Лазерная доплеровская полупроводниковая анемометрия
УДК 53.08
ЛАЗЕРНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ АНЕМОМЕТРИЯ
Владимир Генриевич Меледин
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, тел. (913)939-19-59, e-mail: meledin@itp.nsc.ru; ОАО «Институт оптико-электронных информационных технологий», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1-321, генеральный директор, тел. (383)330-87-82, e-mail: director@ioit.ru
Работа посвящена развитию методов лазерной доплеровской полупроводниковой анемометрии и систем на ее основе для научных исследований, инновационных и импортозамещающих промышленных технологий, широко используемых на крупнейших предприятиях России.
Ключевые слова: лазерная доплеровская анемометрия, полупроводниковые лазеры, оптоэлектронные информационные системы, обработка сигналов.
LASER DOPPLER SEMICONDUCTOR ANEMOMETRY
Vladimir G. Meledin
Kutateladze Institute of Thermophysics SB RAS, 1, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Professor, Chief Researcher, phone: (913)939-19-59, e-mail: meledin@itp.nsc.ru; Institute of Optic-Electronic Information Technologies. Public corporation, 1-321, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, Director General, phone: (383)330-87-82, e-mail: director@ioit.ru
The work is devoted to the development of Laser Doppler Semiconductor Anemometry methods and systems for scientific researches, innovative and the industrial import-substitution technologies that widely used at the largest enterprises of Russia.
Key words: laser Doppler anemometry, semiconductor lasers, optoelectronic information systems, processing of signals.
Введение
Развитие физических основ многих эффективных технологий связано с необходимостью проведения экспериментальных исследований течений жидкостей и газов [1, 2]. Актуальность подобных работ обусловлена необходимостью верификации компьютерных моделей, кодов и симуляций [3]. Особенно важны на сегодня подобные исследования для наукоемких и сложных в реализации областей, связанных с аэрокосмическими, ядерными и химическими технологиями, нефтегазовой промышленностью и металлургией [4-12]. Развитие фотоники, электроники, компьютеров и новой элементной базы стимулировало появление и новых и эффективных методов экспериментальной диагностики.
Лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) – метод бесконтактного измерения скорости движения потоков – в настоящее время широко используется в научных исследованиях и технических приложениях. Информация о скорости
получается при измерении доплеровского сдвига частоты лазерного света, рассеянного взвешенными в потоке и движущимися вместе с ним малыми частицами и фазовыми неоднородностями. Лазерные доплеровские анемометры, выполненные на основе современных достижений фотоники и электроники, обеспечивают необходимый уровень чувствительности, точности и воспроизводимости показаний. Они существенно наукоемки, их структура комплексна, а реализация требует решения проблем из различных областей науки и техники (оптика, лазерная физика, обработка информации, статистическая радиофизика и т.д.).
Со времен первой публикации по лазерной доплеровской анемометрии (Yeh Y., Commins H.Z., 1964) прошло полвека. За это время в нашей стране тематика развивалась различными научными коллективами, особенно значительный вклад внесли, кроме автора, Ю.Н. Дубнищев, В.С. Соболев, П.Я. Белоусов и В.А. Павлов (Новосибирск), а также Б.С. Ринкевичус (Москва). Сегодня лидером в данной области является коллектив, руководимый автором настоящей работы, создающий лазерные доплеровские полупроводниковые анемометры для науки и промышленности. Значительный научный задел при поддержке программы импортозамещения СО РАН обусловил создание отечественных серийных полупроводниковых ЛДА на три года раньше появления лучшего мирового аналога (Dantec) [1]. Ниже представлены результаты работ по лазерной доплеровской полупроводниковой анемометрии.
Методы и материалы
Полупроводниковые инжекционные лазеры видимого диапазона с требуемой для интерферометрии когерентностью при комнатной температуре появились в 80-х годах прошлого века благодаря работам нобелевского лауреата Ж.И. Алферова. Они отличались компактностью, механической прочностью, высоким КПД, низким уровнем шумов и значительной мощностью выходного излучения, превышающей мощность излучения гелий-неоновых лазеров. За прошедшие десятилетия прогресс лазерных диодов был связан с повышением их надежности, замедлением деградации, уменьшением длины волны. Значительное развитие полупроводниковые лазеры получили благодаря многомиллиардным инвестициям со стороны производителей CD, DVD и Blue-ray накопителей информации. Во многом ориентированные на накопители информации, современные полупроводниковые лазеры на основе резонаторов Фабри-Перо имеют некоторые свойства, затрудняющие их непосредственное применение в интерферометрии и доплеровской анемометрии. К ним относятся: диаграмма направленности лазерного пучка, требующая анаморфотных оптических систем; сильная зависимость модового состава и спектральной полосы излучения от тока накачки и температуры; узкий рабочий диапазон тока накачки; значительный разброс параметров полупроводниковых лазерных диодов даже внутри одной партии.
В большинстве известных лазерных доплеровских анемометров пространственный период зондирующего оптического поля определяется длиной волны лазерного излучателя. Поэтому к стабильности длины волны лазерного излучателя предъявляются жесткие требования. Измерительные схемы рассчитаны на работу с высококачественными лазерами, когерентность излучения которых высока, либо с дорогостоящими полупроводниковыми лазерами, имеющими внешние резонаторы, в том числе, волоконные.
Для полупроводниковых лазерных диодов на основе резонатора Фабри-Перо характерен температурный дрейф длины волны 3 – 5 А/°С. Такой же величины скачок может происходить из-за модовой перестройки излучения лазера, например, при повторных включениях, либо при изменениях тока накачки и температуры. При этом вклад нестабильности длины волны (типично X = 650 нм) в относительную погрешность измерения составит 8Х/Х « 0,5%, что в несколько раз превышает значение допустимой для экспериментатора погрешности измерения [3]. Оптические схемы лазерных доплеровских полупроводниковых анемометров должны быть построены так, чтобы результат измерений доплеровского сдвига частоты не был критичен к флуктуациям длины волны лазерного излучения.
