Многоканальный интерферометр для доплеровской анемоментии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ДОПЛЕРОВСКОЙ

АНЕМОМЕТРИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

§ I. Доплеровские измерители скорости

§ 2. Простейшие модели работы сферического интерферометра.

§ 3. Многоканальные доплеровские измерители скорости.

§ 4. Постановка задачи по созданию многоканального интерферометра и ее принципиальное решение.

§ 5. Общие характеристики многоканального интерферометра и задачи экспериментальных исследований

ГЛАВА 2. УСТАНОВКА ДЛЯ ИССВДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ.

§ I. Требования к экспериментальной установке и ее общее описание.

§ 2. Одночастотный стабилизированный аргоновый лазер.

§ 3. Система освещения интерферометра.

§ 4. Макет исследуемого интерферометра и его конструкция.

§ 5. Система регистрации данных эксперимента • •

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОДНОГО КАНАЛА

ИЗМЕРЕНИЯ.

§ I. Задачи экспериментальных исследований

§ 2. Интерференционные зеркала

§ 3. Угловые юстировки прибора.

§ 4. Аппаратная функция реального сферического интерферометра.

§ 5. Сопряжение сферического интерферометра с волоконными световодами.

§ б. Линейность перестройки интерферометров по частоте.

§ 7. Оценка потенциальной точности измерения скоростей одним каналом измерения на макете дисперсного потока

§ 8. Результаты экспериментов.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МНОГОКАНАЛЬНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

ДЛЯ Д0ПЛЕР0ВСК0Й АНЕМОМЕТРИИ.

§ I. Требования к многоканальному прибору

§ 2. Описание конструкции многоканального интерферометра.

§ 3. Интерферометр одного канала и его свойства.

§ 4. Система сбора рассеянного излучения и варианты ее применения

§ 5. Система сбора и предварительной обработки экспериментальной информации.

ГЛАВА 5. МУЛЬТИПЛЕКС СО СФЕРИЧЕСКИМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ

§ I. Задачи, приводящие к созданию мультиплекса со сферическим интерферометром.

§ 2. Оптическая схема мультиплекса и его основные расчетные характеристики

§ 3. Экспериментальное исследование мультиплекса со сферическим интерферометром • • •

§ 4. Обсуждение результатов эксперимента

ЗАКЛШЕНИЕ.

В настоящее время измерения скоростей потоков в газодинамике все чаще проводятся неконтактными и невозмущающими оптическими методами. Область прикладной оптики, занимающаяся измерениями скоростей потоков с помощью изучения доплеровского сдвига частоты света, рассеянного частицами движущегося потока при облучении его лазером, получила название доплеровской анемометрии. В силу различных технических причин методы доплеровской анемометрии, основанные на выделении частотного сдвига с помощью ге-теродинирования, ограничивают значения измеряемых скоростей на уровне приблизительно 300 м/с. Для измерения больших скоростей и, соответственно, больших частотных сдвигов в настоящее время успешно используются методы оптического спектрального анализа. Развитие газодинамических исследований, связанных с изучением процессов, обладающих малыми временами стационарности и сложными пространственными распределениями полей скоростей, вызывает необходимость создания доплеровских измерителей скоростей с прямым спектральным анализом рассеянного излучения, обладающих большим быстродействием и точностью.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют многоканальные доплеровские измерители скорости, построенные по параллельному принципу обработки информации.

Если для методов, использующих гетеродинирование, многоканальные параллельные системы в настоящее время исследованы достаточно полно, то в области высоких скоростей потоков, где требуется применение оптического спектрального анализа, таких многоканальных систем измерения до сих пор создано не было.

Таким образом, проблемы построения многоканальных оптических спектральных анализаторов для доплеровской анемометрии и отыскания способов их сопряжения с экспериментальными газодинамическими установками являются весьма актуальными*

Темой настоящей работы является разработка и построение многоканального оптического интерферометра, отвечающего требованиям лазерной доплеровской анемометрии, и отыскание способов его сопряжения с экспериментальными газодинамическими установками. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения*

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1. На основании рассмотрения современного состояния методов лазерной доплеровской анемометрии, использующих прямой спектральный анализ рассеянного излучения, показана актуальность и необходимость создания многоканальных параллельных доплеровских измерителей скорости с прямым спектральным анализом.

