автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Лазерный доплеровский виброметр для дистанционного контроля изделий и объектов

На правах рукописи

Самойлов Анатолий Николаевич

ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ВИБРОМЕТР ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ И ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 АВГ 2013

Нижний Новгород - 2013

005532431

Работа выполнена в ОАО «Федеральный научно-производственный центр «Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц» имени А.П. Горшкова»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Пихтелев Александр Иванович

Официальные оппоненты:

Радионов Александр Алексеевич, доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, заведующий кафедрой общей и ядерной физики.

Савикин Александр Павлович, кандидат физико-математических наук, доцент, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского, доцент кафедры квантовой радиофизики и лазерных систем.

Ведущая организация: Федеральный научно-производственный центр

«Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», г. Нижний Новгород

Защита состоится 17 октября 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 на базе Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Автореферат разослан_ _2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Назаров Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Создание лазеров положило начало современному этапу в развитии оптических методов контроля и измерения параметров изделий и вышло далеко за пределы оптико-механической промышленности. Высокие когерентные характеристики оптического лазерного излучения открыли перспективу развития доплеровских методов и средств измерения параметров движения объектов, что на начальном этапе развития этих методов привело к созданию интерферометров перемещений промышленного назначения, основанных на приеме зеркально отраженных оптических сигналов.

Новый этап в развитии доплеровских средств измерения связан с детектированием слабых оптических сигналов, диффузно отраженных непосредственно от оптически грубой поверхности объектов, методом лазерного гетеродинирования.

Это позволило в полной мере реализовать уникальные возможности оптических методов измерения, основу которых составляет отсутствие влияния на параметры колебаний, т.е. бесконтактность измерения удаленных (в том числе «точечных») объектов, что определило качественно новый уровень развития виброметрии в целом.

В развитии лазерной доплеровской виброметрии (ЛДВ) к настоящему времени прослеживаются две тенденции. Одна из них заключается в том, что достигнутый уровень технических характеристик, широкий диапазон измерений параметров колебаний как по частоте (от инфранизких до ультразвуковых), так и по доплеровскому сдвигу частоты, соответствующему интервалу скоростей от микрометров до десятков метров в секунду, обеспечили необходимую основу и стимулировали широкое внедрение виброметров как в наукоемкие и высокотехнологичные сферы производства (автомобильную, аэрокосмическую и т.д.), так и в системы контроля и мониторинга технического состояния крупных строительных и инженерных объектов.

Лидирующие позиции в разработке виброметров промышленного назначения в ряду зарубежных разработчиков Бельгии, Дании, Англии, Германии занимает немецкая корпорация Ро1у1ес.

Другая тенденция связана с тем, что разработка и создание лазерных дистанционных средств измерения параметров механических колебаний имеет свою специфику, обусловленную диффузным характером отражения когерентной световой волны, порождающим случайное амплитудно-фазовое распределение и пространственную неоднородность мощности поля рассеянного лазерного излучения, - так называемую спекл-структуру, что создает дополнительные трудности при измерении колебаний атомных и внутриатомных масштабов.

Хотя на данном / этапе исследований физические характеристики спекл-структурированных, полей достаточно полно изучены [1-3], ряд аспектов этого явления остается дискуссионным и является предметом дальнейших теоретических и экспериментальных исследований. [4,5].

В связи с этим является актуальным дальнейшее развитие как прикладных [6 - 9], так и научных исследований по разработке новых подходов и принципов создания лазерных доплеровских систем, обеспечивающих всё большую точность и разрешение в области измерения малых скоростей, важных для решения исследовательских и прикладных задач не только в физико-технических, но и в смежных областях: химии, биологии, медицине и т. д.

Это направление в развитии средств измерения является приоритетным для отечественных научных изысканий в данной области. В этой связи необходимо отметить особую значимость для дальнейшего развития лазерных дистанционных средств измерения перспективных исследований, проводимых в институте лазерной физики СО РАН [10].

Приведенная в диссертации оценка теоретической предельной чувствительности свидетельствует о большом потенциале лазерных виброизмерений в области малых значений виброскорости и амплитуд колебаний.

Потребность в дальнейшем поиске и совершенствовании методов повышения чувствительности и разрешающей способности лазерных виброметров, как составной части доплеровских средств измерения динамики движения объектов, продиктована общим ходом развития научных и прикладных исследований в области неразрушающего селективного контроля и диагностики техногенных объектов широкого спектра назначения и соответствует общей стратегии развития средств измерения.

С научно-технической точки зрения наиболее проблемной и представляющей специальный интерес является разработка лазерных виброметров с высокой чувствительностью, необходимой для измерения колебаний с амплитудой на три-четыре (и более) порядков меньшей длин волн оптического диапазона объектов, находящихся на значительном (в десятки метров) удалении.

В прикладных исследованиях такая задача возникает при изучении взаимодействия атмосферных звуковых волн с преградой (диссипация, затухание) для разработки методов борьбы с шумами, в системах связи для обеспечения неискаженной передачи и распознавания речи, в частности, при возбуждении оконного стеклопакета речевой артикуляцией, что явилось непосредственным основанием для проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований по развитию методов дистанционных бесконтактных виброизмерений и созданию лазерного виброметра с высокой чувствительностью.

Цель работы.

Цель работы состоит в проведении комплексного научно-прикладного исследования по разработке и созданию лазерного виброметра с высокой чувствительностью на основе гетеродинного детектирования частотно-модулированного когерентного излучения, диффузно отраженного от оптически грубой поверхности объекта, и формирования научно-технических основ для инженерных разработок лазерных средств измерения, основанных на регистрации диффузно отраженных доплеровских сигналов.