Результаты
По указанной причине оптическая схема отечественных серийных лазерных доплеровских полупроводниковых анемометров построена на основе комбинации дифракционного лучевого расщепителя и формирующего объектива [1, 3]. Луч лазера после прохождения анаморфотного преобразователя попадает на коммутируемый дифракционный расщепитель. Используется динамическая фазовая дифракционная решетка, реализуемая в акустооптическом модуляторе бегущей волны и явление дифракции лазерного пучка на движущейся фазовой решетке, образованной периодическим изменением показателя преломления фотоупругой среды под действием акустической волны. Дифракционные коммутационные расщепители работают в брэгговском режиме. При этом мощности всех дифрагированных пучков, кроме первого, становятся пренебрежимо малыми, и после фазовой решетки получаются только два пучка: нулевой и первый. При этом угол дифракции Брэгга равен 0 = Х/(2Л), где Л – период дифракционной решетки. Дифракция Брэгга реализуется при частотах акустической волны порядка 20 – 100 МГц (как правило, 80 МГц).
Расщепленные пучки отражаются от локальных зеркальных покрытий на поверхности поворотного зеркала 11 и формирующим объективом направляются на измеряемую светорассеивающую частицу в потоке (рисунок). Когерентное изображение движущейся в зондирующем поле поверхности измеряемой частицы формируется на фотоприемнике 13. Для формирования измерительного объема точка расщепления дифрагированных пучков переносится в исследуемый измерительный объем с угловым увеличением р. Лазерные лучи, соот-
ветствующие первому и нулевому порядкам дифракции, пересекаются в плоскости изображения под углом 2р0. В области пересечения эти лучи образуют интерференционное поле с пространственным периодом Л1 = À/(2p©), причем, подставляя в величину 20, получаем, что Л1 = Л/р, и результат измерений не зависит от спектральных параметров излучателя – полупроводникового лазера.
Radiant of laser radiation
Структура отечественного серийного лазерного доплеровского полупроводникового анемометра серии ЛАД-0**
Пространственный период интерференционной картины, формируемой ахроматическим объективом в измерительном объеме, не зависит от длины волны лазерного излучателя. Он определяется только периодом дифракционной решетки в акустооптическом коммутационном брэгговском расщепителе и угловым увеличением оптической системы (патент РФ №1431498). Оптические
схемы лазерных полупроводниковых доплеровских анемометров на основе комбинации главного объектива с дифракционным лучевым расщепителем существенно снижают спектральные требования к характеристикам лазеров и позволяют использовать в лазерных доплеровских анемометрах массовые надежные и недорогие лазерные диоды.
Лазерные доплеровские полупроводниковые анемометры с дифференциальной конфигурацией зондирующего поля на брэгговской несущей частоте позволяют локально определять ортогональные компоненты вектора скорости исследуемого потока в режиме временного разделения оптико-электронных измерительных каналов.
Луч инжекционного полупроводникового лазера 1 после прохождения согласующих оптических элементов попадает на акустооптические модуляторы 2, 3, бегущие ультразвуковые волны в которых направлены по осям Х и У. На выходах модуляторов, работающих в режиме дифракции Брэгга, формируются три световых пучка, дифрагированных в нулевой, Х-минус и У-минус первый порядки. Расщепленные пучки проходят последовательно через поворотные призмы 4, 12, диэлектрическое зеркало с фасонным покрытием 11 и объективом 9 направляются в локальную исследуемую область, скорость потока в которой необходимо измерить.
Пересекаясь в потоке, лазерные пучки образуют интерференционное поле с заданной периодической структурой. Его изображение в рассеянном свете формируется оптическими элементами на светочувствительной поверхности фотоприемника 13. Размер изображения ограничивается полевой диафрагмой, определяющей параметры пространственной фильтрации в фотоприемном тракте. В качестве излучателя используется серийный инжекционный полупроводниковый лазер Фабри-Перо видимого диапазона на квантоворазмерных структурах, работающий в основной моде с линейной поляризацией выходного когерентно-оптического излучения.
При пересечении светорассеивающей частицей зондирующего оптического поля на выходе фотоприемника появляется радиоимпульс фотоэлектрического сигнала, частота которого есть известная линейная функция доплеровско-го сдвига частоты, а длительность равна времени прохождения светорассеива-теля через интерференционное поле. Усилители-коммутаторы 15 и 16 включают модуляторы 2 и 3, а также синхронно подключают к фотоприемнику 13 квадратурный смеситель 18 и доплеровский сигнальный препроцессор 17 после поступления на его вход радиоимпульсов сигнала.
Переключение оптических каналов коммутируемыми в противофазе аку-стооптическими брэгговскими модуляторами-расщепителями происходит в моменты времени, когда сигналы стробирования отсутствуют, и накопления информации сигнальный процессор не ведет. Тем самым исключены коммутационные помехи и взаимное влияние оптоэлектронных измерительных каналов. Акустооптические коммутаторы-усилители имеют следующие параметры: коэффициент стоячей волны – 1,1; эффективность – 80%; коэффициент пропуска-
ния 96%; коэффициент контрастности 1000:1; время нарастания импульса лазерного излучения при диаметре падающего пучка 0,2 мм – 40 нс.
Фотопреобразователи ЛДА оптимизированы под измерения в многофазных потоках со значительной концентрацией твердой фазы, имеет защиту от импульсных оптических перегрузок. Использованные при разработке изделия методы параметрической стабилизации характеристик фотоэлектрических преобразователей и схемотехника ориентированы на работу в многоспекловом и счетно-фотонном режимах. Они специально разработаны с учетом специфики доплеровских когерентно-оптических сигналов [1, 2].