2. Предложена схема построения многоканального оптического интерферометра для доплеровского измерения скоростей, основанная на применении в каждом канале измерения световолоконной оптики для гибкого сопряжения высокоразрешающих светосильных сферических интерферометров с различными вариантами систем сбора рассеянного излучения, конкретный вид и конфигурация которых зависят от решаемой экспериментальной задачи.

3. На основе предложенной схемы разработан и построен многоканальный интерферометр высокого разрешения с параллельно работающими шестью измерительными и двумя опорными (по частоте и интенсивности) каналами, обладающий оригинальным конструктивным решением (схема расположения каналов в приборе определяется только лишь их габаритами, особенностями эксплуатации, конструктивными соображениями и непосредственно не связана с решаемой прибором экспериментальной газодинамической задачей) и широкими потенциальными возможностями, допускающими расширение круга задач, решаемых в настоящее время доплеровскими анемометрами, использующими методы оптического спектрального анализа. Эти задачи в частности связаны с исследованиями профилей скоростей потоков при одновременном измерении шести точек профиля и векторов скорости потока (например, в двух близко расположенных точках) .

4. Для проведения необходимых предварительных исследований на основе разработанного и построенного одночастотного стабилизированного аргонового лазера, имеющего ширину линии генерации приблизительно 0,2 МГц и максимальную выходную мощность 80 мВт, разработана и построена управляемая малой ЭВМ экспериментальная установка, позволяющая с высокой точностью исследовать высокоразрешающие интерферометры на основных длинах волн генерации аргонового лазера (514 и 488 нм).

5. С помощью указанной установки выполнены исследования свойств одного канала измерения многоканального прибора и входящего в него реального сферического интерферометра, включающие в себя:

- изучение аппаратной функции сферического интерферометра с зеркалами, имеющими реальные дефекты;

- построение на основе зеркал, имеющих дефекты, сферического интерферометра, обладающего высоким разрешением и светосилой;

- сопряжение сферического интерферометра со световолокон-ной оптикой;

- оценку потенциальной точности измерения скорости одним каналом многоканального прибора, проведенную посредством измерения средней скорости частиц дисперсного потока, создававшегося электрическим дозатором дисперсных материалов. Зарегистрированные малые сдвиги (5,2 МГц) и соответственно малые скорости

1,5 ± 0,3 м/с) при малых концентрациях частиц в потоке (до 20 см"3) и значительных размерах использованных частиц (средний размер 100 мкм) свидетельствуют о больших потенциальных возможностях разработанного прибора.

6. Предложена и экспериментально исследована схема мультиплекса со сферическим интерферометром, включающая в себя высо-коразрёшающий сферический интерферометр, определяющий разрешение мультиплекса, объектив сопряжения и относительно тонкий плоский интерферометр, определяющий свободный спектральный интервал прибора. Показано, что при реальных фокусных расстояниях и относительных отверстиях согласующего объектива, геометрический фактор мультиплекса ограничивается его тонкой плоской компонентой. Продемонстрированы преимущества рассмотренного мультиплекса со сферическим интерферометром по сравнению с его плоским аналогом.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научному руководителю, профессору Марии Павловне Чайке за постоянное внимание к работе, требовательность и доброжелательность, заведующему первой кафедрой общей физики профессору Н.И.Калитеевскому за доброжелательное отношение к работе автора, д.физ.-мат.наук Е.Н.Котликову и его сотрудникам за большую практическую помощь, а также всему коллективу кафедры и лаборатории когерентной оптики за дружеское внимание и поддержку.

1. Yeh J«, Cummins H.Z. Localized fluid flow measurements with an He-Ne laser spectrometer. - Appl.Phys.Letters., v.4, May 1964,p.176-178.

2. Лазерные доплеровские измерители скорости /Под ред. Нестери-хина Ю.Е. Новосибирск: Наука, 1975.

3. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичус Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982.

4. Ринкевичус Б.С. Лазерная анемометрия. М.: Энергия, 1978.