В задачи работы входило следующее.

1. Анализ способов реализации метода лазерного гетеродинирования для выделения сигнального доплеровского сдвига частоты в оптической несущей.

2. Разработка и обоснование концептуального подхода и принципов построения оптической системы лазерного средства для дистанционного измерения параметров колебаний объектов.

3. Анализ и определение требований к характеристикам лазерного излучения: мощности, нестабильности частоты, модовой структуре излучения, параметрам временной и пространственной когерентности.

4. Анализ условий и разработка методов оптимального фотодетектирования и обработки сигналов, обеспечивающих наибольшую чувствительность в области низких амплитудно-фазовых изменений оптического сигнала.

5. Разработка и расчет параметров оптико-механических систем и устройств оптического модуля лазерного виброметра.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. В результате анализа методов построения оптической системы виброметра обоснован выбор двулучевого варианта гетеродинного детектирования оптического сигнала на основе формирования гильбертово сопряженных компонент сигнала и манипулирования состояниями поляризации лазерного излучения, что позволило на два порядка - по сравнению с зарубежным аналогом РБУ-ЮО - повысить чувствительность и разрешение параметров колебаний объектов посредством обработки квадратурных доплеровских сигналов в соответствии с алгоритмом вычисления мгновенного значения частоты, определенной через аналитический сигнал.

2. Результаты анализа условий и способов оптимизации гетеродинного приема доплеровских сигналов, включая:

- формирование оптическими средствами фазосдвинутых сигналов для балансного метода фотодетектирования;

- оптимизацию распределения мощности излучения лазера между сигнальным и опорным пучками;

- сопряжение волн по амплитуде и фазе, позволившее обеспечить наилучшее отношение сигнал/шум.

3. Результаты исследования взаимосвязи и аналитической зависимости между амплитудой колебаний объекта и требованиями к параметрам когерентности излучения лазера, обеспечивающие обнаружение доплеровского сигнального сдвига частоты с требуемым разрешением.

4. Теоретическое и опытное обоснование применимости в лазерных виброметрах с высокой чувствительностью нестабилизированных по частоте промышленных Не - Ые лазеров.

5. Результаты обоснования требований на оптические характеристики и расчеты параметров компонентов оптической системы виброметра, позволившие оптимизировать конструкторские решения и технологичность изготовления, в том числе: фотоприемников, оптической антенны - телескопа, согласующей системы для сопряжения полей сигнальной и опорной волн, поляризующих и неполяризующих делителей-смесителей, преобразователей состояний поляризации лазерного излучения, согласующих оптических элементов (призм, линз).

6. Разработка и создание первого отечественного лазерного виброметра, включенного в Государственный реестр средств измерения Российской Федерации.

Методы исследования

Представленные в работе результаты научно-прикладных исследований и инженерно-технических разработок получены на основе методов статистической радиофизики, спектрального анализа, методов физической оптики, а также методов геометрической и гауссовой оптики.

Научная новизна.

Новизна заключается в проведении комплекса теоретических и экспериментальных исследований, направленных на обеспечение высокой чувствительности лазерного виброметра.

1. Изучена структура лазерного излучения, диффузно отраженного от оптически грубой поверхности объектов, и рассмотрено ее влияние на величину оптического сигнала. Установлено, что максимальное значение оптического сигнала достигается при условии заполнения апертуры фотоприемника единичным спеклом. Методами вероятностного анализа показана отрицательная динамика отношения сигнал/шум при измерении продольных колебаний по мере уменьшения индекса угловой модуляции оптической несущей в случае наличия поперечной составляющей в колебаниях объекта.

2. Исследована взаимосвязь и получено аналитическое выражение для зависимости параметра временной когерентности лазерного излучения от амплитуды измеряемых колебаний. Показана необходимость ее повышения с уменьшением амплитуды колебаний.

3. Показана целесообразность отбора (перераспределения) мощности от опорного в сигнальный пучок для улучшения отношения сигнал/шум при ослаблении оптического сигнала. Получен общий вид этой закономерности для случая превышения дробового шума пучка - гетеродина над прочими шумами.

4. Проведен сравнительный анализ двухлучевого и многолучевого методов лазерного гетеродинирования, определивший выбор и структуру построения оптической системы виброметра по двухлучевой схеме, как общей основе совместного применения двух методов демодуляции доплеровского сигнала, что позволило повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых значений виброскорости.

5. Теоретически и экспериментально обоснована возможность и целесообразность применения в лазерных виброметрах с высокой чувствительностью серийных промышленных лазеров с относительной нестабильностью частоты на уровне 10~6.

6. Впервые в практике построения лазерных виброметров апробирован метод обработки сигналов в соответствии с алгоритмом вычисления мгновенного значения частоты, определенной через аналитический сигнал с реализацией преобразования Гильберта в оптическом диапазоне частот. Экспериментально подтверждена его более высокая чувствительность, что позволило на два порядка превысить по разрешению зарубежный аналог РБУ-ЮО ведущей фирмы «Ро1у1ес».

Практическая значимость работы состоит в создании научного задела и его практической реализации при разработке портативного лазерного виброметра с высокой чувствительностью.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке нового поколения лазерных виброметров с улучшенными характеристиками, а также при

создании лазерных измерительных систем иного назначения, основанных на регистрации диффузно отраженных доплеровских сигналов.

