doppler Velocimett for Fluids and Gases. IMECO - VI, Dresden, ACTA IMECO, V. II, 1973.

4. Vasilenko Yu. G., Dubnistchev Yu. N., Sobolev V. S. e. a. The levelopment of optical Doppler technique for measuring flow veiocities.-Dpto-Electronics, 1973, v. 5, p. 153-161.

5. Dubnistchev Yu. X., Pavlov V. A., Sobolev V. S. e. a. Correlation Doppler flow velocimetens.- Proc. iMEKO VII. London, 1976.

6. LVov V. S., Nesterikhin Yu. E., Sobolev V. S. e. a. LaminarTurbulent Transition in a Circular Couette Flow.- In: Laminar-Turbulent Transition. IUTAM Symposium Stuttgart/ 1979. Berlin, Heidelberg, N. Y., Îpringer-Verlag, 1980.

7. Sobolev V.S. The 25 Anniversar of Laser Doppler Anemometiy - In: viodem Techniques and Measurements in Fluid Flows., Perca m on Press, .989.

8. Sobolev V.S. The Light Pulse Parameters Likelihood Estimations. -SPIE's International Symposium on Aerospace/ Defence Sensing and Controls.-1996, Marriott's Orlando World Center, Orlando, Florida, USA.

9. Соболев B.C., Шмойлов Н.Ф. Погрешности осреднения случайных профилей скорости лазерным допплеровским измерителем.

В кн.: Методы лазерной допплеровской диагностики в "идроаэродинамике. Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. A.B. Быкова, 1978, сс.73-80.

10. Кащеева Г.А., Соболев B.C. Спектральный анализ сигнала ia3q>Horo допплеровского анемометра для потоков с градиентом жорости. - В кн.: Экспериментальные методы и аппаратура для ^следования турбулентности. Новосибирск: Ин-т теплофизики СО \И СССР, 1980, сс. 94-99.

11. Соболев B.C., Журавель Ф.А., Кащеева Г.А. К теории гопплсровского сигнала. - В кн.: Лазерная допплеровская анемометрия i ее применения. Новосибирск: Совет АНИ при Президиуме СО АН СССР, 1980, сс. 21-23 (тезисы докладов Всесоюзного семинара).

12. Соболев B.C., Шмойлов Н.Ф. Погрешности ЛДИС, >бусловленные градиентом скорости и способы их устранения. - В кн.: Лазерная допплеровская анемометрия и ее применения. Новосибирск: Совет АНИ при Президиуме СО АН СССР, 1980, сс. 24-26 (тезисы щкладов Всесоюзного семинара).

13. Соболев B.C., Шмойлов Н.Ф., Уткин E.H. Спектральная щотность градиентного шума на выходе ЛДИС. - В кн.: Лазерная юпплеровская анемометрия и ее применения. Новосибирск: Совет \НИ при Президиуме СО АН СССР. 1980, сс. 27-30 (тезисы докладов Всесоюзного семинара).

14. Кащеева P.A., Соболев B.C. Восстановление профиля скорости то энергетическому спектру допплеровского сигнала. - В кн.: Лазерная юпплеровская анемометрия и ее применения. Новосибирск: Совет \НИ при Президиуме СО АН СССР, 1980, сс. 37-40 (тезисы докладов Всесоюзного семинара).

15. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н., ..., Соболев B.C. е.а Лазерные допплеровские измерители скорости ЛАДО-! и ЛАДО-2. -Е кн.: Лазерная допплеровская 'анемометрия и ее применения. Новосибирск: Совет АНИ при Президиуме СО АН СССР, 1980, сс. 3740 (тезисы докладов Всесоюзного семинара).

16. Соболев B.C., Василенко Ю.В., Дубнищев Ю.Н. и др. Лазерные допплеровские измерители скорости. - Наука, Новосибирск, 1975.

17. Соболев B.C., Кащеева Г .А. Спектральный анализ допплеровского сигнала. - Радиотехника и электроника, 1981, № 7.