Сигнальные процессоры предназначены для комплексной демодуляции доплеровского радиосигнала. В них реализованы метод временной селекции и управление выбором оптического измерительного канала. В сочетании с компьютерным программным сигнальным процессором обеспечивается автоматическая адаптивная коммутация оптических измерительных каналов и измерение ортогональных компонент вектора скорости [4, 13-22].
Обсуждение
В лазерных полупроводниковых анемометрах реализован ряд новых и оригинальных технических решений. В их числе анаморфотные оптические схемы, позволившие применить современные мощные полупроводниковые лазеры с ограниченной степенью пространственной и временной когерентности, новая встроенная система обработки сигнала на основе параллельных программируемых логических структур БРОЛ, а также новая методика адаптивного выделения доплеровской частоты. Оптоэлектронные методы селекции вектора скорости светорассеивателей в малых телесных углах обеспечили существенное увеличение чувствительности и расширение функциональных возможностей. Полупроводниковые анемометры содержат элементы пассивной аэродинамической защиты наружных оптических поверхностей от пыли и атмосферного аэрозоля. Оптические элементы сконструированы с учетом сохранения их параметров при изменении внешних температурных условий и уровней концентрации лучевой энергии. Жесткая фиксация оптических элементов не допускает отклонений при механических воздействиях и температурных перепадах.
Результаты работ по лазерной доплеровской полупроводниковой анемометрии внедрены и успешно используются в энергетике для изучения кавита-ционных процессов и снижения эрозии в элементах гидроагрегатов, исследования обтекания и оптимизация формы лопаток паровых турбин (ОАО «Силовые машины – ЛМЗ»), диагностики процессов в топочных камерах, горелках (ИТ СО РАН). На транспорте для натурных испытаний авиационных и ракетных двигателей (ФГУП «ВО Внештехника», СГАУ), испытания моделей летательных аппаратов и изделий ракетно-космической техники (КГТУ-КАИ, ИТПМ СО РАН), оптимизации и диагностики топливных форсунок авиационных двигателей, процессов перемешивания в камерах сгорания перспективных авиационных двигателей (ОАО «Авиадвигатель»), изучения потоков теплоносителя в
моделях атомных силовых установок (ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС»), оптимизации формы подводных лодок (ФГУП «Крыловский государственный научный центр»), диагностики распространения лесных пожаров и разработки средств пожаротушения (ТПУ, ФГБУ ВНИИПО МЧС России) и др. [1, 2, 4].
Заключение
Разработаны научные основы лазерной доплеровской полупроводниковой анемометрии, на этой базе созданы многие уникальные измерительные системы и технологии прорывного характера, успешно внедренные и эффективно работающие в науке, промышленности и на транспорте, отмеченные Государственными премиями Правительства РФ по науке и технике (2021, 2021). Предложены и практически реализованы принципы построения информационных диагностических доплеровских систем с оптоэлектронной и программной обработкой информации на мощных полупроводниковых лазерах с ограниченной пространственной и временной когерентностью.
Разработаны и реализованы устойчивые методы обработки сложных широкодиапазонных сигналов лазерных доплеровских информационных диагностических систем при обратном светорассеянии естественными взвесями в потоке в условиях фотонного ограничения. Создана линейка отечественных лазерных доплеровских полупроводниковых анемометров для измерений полей физических величин в газожидкостных многофазных потоках серии «ЛАД-0**». Системы внедрены на десятках предприятий и научно-образовательных учреждений и используются в рамках работ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники в Российской Федерации, в том числе для повышения безопасности на объектах атомной и гидроэнергетики, космических и транспортных систем. Результаты применения и реакция пользователей подтверждают высокий научно-технический уровень, во многом превосходящий лучшие иностранные аналоги.
Работа выполнялась при частичной поддержке программы импортоза-мещения СО РАН и гранта РНФ № 14-29-00093.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Меледин В. Г. Информационная оптоэлектронная диагностика. Наука и инновационные промышленные технологии / Отв. редактор член-корр. РАН С. В. Алексеенко. – Новосибирск : Академиздат, 2021. – 173 с.
2. Меледин В. Г. Оптоэлектронные информационные системы для науки и промышленности // Интерэкспо Гео-Сибирь-2021. X Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2021»: сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2021 г.). – Новосибирск : СГГА, 2021. Т. 1. – С. 3-12.
3. Pribaturin N. A., Meledin V. G., Glavny V. G. Measurement of local parameters of a liquid flow using electrical impedance sensors // Eurasian Physical Technical Journal. – 2021. -Vol. 13 (25). – Р. 11-16.
4. Meledin V. Optoelectronic measurements in science and innovative industrial technologies // Optoelectronic Devices and Properties. – Chapter 18. – Suffolk, UK: INTECH, 2021. – P. 373399.
5. Kabardin I. K., Meledin V. G., Yavorskiy N. I., Pavlov V. A., Pravdina M. H., Kulikov D. V., Rahmanov V. V. Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square cross-section // International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2021). AIP Conference Proceeding 1770. – P. 030003-1-030003-9.
6. Rakhmanov V., Kulikov D. The analysis of applicability of the refractive-index-matching method for flow investigation by LDA method in models of the fire chambers of complex geometry // Thermophysical Basis of Energy Technologies, EPJ Web of Conferences, 2021. – Vol. 76. -1008-4.
7. Dremov S. V., Shtork S. I., Skripkin S. G., Kabardin I. K. An experimental investigation of the interaction between a pair of precessing vortices in a tangential vortex chamber // Journal of Physics: Conf. Series. – 2021. – Vol. 754. – P. 022003.
8. Kabardin I. K., Meledin V. G., Yavorskiy N. I., Pavlov V. A., Pravdina M. H., Kulikov D. V., Rahmanov V. V. Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square cross-section // XVIII International Conference on the Methods of Aerophysical Research (Perm, Russia, June 27 – July 3, 2021). – Perm, 2021. – P. 110-111.