Обоснованность и достоверность полученных результатов и выводов подтверждается соответствием теоретических выводов экспериментальным данным, а также согласованностью с результатами для частных случаев, полученными другими авторами.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на:

- Международной научно - технической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», Самара, 2006 г.;

- XV Международной научно - технической конференции «Информационные системы и технологии», Н.Новгород, 2009 г.;

- VIII Международной научно - технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», Санкт-Петербург, 2009 г.;

- XVI Международной научно - технической конференции «Информационные системы и технологии», Н.Новгород, 2010 г.;

- X Международной научно - технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов»», Самара, 2011 г.;

- XVII Международной научно - технической конференции «Информационные системы и технологии», Н.Новгород, 2011 г.;

XVIII Международной научно - технической конференции «Информационные системы и технологии», Н.Новгород, 2012 г.;

- XVIII Международной научно - технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2012 г.

Публикации.

По тематике диссертации в соавторстве опубликованы 16 работ: 5 статей (из них 3 - в журналах, входящих в перечень ВАК), 1 патент на изобретение, 10 публикаций в сборниках трудов научных конференций. В 2008г. на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций лазерный виброметр награжден дипломом и бронзовой медалью.

Личный вклад автора.

Основные результаты представленной диссертации получены лично автором или при его непосредственном активном участии.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа изложена на 186 страницах, включает 3 таблицы, 59 иллюстраций и 128 библиографических ссылок.

Содержание работы.

Во введении ставятся цель и задачи диссертационной работы, обосновывается ее актуальность. Сформулированы научная новизна и практическая значимость работы, отражены основные положения, выносимые на защиту, а также реализация и внедрение результатов.

Первая глава носит обзорно-аналитический и постановочный характер.

Принципиально новый шаг в развитии дистанционных измерений возвратно-поступательных движений на основе отказа от зеркального отражения и перехода к регистрации диффузно отраженного непосредственно от оптически грубой поверхности естественного объекта лазерного излучения низкой интенсивности стал

7

возможным благодаря результатам, полученным в ходе предшествующих разработок средств лазерной связи, развивших принцип лазерного гетеродинирования для приема слабых оптических сигналов [13] и методов голографической и спекл-интерферометрии [14] для исследований рельефа и деформаций объектов.

Вследствие диффузного отражения (рассеяния) лазерного излучения от микрорельефа поверхности объекта, рассматриваемого как случайный стационарный процесс, распределение мощности рассеянного излучения приобретает резко выраженную пространственную неоднородность, как в продольном, так и в поперечном к распространению излучения, направлениях. [15]

По этой причине рассеянное поверхностью предмета излучение в свою очередь, является статистическим объектом по амплитудно-фазовому распределению [16].

Физический механизм образования спекл-структурированного поля световой волны может быть представлен как результат интерференции парциальных волн большого числа вторичных точечных когерентно излучающих источников, моделирующих центры рассеяния шероховатой поверхности, имеющих случайные начальные фазы относительно друг друга. [17]

Статистика спекл-полей существенным образом зависит от условия их образования, в частности, от соотношения размеров (диаметра) лазерного пучка на объекте и среднего размера и высоты шероховатостей. В большинстве практически важных случаев число неоднородностей в световом пятне является статистически большим, и амплитудно-фазовое распределение поля подчиняется нормальному (гауссову) распределению. [15]

Существенные изменения в структуре поля рассеянного лазерного излучения (по сравнению со случаем его зеркального отражения) предполагают необходимость самостоятельного рассмотрения и анализа способов и методов приема сигналов, передаваемых спекл-модулированной волной, поскольку в таких условиях следует ожидать явлений затухания (замирания) сигнала, [18] зависимости сигнала от ориентации поверхности, нелинейного характера отклика величины оптического сигнала на изменение размеров апертуры фотоприемного устройства, «спекл-шумовых» эффектов, и других, например, превышения величины сигнала над его средним значением.

В разделе, посвященном спекловой структуре поля, приведены оценки размеров протяженных спекл-образований в продольном и поперечном к распространению волны направлениях и закономерность изменения этих параметров. На основе модели линейно расположенных вторичных источников когерентных парциальных волн получена оценка среднего значения поперечных размеров спеклов. Рассмотрены изменения параметров временной и пространственной когерентности лазерного излучения вследствие его диффузного отражения объектом.

Экспериментальными исследованиями диффузного отражения объектом лазерного излучения установлено, что при соблюдении условий формирования контрастных спекл-полей зависимость интенсивности оптического сигнала от угла рассеяния (диаграмму рассеяния) можно аппроксимировать законом Ламберта, что позволяет удовлетворительным образом оценить величину сигнала в выбранном направлении относительно его значения по нормали к поверхности объекта.

Сформулировано положение о том, что деструктивные изменения поля падающего на объект лазерного излучения предполагают дифференцированный подход к решению разных измерительных задач, основанных на доплер-эффекте, обуславливающий, в свою очередь, необходимость проведения соответствующих дополнительных исследований научно-прикладного характера.

Во второй главе анализируются физические факторы, ограничивающие величину спекл - модулированного оптического сигнала с целью обеспечения максимальной чувствительности и предельного разрешения амплитуды колебаний объекта при неограниченном уменьшении индекса угловой модуляции оптической несущей, рассеянной объектом.

Актуальным в этом аспекте является исследование зависимости величины оптического доплеровского сигнала при гетеродинном способе приема от числа спеклов в апертуре фотоприемного устройства.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями этой проблемы [19] установлен нелинейный характер этой зависимости для спекл-полей с гауссовой статистикой: при увеличении площади приемной апертуры Б сигнал растет пропорционально корню квадратному из числа спеклов N. попадающих в апертуру фотоприемника, следовательно, пропорционально л/б" (8 ~ 14).

Вывод, сделанный в диссертации на основе анализа этих исследований, состоит в том, что максимальный уровень оптического сигнала достигается при значении N = 1, соответствующем случаю заполнения апертуры одним спеклом, что косвенно подтверждено в [20].