18. Соболев B.C. О спектре фазового шума на выходе лазерного допплеровского измерителя скорости потоков. - Автометрия, 1974, №6, сс. 111-112.

19. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубнищев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. - Наука, Новосибирск, 1983.

20. Соболев B.C., Столповский А.А., Уткин Е.Н. и др. Устройство для обработки сигналов лазерного допплеровского измерителя скорости. - Авт. свид. СССР, №413893,1972. - Бюл. ОИПОТЗ, 1974, №33.

21. Соболев B.C., Титков В.И. Следящий фильтр - демодулятор для измерения частоты сигналов лазерных допплеровских измерителен скорости. Авт. свид. СССР, № 570183, 1976. - Бюл. ОИПОТЗ, 1977, №31.

22. Sobolev V.S., Dubnistchev Yu.N., Vasilenko Yu.G. е.а. Laser-Doppler-Geschwindigkeismesser LADO-1. - Jenaer Rundschau, 1978, №5, pp. 222-225.

23. Соболев B.C., Коронкевич В.П. Двадцать лет лазерной допплеровской анемометрии. - Автометрия, № 1, 1985.

24. LVov V.S., Nesterikhin Yu. Е., Sobolev V.S. е.а. About Turbulence Arising in Couette Flow. - Preprint № 58. Novosibirsk: Institute of Automation and Electrometry, 1977.

25. Львов B.C., Нестерихин Ю.Е., Соболев B.C. и др. Эволюция спектра при переходе к турбулентности в течении Куэтта. Препринт № 103. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1979.

26. Кузнецов Е.А., Львов B.C., Соболев B.C. и др. О проблеме перехода к турбулентности в течении Куэтта. - Письма в ЖЭТФ, 1979, т.30, № 4.

27. Богатырев В.Н., Василенко Ю.Г...... Соболев B.C. и др.

Исследование течения в траншее прямоугольного сечения ЛДИС. - В кн.: Когерентно-оптические допплеровские устройства в гидроаэродинамическом эксперименте. СО АН СССР, Новосибирск, 1974.

28. Барилл Г.А., Соболев B.C., Журавель Ф.А. Паразитная частотная модуляция пеналов лазерных допплеровских измерителей скорости при малых концентрациях рассеивателей. - В кн.: Когерентно-оптические допплеровские устройства в

щроаэродниамнческом эксперименте. Новосибирск: ИАиЭ СО АН ССР, 1974, сс. 69-74.

29. Дубнишев Ю.Н., Павлов В.А., Соболев B.C. и др. Шум йло/Ш1ия в ЛДИС и пути его снижения. - Автометрия, 1976, № 3,

53-61.

30. Барилл Г.А., Журавель Ф.А., Соболев B.C. Оценка етодической погрешности ЛДИС. - Автометрия, 1972, № 6, сс. 98-100.

31. Барилл Г.А., Соболев B.C. Оценка точности лазерного эпплеровского скорости с гауссовым распределением интенсивности ¡етовых пучков. - Радиотехника и электроника, 1974, т. 19, №9, :. 1981-1985.

32. Dubnistchev Yu.N., Koronkevich V.P., Sobolev V.S. e.a. Laser-•oppler Velocimeter as an Opto-electronics Data Processing Svstem. -ppl. Opt., 1975, v.14, № I, pp. 180-184.

33. Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C. и др. змерение скорости в потоке жидкости с использованием оптического 1>фекта Допплера. - Авгометрия, 1969, № 6, сс. 115-117.

34. Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C. Об ястру ментальной ширине допплеровского спектра лазерного змерителя скорости потока. - Автометрия, 1971, № 1, сс. 43-51.

35. Arnautov G.P., Dubnistchev Yu.N., Koronkevich V.P., Sobolev .S. e.a. Opto-electronics method of information pr-ocessing in laser iterferometry. - Opt. Inform . Proc. N.Y.: Plenum Press, 1977, v. 2,'pp. 125 54.

36. Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C. Принципы эстроения лазерных допплеровских измерителей скорости. - В кн.: огерентно-оптические допплеровские устройства в щроаэродинамическом эксперименте. Новосибирск: ИАиЭ СО АН ССР, 1974, сс. 3-39.

37. Барилл Г.А., Дубнищев Ю.Н., Соболев B.C. Аналитическое писание и спектральный анализ допплеровского сигнала. В кн.: огерентно-оптические допплеровские устройства в щроаэродинамическом эксперименте. Новосибирск: ИАиЭ СО АН ССР, 1974, сс. 68-73.

38. Барилл Г.А., Соболев B.C. Оценка потенциальной точности ДИС. - В кн.: Когерентно-оптические допплеровские устройства в здроаэродинамическом эксперименте. Новосибирск: ИАиЭ СО АН ССР, 1974, сс. 98-106.

39. Соболев B.C., Тимохнп С.А. Об оптимальной концентрации ассеивающих частиц потока. - В кн.: Когерентно-оптические опплеровские устройства в пщроаэродинамическом эксперименте. Говосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1974, сс. 125-131.

40. Василенко Ю.Г., Дубнищев Ю.Н., Соболев B.C.. Столповский ..А. Лазерные допплеровские измерители вектора скорости со

смещением частоты. - В кн.: Когерентно-оптические допилеровоа устройства в гидроаэродинамнческом эксперименте. Новосибирск ИАиЭ СО АН СССР, 1974, сс. 172-186.

41. Василенко Ю.Г., Дубншцсв Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболе B.C. и др. Лазерный допплеровский измеритель скорости параллельной фильтрацией. - В кн.: Когерентно-онтичеси допплеровскне устройства в гидроаэродинамическом эксперимент Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1974, сс. 187-218.

42. Дубнищев Ю.Н., Евсеев А.Р., Соболев B.C. Исследоваш газонасыщенных турбулентных потоков с применением лазерно1 допплеровского измерителя скорости. - В кн.: Когерентно-оптичесю допплеровские устройства в гидр о аэр один а м ическ ом эксперимент Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1974, сс. 247-261.

43. Соболев B.C. Потенциальные возможности лазернс допплеровской анемометрии. Автометрия, 1982, № 3.

44. Соболев B.C., Кащеева Г.А. Теоретические основы пороговог способа обработки допплеровского сигнала, Автометрия, 1983, № 3.

45. Соболев B.C., Столповский A.A., Жмудь В.А., Останин С.] Малогабаритные источники когерентного света на ochoi инжекционных полупроводниковых лазеров непрерывного импульсного типа. Препринт ИАиЭ СО РАН № 432. Новоспбирс 1989.

46. Жмудь В.А., Соболев B.C., Столповский A.A. Устройство д: обработки допплеровского сигнала, Авторское свидетелъсп № 1091087 от 08.01.1984, ОИПОТЗ, 1984, № 17, сс. 158.

47. Бессмельцев В.П., Бурнашов В.Н., Воробьев В.В., Соболев В.( Счетно-импульсный преобразователь. Авторское свидетелъсп №714393 от 15.10.1979 г., ОИПОТЗ, 1980, № 5.

48. Соболев B.C., Столповский A.A., Плотникова Г.А. Систе\ фазовой автоподстройки частоты. Авторское свидетельство № 11762( от 01.05.1985 г., ОИПОТЗ, 1985, № 32.

49. Жмудь В.А.. Плотникова Г.А., Соболев В.С Столповский A.A. Следящий фильтр-демодулятор допплеровско1 сигнала. Авторское свидетельство № 1186058 от 15.06.1985 i ОИПОТЗ, 1985. №38.

50. Соболев B.C., Столповский A.A., Титков В.И. Систе\ обработки сигнала допплеровского измерителя скорости. Авторск» свидетельство № 461681 от 28.10.1974.

51. Василенко Ю.Г., Кругляк З.Б., Соболев B.C. и др. КАМА] система автоматизации гидродинамического эксперимента использованием ЛДИС. В кн.: ЛДА и ее применение. Новосибирск, С АН СССР, (тезисы докладов), 19S0.

