Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие бесконтактных методов измерений параметров механического движения связывается с возможностями оптики, лазерной техники и современных систем обработки информации. Лазерная доплеровская анемометрия является примером комплексного подхода к решению этой задачи. Широкий спектр возникающих проблем в оптике, источниках когерентного излучения, фоторегистрации и обработке сигналов определяет многообразие способов их преодоления, отличающихся по функциональным возможностям и техническим решениям.
Первые зарубежные и отечественные публикации по лазерной доплеровской анемометрии относятся к концу шестидесятых годов. Прошедшие с этого времени годы характеризуются взрывооб-разным развитием технологий опто- и микроэлектроники. Совершенствование элементной базы, с одной стороны, и постоянно повышающийся уровень понимания физических основ лазерной доплеровской анемометрии с другой, привели к появлению в конце восьмидесятых оптических и оптико- электронных измерительных приборов нового поколения. Их комплексный характер уже допускал применение термина «лазерная доплеровская измерительная система», что отразилось в расширенном смысловом толковании аббревиатуры «ЛДИС».
К моменту начала работы над диссертацией в работах отечественных и зарубежных специалистов были заложены основы теории оптических сигналов лазерных анемометров. Были созданы счетно- импульсные и следящие доплеровские сигнальные процессоры. Зарубежные фирмы, такие как TSI, DISA, MESSMETAL-LURGIE освоили выпуск малых серий оптико- электронных допле-ровских измерительных приборов и систем. Внедрение новейших для того времени технологий обеспечило этим фирмам длительный период монопольного господства на рынке лазерных оптико- электронных измерителей.
Вместе с тем, образцы лазерных доплеровских анемометров тех лет находились на начальной стадии своего развития. В первую очередь, это выражалось в значительной зависимости точности измерений от целого ряда эмпирически определяемых параметров. Приборы выпускались в виде «конструктора* и были ориентированы на специалистов самой высокой квалификации, от ко-
торых требовалось умение не только профессионально обеспечивать необходимые режимы измерений, но и выявлять физический смысл полученных результатов. Лазерные анемометры обычно использовались в крупных исследовательских центрах, персонал которых мог справиться с проблемами, имевшими, как правило, междисциплинарный характер. По этой причине попытки использовать доплеровские измерители для метрологического обеспечения промышленных технологий, в частности, в металлургии с ее жесткими требованиями к точности, надежности и простоте в эксплуатации, оказались в те годы безуспешными.
Эффективность применения средств измерений определяется их точностью и широтой функциональных возможностей. Для лазерных доплеровских оптико- электронных приборов к числу важнейших относятся проблемы, связанные с созданием эффективных алгоритмов обнаружения и измерения параметров доплеровских сигналов и автоматической адаптации к ним систем обработки, что необходимо для реализации автоматического (без участия оператора) режима работы в широком диапазоне измеряемых, скоростей. Сюда же следует отнести уменьшение динамических погрешностей измерений пульсационных характеристик потоков, повышение точности измерения длин, концентраций светорассеиваю-щих частиц и оперативный контроль структуры зондирующего оптического поля.
Предметом диссертационного исследования является поиск решений обозначенных проблем. Создание эффективно работающих лазерных доплеровских оптико- электронных измерителей отребовало проведения комплексного анализа и разработки методов формирования и обработки сигналов на всех этапах их преобразований.
Связь с государственными программами и НИР: работа по теме диссертации выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Института теплофизики СО РАН по теме «Разработка когерентно- оптических методов диагностики потоков» (номер госрегистрации 01.88.0064738).
Цель работы: разработка и реализация методов формирования и обработки сигналов в лазерных доплеровских оптических и
оптико- электронных приборах, создание комплексных оптико-электронных приборов и измерительных систем, ориентированных на применение в научных экспериментах и в промышленных технологиях.
Научная новизна диссертации: состоит в том, что в ней впервые:
развита в рамках фурье- оптики и полуклассической теории фотоэлектрической регистрации теория оптико- электронных сигналов ЛДИС, методы их оптимального приема и преобразования;
предложены и исследованы методы: адаптивного центрирования сигнала, квадратурного регенеративного и адаптивного формирования доплеровских импульсных последовательностей, преобразования доплеровского спектра на основе фильтрующей дискретизации, которые реализованы в счетно- импульсных и следящих процессорах;
разработаны и исследованы методы контроля и поверки точностных характеристик технологических лазерных доплеровских оптико- электронных приборов и систем в производственных условиях;
предложены и исследованы методы контроля геометрических параметров осесимметричных изделий, основанные на применении лазерных доплеровских оптико- электронных приборов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основе полученных результатов и выводов разработаны измерительные устройства и приборы, в числе которых: созданный совместно с Конструкторско- технологическим институтом научного приборостроения (КТИ НП) Сибирского отделения РАН и выпускаемый на производственной базе этого института лазерный допле-ровский анемометр с адаптивной временной селекцией и визуализацией вектора скорости (ЛДИС «ABC») и его оптико- волоконные аналоги; унифицированный ряд лазерных измерителей скорости и длины проката «Квазар», «ЛИ» и «Альтаир» на базе гелий-неоновых и полупроводниковых лазеров. Разработанные измерительные системы применяются в научных исследованиях гидро- и аэродинамики потоков и в металлургической промышленности.