Закономерность такого вывода может быть качественно обоснована следующим образом. Поскольку поперечные размеры а± спеклов обратно пропорциональны размеру (1 лазерного пучка на объекте, т.е., е± - Ш, то при уменьшении с1 спеклы будут увеличиваться. Если структура шероховатой поверхности такова, что размер светового пятна можно сделать меньше или порядка среднего размера шероховатостей спеклов (при соблюдении неравенства <1 > X, выражающего физический запрет на фокусировку излучения в область с размерами меньше длины волны), то в рассеянном поверхностью излучении появляется сильная зеркальная составляющая. В этом случае прием оптических сигналов максимально приближен к условиям детектирования однородной световой волны.

Рассмотрена возможность негативного влияния на величину оптического сигнала продольных размеров спекловой структуры рассеянного лазерного излучения, которая обусловлена тем, что в ближней зоне (зоне Френеля) дифрагировавшего на поверхности объекта лазерного пучка продольные размеры спеклов С имеют конечную величину, неограниченно возрастающую по закону ДС = 8 X С'/ ё" по мере удаления точки наблюдения в дальнюю зону (зону Фраунгофера). [17]

Режим проведения измерений при дистанциях, удовлетворяющих дальней зоне дифракции, позволяет исключить возможность замирания сигнала, связанную с его отсутствием в продольных интервалах между спеклами.

Анализ условий приема оптического сигнала в зависимости от дистанции до объекта указывает на существование критического значения этого параметра. При расстояниях меньших критической дистанции условия проведения измерений

соответствуют дальней зоне дифракции, при больших - ближней зоне (зоне Френеля).

Обратная последовательность смены зон следует из совместного рассмотрения пары соотношений: условия наблюдения дифракции Фраунгофера и линейного роста размера перетяжки лазерного пучка на объекте с увеличением дистанции до объекта, что в графическом виде приведено на рисунке 1.

Раздел 2.4 посвящен анализу влияния поперечных к оси лазерного пучка сдвигов поверхности на измерение продольной составляющей циклических движений объекта, совершаемых на той же частоте.

Рассматриваемый случай соответствует динамичному (случайному) амплитудно-фазовому (и пространственно-конфигурационному) переформатированию («кипению») спеклов в пределах апертуры фотоприемной системы, маскирующему доплеровский сигнал.

Результат, полученный на основе вероятностного (информационного) подхода (Рисунок 2), указывает на фундаментальный характер ограничений на извлечение информации о продольной составляющей колебаний объекта при проведении измерений по однолучевому методу и проблематичность лазерных дистанционных измерений в более сложных случаях, требующих дифференцированного подхода в зависимости от типа измеряемых движений объекта: поперечных, ротационных, смешанных, включая сложные колебания объекта на разных частотах по трем взаимно ортогональным осям.

Рисунок 1 - Зависимость условий проведения виброизмерений (в ближней (1) или дальней (2) зонах дифракции) от размера лазерного пятна на объекте, находящемся на удалении £ от виброметра. 3 - переходная область между зонами 1 и 2.

Рисунок 2 - Зависимость отношения сигнал/спекл-шум (б/п) от величины индекса угловой модуляции (т).

В качестве одной из потенциальных возможностей оптимизации величины оптического сигнала в главе рассматривается вопрос о рациональном распределении мощности лазерного излучения между сигнальным пучком и пучком - гетеродином. Полученные результаты указывают на обоснованность перераспределения мощности от опорного в сигнальный пучок для улучшения отношения сигнал/шум.

Определение функции перераспределения в общем виде требует детального анализа относительного вклада шумов различного вида, присутствующих в фотоприемном тракте, что само по себе является сложной и самостоятельной задачей.

В диссертации приведено качественное решение для случая, когда доминирующим является дробовой шум лазерного пучка - гетеродина и прочими шумами можно пренебречь, имеющее целью показать принципиальную

10

возможность улучшения отношения сигнал/шум в условиях низкой интенсивности сигнального лазерного излучения. (Рисунок 3).

Помимо рассмотренных условий оптимизации приема оптического сигнала в лазерной виброметрии высокого разрешения существенным является определение требований к параметру нестабильности частоты лазерного источника.

2

Х/7

Рисунок 3 - Зависимость оптимального коэффициента деления мощности лазерного излучения от безразмерного параметра х /у-

X - отношение мощности дробового шума к мощности пучка - гетеродина;

у - коэффициент ослабления оптического сигнала при диффузном отражении от объекта; К- коэффициент отражения оптического делителя.

Необходимость такого рассмотрения обусловлена тем, что при малых значениях индекса угловой модуляции оптической несущей (ш ~ 10 "3 и меньше) на частотах колебаний объекта í ~ 10 4 Гц доплеровский сдвиг частоты по порядку величины соответствует значению Ду д ~ 10 Гц, что в оптическом диапазоне частот составляет относительную величину Ду д / V -10 "13. Вопрос, который может быть поставлен в этой связи, заключается в следующем: является ли эта относительная величина обязательным требованием к нестабильности частоты лазера для его применимости в измерениях с высоким разрешением? Анализ этого вопроса показывает, что в зависимости от величины дистанции до объекта требования к нестабильности частоты лазера по сравнению с указанной величиной могут быть ослаблены на несколько порядков при использовании в качестве гетеродина части собственного излучения лазера. Приведенные в главе оценки показывают, что в большинстве случаев достаточен тот уровень нестабильности, который типичен для серийных промышленных газовых лазеров. [13]

В связи с этим в данной главе рассмотрены и уточнены когерентные характеристики двухчастотного Не - № лазера, примененного в виброметре.

