Введение к работе
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 Polytec.
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 чувстви-тельности 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.
-
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 PDV–100 - повысить чувствительность и разрешение параметров колебаний объектов посредством обработки квадратурных доплеровских сигналов в соответствии с алгоритмом вычисления мгновенного значения частоты, определенной через аналитический сигнал.
-
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.
-
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.
-
Теоретическое и опытное обоснование применимости в лазерных виброметрах с высокой чувствительностью нестабилизированных по частоте промышленных He – Ne лазеров.
-
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).
-
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 целе-сообразность 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 PDV-100 ведущей фирмы «Polytec».
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.