9. Alekseenko S. V., Anufriev, I. S. Glavniy V. G., Krasinsky D. V., Rakhmanov V. V., Salomatov V. V., Shadrin E. Yu. Study of 3D Flow Structure and Heat Transfer in a Vortex Furnace // Heat Transfer Research. – 2021. – Vol. 47 (7). – P. 653-667.
10. Кабардин И. К., Меледин В. Г., Яворский Н. И., Павлов В. А., Правдина М. Х., Куликов Д. В. Маловозмущающая температурная диагностика вихревой трубы квадратного сечения // Труды Пятой Междунар. конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 19-22 октября 2021 г.). – Казань, 2021. – С. 78-79.
11. Kabardin I., Meledin V., Yavorsky N., Pavlov V., Pravdina M., Kulikov D., Polyakova V. Comparing Ranque tubes of circular and square cross section // MATEC Web of Conferences 115, 02022 (2021).
12. Куликов Д. В., Меледин В. Г., Яворский Н. И., Павлов В. А., Правдина М. Х., Ка-бардин И. К. Бесконтактная диагностика кинематики потока в вихревой трубе квадратного сечения // Труды Пятой Международной конференции «Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках» (Казань, 19-22 октября 2021 г.). – Казань, 2021. – С. 80-81.
13. Klimov A. V., Glavnyi V. G., Bakakin G. V., Meledin V. G. Spectral method for processing signals of a high-accuracy laser radar // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2021. – Vol. 52 (5). – P. 1-7.
14. Klimov A., Glavny V., Dvoynishnikov S., Bakakin G., Meledin V. Frequency estimation of noised periodic signal by part of period // International Conference on Applied Social Science and Information Technology (ASSIT-ICHSS 2021). – Thailand, 2021. – P. 227-229.
15. Budko A. Yu., Medvedev M. Yu., et al. Analysis of ion current integral characteristics for estimation of combustion process parameters in internal combustion engines // International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research. – 2021. – Vol. 6 (3). – P. 188-193.
16. Dvoynishnikov S., Bakakin G., Meledin V., Rahmanov V. Phase images processing using parallel programming // International Conference on Mechatronics, Control and Automation Engineering (MCAE2021) (Bangkok, Thailand, July 24-25, 2021). – Bangkok, 2021. – P. 178-181.
17. Климов А. В., Главный В. Г., Рахманов В. В. Об одном подходе к оцениванию частоты синусоидального сигнала с помехами // Восьмая Междунар. молодежная научная школа-конференция «Теория и численные методы решения обратных и некорректных задач» (Новосибирск, 1-7 сентября, 2021). – Новосибирск, 2021. – С. 71.
18. Dvoinishnikov S. V., Meledin V. G., Glavnyi V. G., Naumov I. V., Chubov A. S. Estimation of optimal frequency of spatial modulation of the radiation of 3D measurements // Measurement Techniques. – 2021. – Vol. 58 (5). – P. 506-511.
19. Dvoynishnikov S., Meledin V., Pavlov V. Integrated assessment method of impulse response in optical system of 3D scanner with phase triangulation / International Conference on Computer Science and Environmental Engineering (CSEE2021) (Beijing, China, May 17-18, 2021). – Beijing, 2021. – P. 527-531.
20. Kabardin I. K., Dvoynishnikov S. V, Meledin V. G., Naumov I. V. The distant diagnostics of transparent ice on wind turbine blades on the basis of total internal reflection // Journal of Engineering Thermophysics. – 2021. – № 4. – P. 504-508.
21. Рахманов В. В., Меледин В. Г., Наумов И. В., Куликов Д. В. Пат. 2612202 Российская Федерация, МПК G 01 Р 3/36. Способ измерения полного вектора скорости в гидропотоках с помощью лазерного доплеровского анемометра (ЛДА); патентообладатель ИТ СО РАН. – № 2021148289; заявл. 10.11.2021; опубл. 03.03.2021, Бюл. № 7.
22. Klimov A. V., Dvoinishnikov S. V., Meledin V. G., Kulikov D. V., Krotov S. V., Shchepikhin I. V. Determination of the three-dimensional velocity vector using the laser Doppler measurements of unevenly sampled components // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2021. – Vol. 53 (3). – P. 216-222.
REFERENCES
1. Meledin, V. (2021). Information optoelectronic diagnostics. The science and innovative industrial technologies / Novosibirsk: Academizdat. ISBN978-5-9907241-7-4.
2. Meledin, V. (2021). Optoelectronic information systems for science and industry. In Sbornik materialov Interekspo Geo-Sibir’-2021: Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii: T. 1. Sib0ptika-2021 [Proc. of Interexpo GE0-Siberia-2021: International Scientific Conference: Vol. 1. Sib0ptics-2021] (pp. 3-12). Novosibirsk: SSGA [in Russian].
3. Pribaturin, N. A., Meledin, V. G., & Glavny, V. G. (2021). Measurement of local parameters of a liquid flow using electrical impedance sensors. Eurasian Physical Technical Journal, 13(25), 11-16. ISSN 1811-1165.
4. Meledin, V. (2021). Optoelectronic Measurements in Science and Innovative Industrial Technologies / Suffolk, UK: INTECH, 373-399. ISBN 978-953-307-204-3.
5. Kabardin, I., Meledin, V., et al (2021). Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square cross-section. In International Conference on the Methods of Aerophysical Research (ICMAR 2021). AIP Conference Proceeding 1770, 030003-1-030003-9. doi: 10.1063/1.4963945.