Существенным в научно-прикладном плане результатом исследования требований к источникам когерентного излучения является то, что в ходе анализа получено аналитическое выражение, позволяющее определять теоретически предельную амплитудную чувствительность при измерении вибраций, как функцию удаленности объекта С и параметров лазера: мощности излучения Р, добротности (2 и ширины линии пропускания «пустого» резонатора Дур:

акд»О

А=—-——■£ Р<) '

где Ь - постоянная Планка; V - частота лазерного излучения.

В третьей главе приведен сравнительный анализ двухлучевого и многолучевого методов лазерного гетеродинирования, определивший выбор и структуру построения оптической системы виброметра. Показано, что при ограниченной оптической мощности лазерного источника наибольшая величина оптического сигнала достигается при построении оптической системы на принципе преобразования состояний поляризации линейно поляризованного лазерного излучения поляризационными оптическими устройствами и элементами. Приведены

методика и результаты расчетов параметров телескопической системы, фазового корректора, фазовых пластин и других элементов оптической системы виброметра.

Рассмотрен метод формирования фотоэлектрического сигнала на основе фотоприемников балансного типа и условия обеспечения оптимального уровня оптического сигнала при использовании метода лазерного гетеродинирования.

В четвертой главе рассмотрены варианты построения функциональной схемы электронного модуля виброметра, основанные на узкополосной фильтрации сигнала виброскорости. Приведены результаты испытаний двух методов демодуляции доплеровских квадратурных сигналов:

- на основе частотнозависимых цепей (демодуляторы счетчикового типа);

- на основе обработки квадратурных сигналов путем аналогово-цифровых преобразований в соответствии с алгоритмом вычисления мгновенного значения частоты, определенной через аналитический сигнал.

Установлено, что метод определения мгновенного значения частоты обладает значительным преимуществом по выделению сигнала из шумов по сравнению с методом частотнозависимых цепей и обеспечивает на два порядка более высокую чувствительность измерений виброскорости объекта.

В пятой главе приведено описание схем оптического и электронного модулей промышленного лазерного виброметра и всей системы в целом. Приведены его технические характеристики.

Лазерный виброметр предназначен для дистанционного измерения виброскорости исследуемого объекта в пределах от 0,01 мм/с до 50 мм/с на виброчастотах от 80 Гц до 11 кГц. Измерительная дистанция от лазерного виброметра до испытуемого объекта составляет от 1,5 м до 10 м и более. Напряжение питания виброметра - 12 В, потребляемая мощность - (15-20) Вт (в зависимости от режима работы).

Принцип работы лазерного виброметра основан на измерении доплеровского сдвига частоты методом оптического гетеродинирования отраженного от объекта слабого оптического сигнала на основе двухлучевой интерференционной оптической схемы с последующим формированием квадратурных компонент электрического сигнала, детектируемых фотоприемниками балансного типа.

Микропроцессоры, входящие в состав лазерного виброметра, производят цифровую обработку и анализ вибрационных сигналов.

В состав портативного лазерного виброметра входит карманный персональный компьютер (КПК), который:

- управляет режимами работы лазерного виброметра через виртуальную панель управления, в том числе режимами обработки сигнала и отображения его во временной (осциллограф) или в частотной (анализатор спектра) областях;

- выбирает пределы амплитудных измерений и длительности развёртки в режиме осциллографа, а также частотную полосу обзора в режиме анализатора спектра и число усреднений реализаций спектров от 1 до 256;

- выполняет функцию установки линейного или логарифмического масштаба в режиме анализатора спектра;

- записывает результаты измерений на флеш-карту в формате, выбранном оператором, для возможного последующего воспроизведения на другом компьютере.

Разработано программное обеспечение, которое позволяет управлять всеми перечисленными функциями и режимами при помощи стандартных компьютеров по каналам RS-232 или USB, что дает возможность включать лазерный виброметр в автоматизированные измерительные системы.

В состав лазерного виброметра входят: оптическая система (оптический модуль), формирующая квадратурные составляющие доплеровского сигнала и электронная система.

Оптическая система лазерного виброметра (оптический модуль) Основными базовыми структурными элементами оптической системы виброметра (Рисунок 4) являются: лазерный источник монохроматического излучения; телескопическая система, выполняющая функции приемо-передающей «оптической антенны»; оптическая система сопряжения волновых фронтов сигнальной и опорной волны типа «кошачий глаз»; фотоприёмные модули балансного типа; оптический делитель-смеситель для формирования и пространственного совмещения опорного и сигнального лазерных пучков.

Рисунок 4 - Оптическая схема.

1 - гелий-неоновый лазер (А. = 0,63 мкм); 2, 3, 11 - поворотные призмы;

4, 13, 17 - призмы-поляризаторы; 5, 10, 16 - п/п пластины из двулучепреломляющего одноосного кристалла (кварц); 6,7 - окуляр и объектив телескопической системы;

8, 9 - диэлектрическое зеркало и объектив оптической системы фазового сопряжения волновых фронтов сигнального и опорного пучков; 12 - неполяризующий делитель мощности лазерного пучка; 14, 15, 18, 19 - фотоприемники; 20 - исследуемый объект.

Особенности построения оптической схемы обусловлены техническим назначением виброметра и связаны со значительным (на 5-7 порядков) ослаблением принимаемой световой мощности лазерного пучка, направляемого на объект, а также со спекловой структурой распределения интенсивности диффузно отраженного излучения лазера.

Лазерный пучок с линейной поляризацией от модифицированного лазера ГН-2П (Я = 0,63 мкм) поворотными призмами 2 и 3 направляется на поляризующий делитель 4, где разделяется на два пучка равной мощности: сигнальный (трасса 4, 5, 6, 7, 20) и опорный (трасса 4, 11, 10, 9, 8) с взаимно-ортогональными поляризациями.

