Введение к работе
1 .Актуальность.
Успехи квантовой электроники открыли для практических
применений обширную область электромагнитных колебаний
видимого и примыкающего к ней диапазона длин волн. Уникальные
особенности когерентного света дали вторую жизнь методам
интерферометрии, а высокая стабильность длины волны излучения
лазеров позволила использовать её как эталон в измерительной
технике нового поколения. Диссертационная работа относится к этой
области знаний и посвящена развитию научных основ лазерных
допплеровских измерительных систем - ЛДИС, принципы работы
которых основаны на использовании допплеровского смещения
частоты рассеянного света. Основное назначение этих систем -
измерение параметров движения газов, жидкостей и твердых тел.
Такие уникальные возможности ЛДИС, как отсутствие воздействия на
исследуемые об'екты, высокие точность и локальность измерений,
тинейная связь допплеровской частоты с измеряемой скоростью,
возможность определить любую пространственную компоненту
зектора скорости или одновременно произвести измерения всех трёх
:го компонент, высокое быстродействие определили приоритет ЛДИС
феди существующих средств гидро- аэродинамического эксперимента
і устройств измерения параметров движения в промышленности.
Зместе с тем особенности рассеяния волн оптического диапазона на
этучайном ансамбле частиц, квантовый характер преобразования
голучаемых сигналов в злектріпіеские и, особенно, трудности на пути
«влечения из них полезной информации выделили проблему создания
і использования ЛДИС в отдельное научное направление и
ютребовали серьезных усилий многих исследователей, чтобы
іазработать принципы построения ЛДИС и довести их до
фактического использования. Существенный вклад в развитие ЛДИС
інесли В.П.Коронкевич, Ю.Н.Дубнищев (ИАиЭ и ИТФ СО РАН),
>.С.Ринкевичгос (МЭИ), решившие ряд актуальных задач теории и
[рактической реализации оптической части ЛДИС; Г.Л.Гродзовский
ЦАГИ), исследовавший вопросы точности ЛДИС при измерении
корости газовых потоков; Ю.А.Щербина, получивший существенные
езультаты в области статистики допплеровского сигнала; и др^ Из
арубежных ученых в первую очередь следует назвать имена У.Йе и
І.Камминса, положивших начало допплеровской анемометрии;
'І.Рада, предложившего новую интерференционную модель работы
птической части ЛДИС; ЛЛэдинга, Р.Адриана, К.Гриэйтида и
'.Дгорани, которые параллельно с автором работали над
эвершенствованием ЛДИС как прецизионной информационно-
змерительной системы широкого применения.
Актуальноеjь создания и исследования ЛДИС в первую очередь связана с тем, что до их появления ни научный эксперимент, ни измерительная техника общего применения не имели средни точного и бесконтактного определения скорости и связанных с нею параметров движения. Особенно остро эта проблема стояла в глдро-аэродинамике при исследовании явлений турбулентности и обтекания тел. Поэтому, первоначально, усилия автора были направлены на разработку научно обоснованных принципов построения и применения ЛДИС в научных исследованиях. В то же время очевидна актуальность использования ЛДИС во многих отраслях современного производства. Примером может служить острая потребность предприятий нефтегазового комплекса в точных pacxo;ioMq>ax н металлургического производства в бесконтактных измерителях скорости горячего проката. В связи с этим, в рамках диссертационной работы были созданы прототипы ЛДИС проіпводственного назначения, разработаны научные основы их проектирования и детально исследованы вопросы точности.
2 .("вязь с государственными программами.
Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами МИР ИАиЭ СО РАН, согласованными с государственными программами: "Разработка элементов оптических и оптико-электронных' вычислительно-информационных систем" (гос. регистрация №ЬЧ083906); "Совершенствование математического обеспечения и технических средств систем автоматизации научных исследований (на основе КАМАК, микропроцессоров и прецизионных быстродействующих лазерных устройств) (гос. регистрации №81083908)".
3 .Цель работы.
Исследование принципов построения и создание ЛДИС <
высокими метрологическими и эксплуатационным!
характеристиками, внедрение их в практику научного эксперимента і технологию производства. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:
-развитие теоретических основ построения ЛДИС, включающих определение соотношений между измеряемой скоростью I параметрами электрических дошшеровскнх сигналов: нахождение из основных статистических характеристик; теоретическое обосноваши методов выделения полезной информации из получаемых сигналов;
-метро.пої мческие исследования ЛДИС:
-поиск оптимальных ( по выбранным критериям ) алгоритмов оценок скорости, определение их потенциальной точности и экспериментальную проверку полученных значений;
-разработка принципов построения ЛДИС и их реализация в віще действующих систем; выпуск промышленных образцов;
-использование уникальных возможностей ЛДИС при решении ряда актуальных научных и производственных задач.
4 .Методы исследования.
В работе использовались методы статистической теории сигналов, теории измерений, Фурье-оптики, методы спектрального и корреляционного анализа, а также машинное моделирование и физический эксперимент.
5 .Научная новизна.
-Сформулирована, обоснована и решена актуальная научно-техническая проблема, связанная с созданием теоретических основ нового класса измерительных систем - ЛДИС.
-Создана статистическая теория ЛДИС, включающая модель электрического допплеровского сигнала и оценки его статистических характеристик, анализ дробового, фазового и градиентного шумов и степени их влияния на точность измерений, характеристики основных режимов работы ЛДИС- одночастичного и многочастичного.