6. Rakhmanov, V., & Kulikov, D. (2021). The analysis of applicability of the refractive-index-matching method for flow investigation by LDA method in models of the fire chambers of complex geometry. In Thermophysical Basis of Energy Technologies, EPJ Web of Conferences, Vol. 76, 1008-4.
7. Dremov, S., Shtork, S., Skripkin, S., & Kabardin, I. (2021). An experimental investigation of the interaction between a pair of precessing vortices in a tangential vortex chamber. In Journal of Physics: Conf. Series. 2021. Vol. 754, 022003. doi:10.1088/1742-6596/754/2/022003.
8. Kabardin, I., Meledin, V., Yavorskiy N., et al. (2021). Small disturbance diagnostic inside the vortex tube with a square cross-section. In XVIII International conference on the methods of aerophysical research, June 27- July 3, 2021, Perm, Russia (pp. 110-111).
9. Alekseenko, S., Anufriev, I., Glavniy, V., et al. (2021). Study of 3D flow structure and heat transfer in a vortex furnace. Heat Transfer Research, 47(7), 653-667. doi: 10.1615/HeatTransRes.2021015721.
10. Kabardin, I., Meledin, V., Javorskij, N., Pavlov, V., Pravdina, M., & Kulikov, D. (2021). Low revolting temperature diagnostics of vortical pipe of square section. In Fifth International conference “Heat-mass exchange and hydrodynamics in the twirled streams”, October, 19-22th, 2021, Kazan (pp. 78-79) [in Russian].
11. Kabardin, I., Meledin, V., Yavorsky, N., Pavlov, V., Pravdina, M., Kulikov, D., & Polyakova, V. (2021). Comparing Ranque tubes of circular and square cross section. In MATEC Web of Conferences 115, 02022 (2021). doi: https://doi.org/10.1051/ matecconf/202111502022.
12. Kulikov, D., Meledin, V., Javorskij, N., Pavlov, V., Pravdina, M., & Kabardin, I. (2021). Contactless diagnostics of kinematics of stream in vortical pipe of square section. In Fifth International conference “Heat-mass exchange and hydrodynamics in the twirled streams”, October 19-22th, 2021, Kazan (pp. 80-81) [in Russian].
13. Klimov, A. V., Glavnyi, V. G., Bakakin, G. V., & Meledin, V. G. (2021). Spectral method for processing signals of a high-accuracy laser radar. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 52(5), 1-7. ISSN 8756-6990.
14. Klimov, A., Glavny, V., Dvoynishnikov, S., Bakakin, G., & Meledin, V. (2021). Frequency estimation of noised periodic signal by part of period. In Int. Conf. on Appl. Social Science and Information Technology (ASSIT-ICHSS), Thailand (pp. 227-229).
15. Budko, A. Yu., Medvedev, M. Yu., Budko, R. Yu., Ivashin, P. V., Tverdokhlebov, A. Ya., Gerasimov, D. N., & Rakhmanov, V. V. (2021). Analysis of ion current integral characteristics for estimation of combustion process parameters in internal combustion engines. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, 6(3), 188-193.
16. Dvoynishnikov, S., Bakakin, G., Meledin, V., & Rahmanov V. (2021). Phase Images Processing using Parallel Programming. In 2021 International Conference on Mechatronics, Control and Automation Engineering (MCAE2021), July 24-25, 2021, Bangkok, Thailand (WOS) (pp. 178181).
17. Klimov, A., Glavnuy, V., & Rahmanov, V. (2021). To one approach to sinusoidal signal with hindrances frequencies estimation. In 8-th international youth scientific school-conference “Theory and numerical methods of the decision of return and incorrect problems”. Novosibirsk, Academgorodok, September, 1-7st, 2021 (p. 71).
18. Dvoinishnikov, S. V., Meledin, V. G., Glavnyi, V. G., Naumov, I. V., & Chubov, A. S. (2021). Estimation of optimal frequency of spatial modulation of the radiation of 3D measurements. Measurement Techniques, 58(5), 506-511.
19. Dvoynishnikov, S., Meledin, V., & Pavlov, V. (2021). Integrated assessment method of impulse response in optical system of 3D scanner with phase triangulation. In 2021 International Conference on Computer Science and Environmental Engineering (CSEE2021), May 17-18, 2021, Beijing, China (pp. 527-531). ISBN: 978-1-60595-240-6.
20. Kabardin, I. K., Dvoynishnikov, S. V, Meledin, V. G., & Naumov, I. V. (2021). The distant diagnostics of transparent ice on wind turbine blades on the basis of total internal reflection. Journal of Engineering Thermophysics, 4, 504-508.
21. Rahmanov, V., Meledin, V., Naumov, I., & Kulikov, D. (2021). Patent RF No 2612202. The method of measurement of full speed vector in hydrostreams by means of laser Doppler ane-mometry (LDA), publ. 03.03.2021, Bull. No 7.
22. Klimov, A. V., Dvoinishnikov, S. V., Meledin, V. G., Kulikov, D. V., Krotov, S. V., & Shchepikhin, I. V. (2021). Determination of the three-dimensional velocity vector using the laser Doppler measurements of unevenly sampled components. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 53(3), 216-222.
© В. Г. Меледин, 2021
Определение знака направления потока
Функция преобразования доплеровской частоты в скорость для частоты, сдвигаемой системой LDA.
Сдвиг частоты, получаемый с помощью ячейки Брэгга, приводит к перемещению интерференционных полос с постоянной скоростью. Неподвижные частицы дадут сигнал частоты сдвига fсдвиг. Скорости Vпол. и Vотр. дадут частоты сигнала fпол. и fотр., соответственно.
Системы LDA без сдвига частоты не могут различать положительные и отрицательные направления потока или измерять нулевую скорость.
Системы LDA могут определять направление потока и измерять нулевую скорость.
Измерения двух и трех компонент
Для измерения двух компонент скорости в оптическую схему в плоскость, перпендикулярную плоскости первых пучков, можно добавить два дополнительных пучка.