Телескопическая система (6, 7) в сигнальном плече интерферометра (кратность увеличения 14*) предназначена для фокусировки излучения на поверхности объекта, достаточной для того, чтобы спекл-структура фронта отраженной волны («спекл-поле») воспринималась, при соответствующем наведении излучения на объект, как квазиоднородная монохроматическая волна.

Четвертьволновые фазовые пластины (5, 10) осуществляют поворот поляризации сигнального и опорного пучков на 90 градусов относительно исходных для беспрепятственного прохождения ими поляризующего делителя (4) в направлении к неполяризующему делителю (12), ориентированному к пучкам под углом 45° и разделяющему каждый из них на два идентичных пучка. Лазерные пучки после делителя (12) попадают в фотоприемные модули (13, 14, 15) и (17, 18, 19), в состав которых входят по два фотоприемника на основе фотодиодов КДФ-113 и по одному делителю-поляризатору типа (4). Указанная на схеме ориентация делителей под углом 45° обеспечивает формирование сдвинутых по фазе на 180° интерференционных сигналов в каждой паре фотоприемников: (14, 15) и (18, 19) соответственно, что позволяет при вычитании инвертированных электрических сигналов с выходов фотоприемников заметно улучшить отношение сигнал/шум. Фазовая пластина (16) осуществляет относительный сдвиг фазы оптических сигналов на четверть периода для формирования квадратурных электрических сигналов в фотоприемных модулях.

Электронная система лазерного виброметра.

Электронная система включает в себя фотоприемные модули балансного типа, преобразующие частотно - модулированные квадратурные оптические сигналы в соответствующие им электрические. (Рисунок 5).

С выхода блока усилителей квадратурные электрические сигналы поступают на демодуляторы, которые их преобразуют в сигналы, пропорциональные мгновенным значениям виброскоростей исследуемого объекта.

В системе применены два вида демодуляторов: демодулятор частотный, предназначенный для формирования сигнала виброскорости Рисунок 5 - Функциональных схем лазерного виброметра. от 59 мм/с до 0,2 мм/с и

демодулятор аналитического сигнала для виброскорости от 1 мм/с до 0,01 мм/с. Демодуляторы построены на основе аналого-цифровых схем с применением микропроцессоров. С выходов демодуляторов аналоговый сигнал виброскорости

Оптическая часть Фото

прием-

Лазер газовый

поступает на выходной разъем и на вход блока управляющего, созданного на базе сигнального и управляющего микропроцессоров. Такое сочетание микропроцессоров позволило реализовать разные режимы работы блока управляющего: режимы осциллографа, анализатора спектра, а также связь с внешними устройствами по каналам RS-232 и USB для обеспечения возможности отображения измерительной информации и управления режимами работы лазерного виброметра. Режим анализатора спектра считается типовым режимом работы лазерного виброметра. В этом режиме определяются значения резонансных частот исследуемых объектов и измеряются уровни сигналов малых значений виброскорости при наличии сопутствующих шумов различного происхождения.

В Заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Теоретически показано, что при дистанционных измерениях взаимное положение лазерного виброметра и объекта в ближней или дальней зоне дифракции определяется угловым размером выделенного лазерным пучком элемента поверхности объекта. Для ближней зоны характерна возможность ослабления (замирания) оптического сигнала, обусловленная продольной пространственной структурой спекл-поля. Эта особенность приема сигнала наиболее явно выражена для случаев настройки оптической системы виброметра на формирование и прием моноспеклового сигнала, причем положение пограничной области между ближней и дальней зонами в этом случае зависит от параметра увеличения антенной телескопической системы.

2. Теоретическое исследование влияния на измерение параметров продольных колебаний объекта поперечной составляющей указывает на то, что в предельном случае, когда за период колебания происходит полная перестройка спекловой картины в плоскости наблюдения (в апертуре фотоприемника), выделение полезного сигнала с помощью одного тестирующего лазерного пучка представляется бесперспективным. В связи с этим такие режимы измерения виброметром с повышенной чувствительностью исключаются на основе предварительного анализа условий измерения и вида колебаний.

3. Показано, что по мере уменьшения параметров колебаний объекта (скорости, амплитуды) и, соответственно, величины доплеровского сдвига частоты, ужесточаются требования к нестабильности частоты излучения лазера. Установлено, что между амплитудой колебаний и длиной когерентности излучения существует обратная зависимость: при устремлении амплитуды колебаний к нулю длина когерентности должна неограниченно возрастать.

4. Показано, что высокое требование к стабильности частоты лазера снимается тем, что при гетеродинировании путем суперпозиции сигнального и опорного пучков, решающее значение имеет их взаимная когерентность. В этом случае, как показывает теоретическое рассмотрение, требование к когерентности снижается на несколько порядков, и основным фактором, накладывающим ограничения на частотную нестабильность излучения лазера и предельную чувствительность измерений, является разность хода между сигнальным и опорным пучками. Этот вывод ценен своими практическими следствиями, поскольку серийные нестабилизированные лазеры обладают значительным преимуществом, как по стоимости, так и по эксплуатационной надежности.

5. Показана целесообразность перераспределения мощности лазерного излучения между сигнальным и опорным пучками, как одном из условий оптимизации величины оптического сигнала. Теоретически рассмотрен случай такой оптимизации при том исходном условии, что дробовой шум пучка -гетеродина превышает все прочие виды шумов фотоприемной системы и сигнала. Показано, что в этом случае мощность опорного пучка должна монотонно убывать (сигнального - возрастать) по мере увеличения потерь мощности сигнальной волны.