5. Stivenson W.H. Laser Doppler Velocimetry: A Status Report. -Proc.IEEE, 1982, v.70, N 6, p.652-658.

6. Климкин В.Ф., Папырин A.H. Солоухин Р.И. Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов. Новосибирск: Наука, 1980.

7. Толанский С. Спектроскопия высокой разрешающей силы. М.: ИИЛ, 1955.

8. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Реальный интерферометр Фабри-Перо. Л.: Машиностроение, 1983.

9. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1972.

10. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука, 1970.

11. Ринкевичус Б.С., Толкачев А.В. Оптический доплеровский измеритель скорости газовых потоков. Квантовая электроника, 1974, т.1, № 9, с.1917-1922.

12. Ринкевичус Б.С., Толкачев А.В., Харченко В.Н. Измерения полей скорости гиперзвукового потока лазерным доплеровским анемометром. Изв.АН СССР, МЖГ, 1974, № 4, с.69-73.

13. Преображенский Н.Г., Рудницкий А.Л., Тамбовцев Б.З. К вопросу об измерении функции распределения частиц потока по скоростям.- В сборнике "Газодинамика и физическая кинетика" (аэрофизические исследования, вып.З), Новосибирск, 1974, с.162.

14. Jaquinot Р. J.Opt.Soc.Amer., 1954, v.44, p.76l.

15. Jaquinot P. Rev.Progr.Phys., I960, т.24, p.267.

16. Калитиевский Н.И., Чайка М.П. Интерферометр Фабри-Перо и некоторые его приложения в спектроскопии. В кн.: Спектроскопия газоразрядной плазмы. Л.: Наука, 1970.

17. Connea P. Augmentation du produit luminosite resolution des interferometers par l'emploi d'une differens de marche independante de Lfincidence. -Rerue d'optique, 1956, t.35, N I, p.39-43.

18. Connes P. L'Etalon De Fabry Perot Spherique. - Jornal de physique Rad., 1958, v«I9, p.262.

19. Aridor J.M. Novel Instanteneous Laser Doppler Velocimeter. -Appl.Opt., 1974, v.13, N 2, p.280-285.

20. Алхимов А.П., Бойко B.M., Папырин A.H., Солоухин Р.И. О диагностике свехзвуковых двухфазных потоков по рассеянному лазерному излучению. ПМТФ, 1980, № 6, с.36-46.

21. Forder P.W., Jackson Б.A. A digital anemometer based on scanning Fabry Perot interferometer. - J.Phys.E:Sci.Instrum.3 1982, v.I5, p.555-557.

22. Congedutti F., Fiocco G., Adriani A., Guarrella C. Vertical wind velocity measurements by Doppler lidar and comparisons with Doppler sodar. Appl.Opt., 1981, v.20, N 12,p.2048-2054.

23. Johnson J.R. A metod for producting precisely confocal resonator for scanning interferometer. Applied optica, 1967, v•6, и II, P.I060-I073.

24. Johnson J.R. A high resolution scanning confocal interferometer. Appl.Opt., 1968, v.7, N 15, p.951-966.

25. Hercher M. The spherical mirrow Fabry Perot interferometer.-Appl.Opt., 1968, v.7, N 5, p.951-956.

26. Boyd G.D., Gordon J.P.-Bell Sistem tech,, I96l,v.40, p.453.

27. Лист Э., Чайка М.П. Аппаратная функция сферического интерферометра. Опт. и Спектр., 1980, т.49, № 6, с.1094-1099.

28. Ринкевичус B.C., Салтанов Г.А. В кн.: Парожидкостные потоки. - Минск: Ин-т тепло и массообмена АН БССР, 1977, с.176.

29. Головин В.А., Кошева Н.П., Ринкевичус Б.С. Теплофизика высоких температур, 1971, т.9, № 3, с.606.

30. Huffaker R.M. Laaer doppler detection system for gas velocity measurements. Appl.Opt., 1970, v.9, p.1026-1039.

31. Rizzo J.E. Velocity measuring interferometer. Electrooptic system in flow measurements, University of Sauthampton, 25th-26th September, 1972, Sauthampton.