Достоверность полученных результатов обоснована доведением предложенных и разработанных методов до полностью завершенных систем, допускающих прямые проверки и испытания в реальных условиях; результатами подобных испытаний; подробным анализом ошибок и погрешностей конкретных функциональных узлов; сопоставлением результатов, полученных различными методами измерений, а также общим комплексным характером работы по созданию лазерных доплеровских оптико- электронных приборов и систем.
На защиту выносятся: теоретические и практические основы формирования и обработки сигналов в лазерных доплеровских оптико- электронных измерительных приборах и системах, включая:
методы оценки предельных метрологических характеристик и классификацию сигналов, обусловленных корпускулярным характером оптических сигналов ЛДИС;
теоретическое и экспериментальное обоснование методов дифференциального и квадратурного формирования доплеровских импульсных последовательностей, адаптивного центрирования сигнала, преобразования доплеровского спектра на основе фильтрующей дискретизации и согласованной дискретно - аналоговой фильтрации;
принципы оптимальной фильтрации, интерполяции, асинхронной временной автоподстройки и демодуляции доплеровских импульсных последовательностей;
s методы испытаний и параметрической стабилизации характеристик разработанных фотоэлектрических преобразователей ЛДИС и их'классификацию;
способы определения геометрических параметров осесимметрич-ных промышленных изделий с помощью промышленно- технологических ЛДИС;
методы контроля точностных характеристик и результаты испытаний разработанных ЛДИС в лабораторных и производственных условиях, а также экспериментальный комплекс для поверки измерителей;
результаты практической реализации разработанных алгоритмов и методов в действующих оптических и оптико- электронных измерительных приборах и системах.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на: 4-й Всесоюзной конференции «Оптика лазерові (Ленинград, 1984 г.); Всесоюзной конференции «Лазеры в народном хозяйстве» (Москва, 1986 г.); 3-й Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Таллин, 1987 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях «Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков» (Харьков, Алушта, 1988, 1990 г.); Всесоюзной конференции «Проблемы комплексной автоматизации гидрофизических исследований» (Севастополь, 1989 г.); 1-й Всесоюзной конференции «Физика и конверсия» (Калининград, 1991г.); 1-й Всесоюзной конференции «Оптические методы измерения потоков» (Новосибирск, 1991 г., 1989 г. - Всесоюзный семинар); Международной конференции «Лазерная технология» (Вильнюс, 1990 г.); 1-й Всесоюзной конференции «Применение волоконных систем в промышленности и технологии» (Волгоград, 1991 г.); 2-й Межреспубликанской конференции «Оптические методы исследования потоков» (Новосибирск, 1993 г.); Межреспубликанской конференции «Оптика лазеров- 93» (Санкт- Петербург, 1993 г.); Международном симпозиуме «Прикладная оптика» (Санкт- Петербург, 1994 г.); 3-й Межгосударственной научно- технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1995 г.); Third Inter. Conf. «Laser Anemometry: Advanses and Application» (Swansea, 1989); Inter. Conf. «Modern Techniques and measurements in fluid flows» (Beijing, 1989); First Asian- Pasific Intern. Symp. «Combustion and Energy Utilisation» (Beijing, 1990); Intern. Conf. «Multiphase Flows» (Tsukuba, 1991); Fourth Intern. Conf. «Laser Anemometry: Advanses and Applications» (Cleveland, 1991); Second World Conf. «Experimental Heat Transfer Fluid Mechanics and Thermodynamics» (Dubrovnik, 1991); 15-th Intern. Conf. «Coherent and Nonlinear Optic» and 8-th Intern. Conf. «Laser Optic» (St.-Peter-burg, 1995), а также на различных семинарах и совещаниях.
Личный вклад. Постановка проблем, способы их решения и полученные при этом основные научные результаты принадлежат автору. Разработки измерительных систем на стадиях НИОКР и практическая реализация их выполнялись сотрудниками научного коллектива под руководством и при непосредственном участии автора.
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 57 работ в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 17 патентов и авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, введения и заключения. Содержит 466 страниц, 22 таблицы и 146 рисунков. Список литературы включает 323 наименования.