6. Предложено и обосновано концептуальное решение оптической системы для реализации метода гетеродинного приема доплеровского сигнала, основанное на формировании оптимальных условий для моноспеклового режима приема слабых оптических сигналов, предусматривающее:

- прием слабых оптических сигналов методом балансного фотодетектирования;

- обеспечение оптимального согласования сигнального пучка и пучка-гетеродина. Определен базовый принцип функционирования и построения оптических элементов и устройств на основе трансформации состояний поляризации сигнального и опорного пучков. Приведены их расчетные оптические характеристики и технические параметры.

7. Рассмотрены и проверены на опыте разные алгоритмы обработки квадратурных фотоэлектрических (доплеровских) сигналов, в том числе:

- на основе метода частотнозависимых цепей (частотный детектор счетчикового типа);

- на основе обработки квадратурных сигналов путем аналого-цифровых преобразований в соответствии с алгоритмом вычисления мгновенного значения частоты, определенной через аналитический сигнал.

Установлено, что метод вычисления мгновенного значения частоты значительно превышает по чувствительности метод частотного детектирования по счетчиковому типу, что позволило на два порядка превысить по разрешению зарубежный аналог РБУ-ЮО ведущей фирмы «Ро1у(ес». Во всех вариантах построения функциональных электронных схем виброметра применен метод узкополосной фильтрации сигнала для выделения его из шумов, многократно превышающих уровень полезного сигнала.

В состав виброметра включены демодуляторы обоих типов, реализующие рассмотренные методы для разных диапазонов измерения амплитудных значений виброскорости объекта.

8. На основе проведенных исследований разработан промышленный лазерный виброметр (Рисунок 6), который является первым отечественным прибором этого типа, включенным в Государственный Реестр средств измерения Российской Федерации под номером 37686-08 (Сертификат 1Ш.С.28.018.13 № 31419).

Рисунок 6 - Общий вид виброметра.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Франсон, М. Оптика спеклов / М. Франсон; пер. с франц. под ред. проф. Ю.И. Островского. - М.: Мир, 1980. - с. 171.

2. Goodman, J.W. Speckle phenomena in optics. Theory and Applications / J.W. Goodman - USA, Colorado, Engle wood: Roberts & Company. - 2007.

3. Ахманов, C.A. Физическая оптика / C.A. Ахманов, С.Ю. Никитин М.: Наука, 2004,- 656 с.

4. Ульянов, С.С. Особенности рассеяния сфокусированных лазерных пучков на движущейся шероховатой поверхности / С.С.Ульянов // ЖТФ. - 1991. - т.61. -вып.6. - с.106-112.

5. Горбатенко, Б.Б. Статистические свойства пространственного распределения фазы развитого спекл-поля / Б.Б. Горбатенко, И.С. Клименко, Л.А. Максимова, В.П. Рябухо // Письма в ЖТФ. - 1992. - т. 18. - вып. 2. - с.26-28.

6. Звенигородский, Э.Г. Лазерные и оптические измерители скорости и длины / Э.Г. Звенигородский, Ю.Д. Каминский, С.Ю. Проскурнев и др. // Датчики и системы. - 2003. - №7. - с.3-6.

7. Евтихиева, O.A. Анализ цифровой спектральной обработки сигналов лазерного доплеровского виброметра / O.A. Евтихиева, Н.М. Москалевич, Н.М. Скорнякова // Измерительная техника. - 2006. - № 9. - с.42-45.

8. Котов, В.М. Акустооптический сдвигатель частоты спекл-содержащего оптического излучения / В.М. Котов, Г.Н. Шкердин, А.Н. Булюк // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №4. - с.144-149.

9. Глущенко, А. Определение качества лазерного канала утечки речевой информации / А. Глущенко, Л. Глущенко, А. Корзун, А. Казановский // Фотоника. -2011. - № 1. - с.24-27.

10. Орлов, В.А. Высокочувствительные лазерные измерения малых перемещений и скоростей в условиях сильных естественных помех: автореф. дисс. докт. физ.-мат. наук: 22.12.03 / Орлов Валерий Александрович. - Новосибирск. - СО РАН, 2006.36 с.

11. Коломийцев, Ю.В. Интерферометры / Ю.В Коломийцев. - JL: Машиностроение, 1976. - с. 296.

12. Коронкевич, В.П. Лазерная интерферометрия / В.П. Коронкевич, B.C. Соболев, Ю.Н. Дубнищев. - Новосибирск: Наука, 1983. - с.214.

13. Шереметьев, А.Г. Лазерная связь / А.Г. Шереметьев, Р.Г. Толпарев. - М.: Связь, 1974. - с.384.

14. Островский, Ю.И. Голографическая интерферометрия / Ю.И. Островский, М.М. Бутусов, Г.В. Островская. - М.: Наука, 1978. - 336 с.

15. Ульянов, С.С. Что такое спеклы / Ульянов С.С. // Соросовский Образовательный Журнал. -1999.-№ 5. - с.112-116.

16. Гудмен, Дж.-М. Статическая оптика / Дж.-М. Гудмен. - М.: Мир, 1985. - с.527.

17. Рябухо, В.П. Спекл-интерферометрия / В.П. Рябухо // Соросовский Образовательный Журнал. - 2001. - т.7. -№ 5. - с.112-116.

18. Аранчук, В.М. Гетеродинное детектирование доплеровского сдвига частоты динамических спеклов пространственно разнесенными фотоприемниками / В.М. Аранчук // Оптика и спектроскопия. -1995. - т.78. - № 2. - с.284-287.