Все три компоненты скорости можно измерить с помощью двух отдельных датчиков, измеряющих одну и две компоненты, с пересечением всех пучков в общем пространстве, как показано на рисунке ниже. Для разделения измеряемых компонент используются разные длины волн. Для регистрации рассеянного света трех длин волн используется три фотодетектора с соответствующими интерференционными фильтрами.
Оптика LDA для измерения трех компонент скорости.
В современных системах LDA используются компактные передающие блоки, состоящие из ячейки Брэгга и цветовых расщепителей пучка для получения до 6 пучков: пучки трех цветов со сдвигом и без сдвига частоты. Эти пучки пропускаются к датчикам через оптические волокна.
Наполняющие частицы
Жидкости часто содержат достаточное количество естественных наполняющих частиц, в то время как для газов в большинстве случаев требуется добавление таких частиц.
В идеальном случае частицы должны быть достаточно маленькими, чтобы они могли переноситься потоком, но довольно большими для рассеяния достаточного количества света для получения хорошего соотношения «сигнал/шум» на выходе фотодетектора.
Как правило, размер частиц находится в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Материал частиц может быть твердым (порошок) или жидким (капли).
Разработка лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы
1. Алехин В. И., Корытцев И. В., Сидоров Г. И. Оценка погрешности измерения компонент скорости ветра и температуры радиолокационно-акустическим методом. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. с. 335-336.
2. Алехин В. И., Рыженко А. И., Сидько В. И., Сидоров Г. И. Измерение скорости ветра непрерывным доплеровским акустическим локатором в условиях аэропорта. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. — с. 322-324.
3. Ахманов С.А. Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. – 656 с.
4. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М.: Мир, 1974.-464 с.
5. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. — М.: Наука, 1980. — 976 с.
6. Брысин Н.Н. Акустооптический измеритель малых продольных перемещений. // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №, М.: Изд-во МГАПИ, 2004. – с. 6-9.
7. Брысин Н. Н. Применение дифференциальных схем лазерных доплеровских анемометров сопряженных с ЭВМ // Новые информационные технологии: Сборник трудов VIII Всероссийской научно-технической конференции (г. Москва, 2005 г.) М.: МГАПИ, 2005.-с. 134-141.
8. Брысин Н.Н., Шелемехов И.Н. Акустооптический метод измерения скорости ветра // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №6, М.: Изд-во МГАПИ, 2004. – с. 64-70.
9. Брысин Н.Н. Двухлучевой интерферометр на основе ячейки Брегга // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды III Международного семинара. Сентябрь 2004 г., Алушта. М.: Изд-во МГУ, 2004. – с. 153-155.
10. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу PJIC./ Н. П. Красюк, В. JI. Коблов, В. Н. Красюк. М.: Радио и связь, 1988. – 216 с.
11. Гельман М.М. Аналогово-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во стандартов, 1989. -320 с.
12. Грановский В. А. Динамические измерения: Основы метрологического обеспечения. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. – 220 с.
13. Гроздовский Г.Л. В кн.: Физические методы исследования прозрачных неоднородностей. М., НТО «Машпром», 1977, с. 13-17.
14. Гроздовский Г.Л. Учен. зап. ЦАГИ, 1974, 5, №2, с. 91-92.
15. Делов И. А., Тарасенко О. А., Дмитриенко О. Т. Рудакова Н. А. Импульсная акустическая система для дистанционного зондирования параметров нижней атмосферы. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. — с. 324-327.
16. Довиак Р., Зрнич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. / Перевод под ред. А. А. Черникова. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.-513 с.
17. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной доплеровекой анемометрии. — М.: Наука, 1982. — 304 с.
18. Дюррани Т., Грейдит К. Лазерные системы гидродинамических измерениях: Пер. с англ. — М.: Энергия, 1980. 336 с.
19. Ермаков О. Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. -416 с.
20. Зуев В. Е. Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей. М.: Советское радио, 1966. – 316 с.
21. Зуев В.Е. Распространение лазерного излучения в атмосфере. М.: Радио и связь, 1981. – 288 с.
22. Зуев В.Е., Наац И.Е. Обратные задачи лазерного зондирования атмосферы. — Новосибирск: Наука, 1982. — 282 с.
23. Информационно-измерительная техника и технологии. / Ред. Раннев Г. Г. М.: Высшая шк., 2001.-317 с.
24. Иванов А. А., Мельничук Ю. В., Моргоев А. К. и др. Доплеровские радиолокационные наблюдения воздушных движений в мощных конвективных облаках. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. с. 332 – 335.
25. Каллистратова М. А., Кредер Й., Петенко И. В., Тиме Н. С. Опыт измерения скорости ветра методом акустического зондирования. // Радиометеорология. Труды VI Всесоюзного совещания, Таллин, 20-23 апреля 1982 г. с. 319-322.
26. Качурин Л. Г. Методы метеорологических измерений. JL: Гидрометеоиздат, 1985 г. -456 с.
27. Калашников В.В. Применение информационно-измерительных систем в метеорологии гидрологии. М.: Машиностроение, 2000. — 231 с.
28. Калитеевский Н. И. Волновая оптика: Учеб. Пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая шк., 1995. – 463 с.
29. Клочков В.П., Козлов Л.Ф. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерференция. Киев: Наукова думка, 1985. — 760 с.
30. Креков Г.М., Рахимов Р.Ф. Оптико-локационная модель континентального аэрозоля. – Новосибирск: Наука, 1982. — 198 с.
31. Лазерное доплеровское измерение скорости потоков жидкости и и газов. / Под ред. Г. Л. Гроздовского. М., 1976, 420 с. – (ОНТИ ЦАГИ; № 481)
32. Лазерный контроль атмосферы / Р.Т. Коллис, Э. Д. Хинкли, X. Инава и др. М.: Мир, 1979. – 416 с.