-Найдены оптимальные и квазиоптимальные (по критерию максимума функции правдоподобия) алгоритмы оценки скорости, формулировано соотношение неопределенности! "точность-тространственное разрешение", оценена потенциальная точность ЛДИС.
-Предложены, обоснованы и реализованы оригинальные методы тостроения и устройства измерительной части ЛДИС (пороговый гчетно-импульсный, амплитудно-частотный, по длительности зыбросов).
-Определены оптимальные концентрации рассешзающих центров, обеспечивающие наивысшую точность ЛДИС;
-Предложены, обоснованы и реализованы оригинальные методы и устройства демодуляции допплеровского сигнала.
-Впервые с помощью созданных ЛДИС экспериментально юказано, что гидродинамическая турбулентность зарождается путем сонечного (а не бесконечного, как считалось ранее) числа 'шфуркационных переходов и уширения спектральных линий за счет азаимодействия порождаемых ими колебательных мод.
6 .Практическая ценность и реализация результатов работы.
Поставлена и решена крупная, имеющая народно-хозяйственно значение проблема создания и практической реализации лазерны измерительных систем, предназначенных для бесконтактног получения информации о параметрах движения газов, жидкостей : твердых тел. Результаты работы позволяют обоснованно подходить инженерному проектированию ЛДИС для широкого круга конкретны применений. Созданные ЛДИС, обладая высокой точностью, н возмущают исследуемый об'єкт и, поэтому, являются незаменимы! инструментом при проведении гидро-аэродинамически исследований. Они также могут успешно применяться в качеств расходомеров жидкостей и газов, а также как датчики скорости : системах автоматизации технологических процессов.
Под руководством автора впервые в нашей стране созданы ; совместно с комбинатом "Карл Цейс Йена" (ГДР) выпущен} промышленные образцы ЛДИС "ЛАДО-1" и "ЛАД0-2", нашедши применения в научном эксперименте и промышленности, разработа: успешно прошедший опытную эксплуатацию на Металлургическої заводе им. Кузьмина (г. Новосибирск) лазерный допплеровски измеритель скорости горячего проката. На основе полученны результатов НИИ "ТЕПЛОПРИБОР" (г. Москва) разработал выпустил гамму прецизионных лазерных измерителей скорости дл государственной аттестации расходомеров.
7 .На защиту выносятся:
-Теоретические основы построения ЛДИС, включающиі
соотношения, связывающие параметры электрическог
допплеровского сигнала с характеристиками движения исследуемог об'єкта; основные статистические характеристики этого сигнала и и связь с режимами работы ЛДИС; природа и особенности фазового градиентного шумов, их статистика; функция правдоподоби допплеровской частоты;оптимальные по точности алгоритм] определения скорости и структурные схемы их реализации.
-Принципы построения ЛДИС, включающие оригинальные метода и устройства демодуляции допплеровского сигнала: пороговь: счетно-импульсные процессоры, оценивающие скорость либо по числ выбросов сигнала, либо по их длительности; быстродействующь следящие фильтры-демодуляторы с переносом спектра сигнала область нулевых частот, реализующие оптимальный по точност алгоритм оценки скорости в случае многочастичного режима работ ЛДИС; астатические квазноптимальные фильтры-демодуляторы
фазовой автоподстройкой частоты, адаптированные к одночастинному режиму.
-Методы анализа и исследования метрологических характеристик ЛДИС; оценки их потенциальной точности.
-Закономерности зарождения гидродинамической турбулентности в течении Куэтта.
8 .Апробация работы.
Результаты работы были представлены на ряде международных и отечественных конференций и семинаров: Методы исследования потоков жидкостей и газов (Лечестер, Англия, 1972 г.) [1], Лазерная гехника и ее применение (Вашингтон, США, 1973 г.) [2], Конгресс ИМЕКО VI, (Дрезден, ГДР, 1973 г.) [3], Оптоэлектроника 75 [Саутгемптон, Англия, 1975 г.) [4], Конгресс ИМЕКО VII (Лондон, 1976 г.) [5], Методы лазерной допплеровской диагностики в гидроаэродинамике (Минск, 1978 г.) [9], ИЮТАМ- симпозиум 'Ламинарно - турбулентный переход" (Штудгарт, ФРГ, 1979 г.) [6], Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности (Новосибирск, 1979 г.) [10], Лазерная допплеровская шемометрия и ее применения (Новосибирск, 1980 г.) [И-15], Современная техника и измерения в гидродинамике (Пекин, КНР, 1989 \) [1], Аэросенс 95 - прикладная лазерная локация (Орландо, США, 1995 г.) [8],
> Личный вклад.
Постановка задачи создания ЛДИС и теоретическое обоснование іринципов их построения (в части математической модели шектрического допплеровского сигнала, определения его основных патетических характеристик, получения оптимальных по точности шгоритмов измерения скорости, оценки их потенциальной точности) )существлены автором. Компьютерное моделирование, разработка методов демодуляции допплеровского сигнала, создание аппаратных редств ЛДИС и проведение экспериментальных исследований іьіполненьї сотрудниками лабораторий ИАиЭ СО РАН под >уководством и при непосредственном участии автора.
10 .Публикации.
По результатам проведенных исследований лично и в соавторстве >публиковано 52 работы, в том числе 2 монографии, получено 7 івторских свидетельства на изобретения.
11 .Структура и объем диссертации:
Диссертация содержит Введение, шесть глав, Заключение и списо: литературы из 52 наименовании. Объем диссертации - 356стр., 95 илл.