19. Аранчук, В.М. О зависимости амплитуды сигнала доплеровского спекл-интерферометра от соотношения между размерами спеклов и приемной апертуры / В.М. Аранчук, H.H. Зацепин // ЖТФ. - 1988. - т.58. - вып.Ю. - с. 2060-2062.

20. Аранчук, В.М. Отношение сигнал/шум в лазерном доплеровском спекл-интерферометре с опорным пучком / В.М. Аранчук // Оптический журнал. - 1994 . -№10.-с. 31-34.

21. Вакман, Д.Е. Измерение частоты аналитического сигнала / Д.Е. Вакман // Радиотехника и электроника. - 1979. - № 5. - с.981-988.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Краснощеков, И.П. Лазерный виброметр повышенной чувствительности / И.П. Краснощеков, А.Н. Самойлов, В.И. Типашев, Л.Д. Морозов // Электроника. -2008. - вып. 6. - с.98-101.

2. Краснощеков, И.П. О принципах и результатах построения оптических систем лазерных доплеровских измерителей вибраций / И.П. Краснощеков, А.И. Пихтелев, H.A. Пихтелев, А.Н. Самойлов // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы "VIII Международной научно-технической конференции, (15-18).09.09. - С.-Петербург. - 2009. - с.66-67.

3. Краснощеков, И.П. Портативный лазерный виброметр / И.П. Краснощеков, Л.Д. Морозов, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и др. // Датчики и системы. - 2009. - №8. -с.30-32.

4. Пихтелев, А.И. Теоретическое и экспериментальное исследование в области лазерной виброметрии для создания приборов нового поколения / А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов, H.A. Пихтелев // Физика и технические приложения волновых процессов: материалы X Международной научно-технической конференции, (11-17).09.11. - Самара, - 2011. - с.100-101.

5. Грязнов, Ю.М. Исследование зеркал Не - Ne лазера методом ОЖЕ -спектроскопии / Ю.М. Грязнов, И.П. Курицын, А.Н. Самойлов и др. // Оптика и спектроскопия. - 1988.- т. 65. - вып. 2. - с.100-101.

6. Грязнов, Ю.М. Лазерный источник излучения для измерительной аппаратуры в области 1,55 мкм / Ю.М. Грязнов, Б.П. Пименов, А.Н. Самойлов и др. // Техника средств связи. - 1986. - вып.2. - с.62-63.

7. Патент № 2287827 РФ, МПК G01P 3/00; G01P 3/68. Способ измерения скорости объектов и фотоэлектронная система для измерения скорости объектов / Толбузов Н.В., Самойлов А.Н., Сипаев А.Р., Туманова Т.А.; заявитель и патентообладатель Н.В. Толбузов, А.Н. Самойлов, А.Р. Сипаев, Т.А. Туманова; заявл. 26.04.05; опублик.20.11.06, № 2005112607. Бюл. № 32.

8. Самойлов, А.Н. Компьютерная оптико-электронная система прецизионного измерения параметров наружной метрической резьбы / А.Н. Самойлов, К.А. Юфимычев // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве: материалы I Всероссийской научно-технической конференции, (3-4).02.1999. - Н. Новгород: ННГУ, 1999. - с.5-8.

9. Будкин, Л.А. Перевозимый абсолютный баллистический гравиметр / Л.А. Будкин, A.M. Кудрявцев, Д.В. Муратов, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и др. // Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение (КВО-2005): материалы Всероссийской конференции, (11-15).04.05. - С.-Петербург, 2005. - с.133.

10. Будкин, Л.А. Перевозимый абсолютный баллистический гравиметр / Л.А. Будкин, A.M. Кудрявцев, Д.В. Муратов, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и др. // Труды Института прикладной астрономии РАН, С.-Петербург: Наука, 2005. -вып.13. - с.264-271.

11. Краснощеков, И.П. Лазерный анализатор вибрационных сигналов ОВЗ-77/ И.П. Краснощеков, А.Н. Самойлов, B.C. Голиков, В.И. Типашев и др. // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: материалы Международной научно-технической конференции, (21-23).06.06. - Самара: СГАУ, 2006. - с.30-31.

12. Краснощеков, И.П. Принципы построения оптических систем лазерных доплеровских измерителей вибраций / И.П. Краснощеков, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и дрЛ Информационные системы и технологии (ИСТ-2009): материалы XV Международной научно-технической конференции. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. - с.34.

13. Краснощеков, И.П. Принципы работы и характеристики лазерного доплеровского измерителя вибраций / И.П. Краснощеков, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и дрЛ Информационные системы и технологии (ИСТ-2010): материалы XVI Международной научно-технической конференции. -Н. Новгород: НГТУ, 2010. -с.20.

14. Пихтелев, А.И. Исследование характеристик рассеянного от объекта лазерного излучения в доплеровском виброметре / А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов, H.A. Пихтелев // Информационные системы и технологии (ИСТ-2011): материалы XVII Международной научно-технической конференции. - Н. Новгород: НГТУ, 2011.-c.27.

15. Пихтелев, А.И. К вопросу о модернизации промышленного лазерного виброметра и перспективах его развития / А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов, H.A. Пихтелев // Информационные системы и технологии (ИСТ-2011): материалы

XVIII Международной научно-технической конференции. - Н. Новгород: НГТУ, 2012. - с.29.

16. Краснощекое, И.П. Лазерный анализатор вибраций / И.П. Краснощекое, А.И. Пихтелев, А.Н. Самойлов и др. // Радиолокация, навигация, связь: материалы XVIII Международной научно-технической конференции. - Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ», 2012. - с. 2132-2144.

Подписано в печать 05.07.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л.1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А.П. Горшкова». 603009, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 176.