33. Мак-Картни Э.Д. Оптика атмосферы: Рассеяние света молекулами и частицами. М.: Мир, 1979. – 421 с.
34. Моргунов Т. Квант. Электрон., 1978, 5, № 4, с. 765-769.
35. Назаров Н.Г. Метрология. Основные понятия и математические модели. М.: Высшая школа, 2002. — 348 с.
36. Нил М., Мьюто А. Динамический контроль аналого-цифровых преобразователей // Электроника, 1982, № 4. с. 49-57.
37. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории и расчета информационно-измерительных систем. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1991. -336 с.
38. Основные термины в области метрологии. / Юдин М. Ф., Селиванов М. Н., Тищенко О. Ф., Скороходов А.И.: Под ред. Тарбеева Ю. В. М.: Изд-во стандартов, 1989. – 112 с.
39. Павлов А. В. Оптико-электронные приборы (Основы теории и расчета). М.: Энергия, 1974 г. – 360 с.
40. Пахомов И. И., Рожков О.В., Рождествин В. Н. Оптико-электронные квантовые приборы: Учеб. пособие для вузов. Под ред. И. И. Пахомова. -М.: Радио и связь, 1982.-456 с.
41. Ребрин Ю.К. Управление оптическим лучом в пространстве. М.: Советское радио, 1977. – 336 с.
42. Ринкевичус Б.С. Янина Г.М. Турбулентные двухфазные течения — Таллин: Ин-т термо- и электрофиз. АН ЭССР, 1976. 162 с.
43. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. -592 с.
44. Рыхов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 1. М.: Наука, 1976.
45. Саржевский A.M. Оптика. Полный курс. Изд 2-е. — М.: Едиториал УРСС, 2004. 608 с.
46. Сигналы и помехи в лазерной^ локации. / В. М. Орлов, И. В. Самохвалов, Г. М. Креков и др.; Под ред. В. Е. Зуева. М.: Радио и связь, 1985.-264 с.
47. Смеркалов В. А. Прикладная оптика атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1997.— 335 с.
48. Смирнов В. И., Тимофеев А. С. Труды МЭИ. Физ. Оптика, 1981, № 519, с. 41-47.
49. Смоктий О.И., Кобякова Н.В. Адаптивные оптические модели земной атмосферы. СПб, 1990.
50. Смоктий О.И., Аниконов А.С, Кобякова Н.В. Моделирование оптических характеристик полидисперсного аэрозоля. JI, 1990.
51. Титов А. А. Некоторые вопросы измерения положения объекта гетеродинным методом. // Автометрия, 1991, №2. с. 91-93.
52. Филиппов В. JI., Мирумянц С. О. Анализ среднестатистических спектральных зависимостей коэффициента аэрозольного ослабления в области 0,59 10 мкм. – Изв. вузов СССР. Сер. Физика, 1972, № 10, с. 103106.
53. Франсон Н., Сланский С. Когерентность в оптике. -М.: Наука, 1967. -220 с.
54. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование: Учеб. Пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Энергатомиздат, 1985. – 439 с.
55. Цифровая обработка сигналов. / А. Б. Сергиенко. СПб.: Питер, 2002. -608 с.
56. Элементы теории светорассеяния и оптическая локация. / Под ред. В.И. Орлова. Новосибирск: Наука, 1982 г. – 252 с.
57. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2004. — 472 с.
58. Abreu V. J. Appl. Opt., 1979, 18, N 17, p. 2992-2997.
59. Adrian R. J., Goldstein R. J. “Analysis of a laser Doppler anemometer” in Selected papers on laser Doppler velocimetry. R. J. Adrian, Editor. SPIE Milestone Series vol. MS 78. p. 58-64 (1993).
60. Archbold E., Ennos A. E. The engineering uses of holography. — London; NewYork: Cambridge Univ. press, 1972. 489 p.
61. Banakh V., Smalikho I., Kopp F., Rahm F., Werner C. “Laser Doppler wind sensor in the atmospheric boundary layer” in Lidar and Atmospheric Sensing, Richard J. Becherer, Editor, Proc. SPIE 2505, p. 103-111 (1995).
62. Barnes H. В., Farmer W. M. Appl. Opt., 1980, 19, N 17, p. 2930-2933.
63. Bartlett K. G., She C. L. J. Opt. Soc. Amer., 1979, 69, N 3, p. 455-459.
64. Bartlett K. G., She C. L. Appl. Opt., 1976, 15, N 8, p. 1980-1983.
65. Bazsun P. Ocena maksymalnogo bledu dynamicznogo przetwornika A/C szeregowo-rownoleglego porownania// Pomiary, automatyka, kontrola, 1979. N 11. S. 400-402.
66. Cole J. В., Swords M. D., Thomans P. S. J. Phys. D, 1980, 13, N 7, p. 1137-1143.
67. Eberhardt E. H. Appl. Opt., 1967, 6, p. 252-255.
68. Eberhard W. L., Schotland R. M. Ibid., 1980, 19, N 17, p. 2967-2976.
69. F.T. Majo Jr. Simplified laser Doppler velocimeter optics./ Journal of physics E.: Scientific Instruments. Vol. 3. pp. 235 237. (1970).