32. Васильев А.В., Ринкевичус Б.С. Труды МЭИ, 1978, вып.350, с.79-82.

33. Васильев А.В., Ринкевичус Б.С. Квантовая электроника, 1980, т.7, № II, с.2506-2508.

34. Физика быстропротекающих процессов. Под ред. Н.А.Златина, т.1-3. М.: Мир, 197I.

35. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1975.

36. Дубнищев Ю.Н. В кн.: Методы лазерной доплеровской диагностики в гидроаэродинамике. - Минск: Ин т тепло- и массообмена АН БССР, 1978, с.164.

37. Белоусов 11.Я,, Дубнищев Ю.Н., Пальчикова И.Г. В кн.: Экспериментальные методы и аппаратура для исследования турбулентности. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1981,с.103.

38. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Пальчикова И.Г. В кн.: Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения. - Новосибирск: Ин-т автоматики и электрометрии СО АН СССР, 1980, с.7.

39. Баланин Б.А., Лашков В.А., Меладзе С.А., Чайка М.П., Чирухин В.А. Измерение параметров двухфазных потоков на установке У17-П лазерными методами. - Вестник ЛГУ, № 4, вып.9, 1983.

40. Машек И.Ч. Малогабаритный стабилизированный источник питания для лазера технологического применения. В тезисах докл. Ш Всесоюзной конф. по применению ЭИТ в нар.хоз-ве. Тбилиси, 1981, с.83-84.

41. Справочник по преобразовательной технике /Под ред.Чиженко И.М. Киев: Техника, 1978.

42. Троицкий Ю.В. Одночастотная генерация в газовых лазерах. Новосибирск: Наука, 1975.

43. Малышев Г.Ф., Троицкий Ю.В., Ханов В.А., Хюппенен В.П. Стабилизированный одночастотный гелий-неоновый лазер. Автометрия, 1972, № 5, с.86-93.

44. Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования. Л.: Машиностроение, 1973.

45. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия: Л.: Машиностроение, 1977.

46. Справочник по лазерам /Под ред. Прохорова A.M., т.1. М.: Сов.Радио, 1978.

47. Василенко Л.С., Гольдорт В.Г., Гончаров А.Н., Ом А.Э., Скворцов М.Н. Лазер на ионах аргона с узкой линией генерации. -Квантовая электроника, 1982, т.9, № 4, с.812-814.

48. Бондаренко В.В., Василевский A.M., Жаров А.А. Машек И.Ч. Система термостабилизации низкотемпературного пирометра отношения. Изв. ЛЭТИ, 1979, вып.247, с.91-95.

49. Галутва Г.В., Рязанцев А.И. Селекция типов колебаний и стабилизация частоты оптических квантовых генераторов. М.: Связь, 1972.

50. Вейнберг В.Б., Саттаров Д.К. Оптика световодов. Л.: Машиностроение, 1977.

51. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ., Вып.1. М.: Мир, 1971.

52. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер.с англ. М.: Мир, 1978.

53. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: Пер.с франц. т.1 и 2. М.: Мир, 1983.

54. Технология оптических деталей /Под ред.Семибратова М.Н. -М.: Машиностроение, 1978.

55. Бергер Н.К., Бондарчук Е.Н., Дембовецкий В.В. Метод измерения коэффициента отражения лазерных зеркал. Измерительная техника, 1975, № II, с.109-111.

56. Лист Э. Исследование сферического интерферометра. Автореф. канд.дисс. Л.: ЛГУ, 1980, с.96.

57. Suzuki Т. Experimental stady of interferena in optical fibers. Japan J.of Appl.Phya., 1967, v.6, N 3.

58. Hernandes G. Piesoelectric scanning of Fabry Perot spectrometers: nonlinearities.-Appl.Opt.,1978,v.I7,N.19,p.3088-3095.

59. Справочник по импульсной технике /Под ред. Яковлева В.Н. -Киев: Техника, 1971.

60. Машек А.Ч., Колеватых О.В., Машек И.Ч. Электрический дозатор дисперсных материалов с расширенными технологическими возможностями. В тезисах Всесогозн.конференц.по проблемам тонкого62