52. Василенко Ю.Г., Жилевский А.И., Соболев B.C. и д Результаты испытания лазерного допплеровского измерите:

орости ЛАДО-1. В кн.: II Всесоюзная конференция по методам рофизических исследовании, (сборник докладов), 1976.

53. Соболев B.C. Оптимальная оценка параметров оптических гналов по критерию максимума функции правдоподобия, тгический журнал № 10,1996.

Лазер

И

Ал-опт Передающий ячейка объектив

л р

■----

а ------------ Ь

т Управляемый

НЧ фильтр

Приемный фотоприемник объектна

1П?К

Генерагор питания а-о ячейки

\

Поршоимн счс ик! -нммульоньш процессор

Полосовой

Частотный детемир

Измеритель средней скорости

Формирователь импульсов и стробов

Управляемый полосовой фильтр

фильтр

П реобрзэователь

часшш

(.'лсдипмш фильтр - демодулятор

т

Частотный НЧ фильтр Преобратователь

детектор частоты

Частотный детектор ил НЧ фильтр -интегратор Квадратурный гетеродин

и

Частотомер-измеритель ср. скорости НЧ фильтр Преобразователь частоты

Рис. I. Функциональая схема ЛДИС.

А

-I ¿1 Т 0 3-1 0 5 0 1

«ч к-г »•> »•* *•>>

О ! 1 ( 0 г 4 ! 12 4! О' 2 4 I 0 1 4 ! А„ К-1 Н-! »-! И'Ч

<л> °'2! 0:5 ' №' '.5 2 2,гг г,1 г,к з

111111111111 ; 1ххх1.1111111 .л11И111

_ :х1111111 •

Рис.2. Эволюция плотности вероятности значений сигнала его его амлитуд и частот с ростом концентрации частиц и порога.

Рис.3. Спектральная плотность.

-ае -<¡5 -си с е,г и' ^

-1

Ли?)

I

7

Onpije.Au-тем

пнииму-. ма.

Рис.4. Допплеровский сигнал от двух частиц к его мгновенная частота для ряда значе-

Рис.5.

Оптимальный приёмник аналогового одночастич-ного сигнала.

кий фазового едзма.

"^щг......Ш

ф

»лгшллшшлтшллшшшшшшавтшшшшщши^^ ».лППЛПЛЛЛПЛП!-1ЛШЛПЛЛ1-КШП-ГШШЛШ1ЛПЛ1-пгшлпппг

"1ПШШЛП1-КШП-ГШШЛШ1ЛПЛГ

-гштптп_гштшп—Гшл шип_гптттттг.

11111111)111 III ПШППППНПШПНП) 11111IIIIIII 11)11 1)111111 1111111111

"ТПТПТП ПТПТТП 111111111111

11111(1

ИиЬтсш_ А/иател

' " Агуаяоептииеская

I Ъгдаиеп ячеила

.^АШГ _-■------

лишш гаа- и^Гоааюпа- ( ^хопхтооитеАЦ \ат>роитсл*\

печати 1 : - иЗусадеОи

' ^ЦПрикд дисплее

Рис.и. I-измеряемая скорость, 2-доп-плеровский сигнал, 5-сигнал на выходе полосового фильтра, 4-5-сигналы триггеров с нулевым и заданым порогами, 6-10-сигналы логического узла, I1-12-счётные импульсы и стробы,13-15-сигналы частотного детектора с памятью, 1Ь—выходной сигнал после н.ч. фильтра.

Рис.7.Блок-схема эспериментальяо к установки.

1,1 -1 ■i- й l^j et-.»si

4. V Ь-№,ГЛ

.JJ ' K!'tXXir* T

j h н-ш"*

i-

ц:

fe - tv

2 < S t lU

.J "i »flffl

i ' J l —L^Jú^í.

CîpUP В te

; f*

sf-lvj A

te'Tiir

< !Гц