70. Farmer W. M., Brayton D. B. Ibid., 1971, 10, N 10, p. 192-198.
71. Franson M. Optical interferometry. New York: Acad. Press, 1966 – 432 p.
72. Goldstein R. J., Adrian R. J.-Rev. Sci. Instrum., 1971, v. 42, №9, p. 1317.
73. Grandl Jr.-Trans. ASME, 1975, 197, N 1, p. 113-116.
74. Greated C.A.-J. Phys. E, 1971, 4, N3, p. 585-588.
75. Hanson S. J. Phys. E, 1978, 11, N 3, p.203-206.
76. Huffkaer R. M., Jelalian A. V., Thomson J. A. L. Proc. IEEE, 1970, 58, N .2, p. 322-331.
77. Hwang I. H. “Portable aerosol lidar using fiber-coupled diode laser” in Lidar
78. Remote Sensing for Environmental Monitoring IV, edited by Upendra N. Singh, Proceedings of SPIE Vol 5154 (SPIE. Bellingham. WA. 2003), p. 24-30.
79. Jabczynski J. K., Szczesniak A. “Digital processing of Doppler signals by means of fast Fourier transform” in Optical Velocimetry, Maksymilian Pluta, Editor, Proc. SPIE 2729, p. 103-109 (1996).
80. Kavaya M. J., Koch G. J., Petros M. et al. “Testbed Doppler wind lidar and intercomparison facility at NASA Langley Research Center” in Lidar remote sensing for industry and environment V, Upendra N. Singh, Kohei Muzutani,
81. Editors, Proc. SPIE 2956, p. 167-174 (1994).
82. Keipert A., Giggenbach D. “Design of a compact semiconductor laser wind sensor” in Lidar and Atmospheric Sensing, Richard J. Becherer, Editor, Proc. SPIE 2505, p. 112-120(1995).
83. Kennedy L. Z., Bilbro J. W. Appl. Opt., 1979, 18, N 17, p. 3010-3013.
84. Kenkuchi O., Tsutoma Y. In: Measur. Flow Proc. IMEKO Symp. Flow Measur and Contr. Ind., Tokyo, 1979, Tokyo, 1980, p. 181-186.
85. Kerry A. T. AIAA Paper, 1976, N 76 – 333, p. – 1-9.
86. Kobayashi Т., Mizoguchi Y., Matsumura Т., Kawato S. “Development of acompact direct-detection Doppler lidar system for wind profiling” in Lidar
87. Remote Sensing for Industry and Environment Monitoring, edited by Upendra N. Singh, Toshikasu Itabe, Nobuo Sugimoto. Proceedings of SPIE Vol 4153 (SPIE. Bellingham. WA. 2001), p. 329-338.
88. Kobayashi Т., Sun D., Hironaka A. “Development of UV aerosol and molecular scattering lidar for wind and temperature measurement”, International Laser Sensing Symposium ILSS’99, S4-3, p. 165-168, 1999.
89. Krawczyk R., Ghibaudo J., Labandibar J., Willetts D. V. et al. “ALADIN: an atmosphere laser Doppler wind lidar instrument for wind velocity measurements from space” in Lidar Techniques for Remote Sensing II, Christian Werner,
90. Editor, Proc. SPIE 2581, p. 178-190 (1995).
91. Landing L., Jenser A. S., Fog C. et al. Appl. Opt., 1978, 17, N 10, p. 19861988.
92. Laser velocimetry and particle sizing/ Eds. H. D. Thompson, W. H. Stevenson. Washington etc.: Hemisphere publ. Corporat. 1978. 554 p.
93. Lawson R., Paul C. J. Appl. Meteorol., 1979, 18, N 10, p. 1362-1368.
94. McKay J. A. “Edge filter and fringe imaging for laser Doppler wind speed measurement” in Laser Radar Technology and Applications II, Gary W. Kamerman, Editor, Proc. SPIE 3065, p. 420-428 (1997).
95. McKay J. A., Wilkerson T. D. “Direct-detection wind-speed Doppler lidar systems” in Application of Lidar to Current Atmospheric Topics II, Arthur J. Sedlacek III, Kenneth W. Fischer, Editors, Proc. SPIE 3127, p. 42-53 (1997).
96. Morse T. D.-J. Phys., 1978, El 1, N 2, p. 137-139.
97. Moshuba A. J. Jap. Soc. Aeronaut. And Space Sci., 1977, 25, N 280, p. 510-516.
98. Odiss M. Opt. Lett., 1977, 1, N 5, p. 175-178
99. Owens J. C. Appl. Opt., 1977, 16, N5, p. 1145-1152.
100. Post M. J. Appl. Opt., 1979, 18, N 15, p. 2645-2653.
101. Reach S. J. Phys. E, 1977, 10, N 10, p. 1009-1013.
102. Roccato D. Remote Sens. Environ., 1974, 3, N 4 , p. 219-227.
103. Rudi S. In: Proc. 13th Int. Congr. High Speed Photogr. And Photonics. Tokyo, 1979, p. 101-108.
104. Shinizu H., Sasano Y., Yasuoka Y. et al. Ogo buturi, 1981, 50, N 6, p. 616-620.
105. Smart A. E., Moore C. J. AIAA Journal, 1976, 14, N3, p. 363-370.
106. Wall L. S. J. Opt. Soc. Amer., 1974, 25, N 4, p. 498-500.
107. Watraisiewicz B. W., Rudd M. J. Laser doppler measurements. -London; Boston: Buttermorth and со., 1975. 160 p.
108. Wood O. R. Proc. IEEE, 1974, 62,«N 11, p. 355-397.
109. Сайт производителя полупроводниковых приборов Vishay -http://www.vishay.com/photo-detectors/photo-pin-diodes/.
110. Сайт российского производителя электровакуумных приборов ЦНИИ «Электрон» http://electron.spb.ru/russian/photomultipliers.html.
111. Дейрмемджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. – 165 с.
112. Брысин Н.Н. Концептуальная модель: Оптический измеритель скоростей аэрозоля и коллоидных частиц. // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №2, М.: Изд-во МГАПИ, 2000. – с. 3-6.
113. Брысин Н.Н., Шелемехов И.Н. Оптический метод измерения скорости течения жидкости // Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ №6, М.: Изд-во МГАПИ, 2004. – с. 64-70.
