-г-
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр,
Введение ....................................................... з
Глава I. Функция взаимной когерентности рассеянного лазерного ИЗЛучеНИЯ.............................................. 10
§ I. Спектр рассеянного лазерного излучения в пределах площади когерентности поля .................. и
§ 2. Степень взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения ......................................... и
Глава 2. Энергетические параметры сигнала ЛДИС ................ 47
§ I. Эффективность фотосмешения е прямой дифференциальной схеме ЛДИС..............................49
§ 2. Эффективность фотосмешения в обратной дифференциальной схеме ЛДИС........................................72
§ 3. Уравнение лазерной локации для когерентного
доплеровского измерителя скорости ................... го
Глава 3. Экспериментальные исследования ..................... 93
§ I. Экспериментальные исследования контура функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения .................................................. 94
§ 2. Измерение локальных скоростей среды ................. ю9
Заключение..................................................../-г*
Библиографический указатель . ................................ и*
Приложение ................................................... 141
-3-
ВБЕДЕНИЕ
Применение лазерных анемометров для изучения потоков в атмосфере и аэрогидродинамических трубах обладает многими преимуществами по сравнению с другими системами аналогичного назначения. Лазерно-локационные измерения не вносят возмущения в исследуемой среде и, следовательно, нет необходимости рассматривать достаточно сложные газодинамические эффекты взаимодействия измерительного датчика с потоком. За время, прошедшее с появлением первых работ Уи и Камингса /65,66/, были получены многочисленные теоретические и экспериментальные результаты, свидетельствующие о перспективности лазерных методов измерения скорости/53/. Достаточно перечислить исследования, включающие изучение обтекания различных тел в аэродинамических трубах, течений в двигателях и соплах, в пограничном слое, в двухфазных потоках, в ударных волнах и т.д./1,8,17,32,35,36,68 /. Диапазон измеряемых скоростей простирается от 1СГё м/с до 201)0 м/с и более, минимальное пространственное разрешение составляет 1СГ® м/39,41,55/.■ Минимальное время регистрации доведено до 10 с измерены частоты колебаний газового потока Еыше 10 кГц/78/. Теоретически показана возможность измерения колебаний газового потока до I МГц/77/. Одновременно с решением лазерно-локационных задач, связанных с изучением динамики потоков, продолжается разработка теории лазерных допле-ровских измерителей скорости (ЛДИС) для двух основных еидое: с когерентным и энергетическим приемом изучения/73/. В настоящее время довольно полно исследована теория ЛДИС с энергетическим приемом излучения, включая лидары со сканирующим интерферометром Фабри-Перо и с интерферометром Фабри-Перо, имеющим линейную частотную характеристику коэффициента пропускания/24,27,33,61,62,71/. Менее исследованы Еопросы, связанные с теорией когерентных ЛДИС. В
-V-
первую очередь к ним относится эффективность фотосмешения в дифференциальных схемах ЛДИС, где слабо исследованы вопросы о корректном переходе от одночастичного режима рассеяния в зондируемом объеме к многочастичному, о величине средних коэффициентов модуляции мощности эхо-сигнала на доплеровской частоте в зависимости от числа частиц, величины зондируемого объема, пространственного периода интерференционной картины и длины волны ОКТ /17 / . С другой стороны, при анализе спектрального состава эхо-сигнала, несмотря на большое количество публикаций, не учитываются когерентные свойства рассеянного изулчения /14,22,43,60 /. В результате усложняется выеод корреляционной функции сигнала, проводится дополнительная операция усреднения по ансамблю частиц и в большинстве случаев не учитывается вклад модовой структуры лазерного источника.
Перечисленные вопросы актуальны в связи с разработкой и созданием метеорологических лидеров для решения целого ряда научных и прикладных задач. К наиболее главным можно отнести изучение поля скоростей ветра при прогнозировании аэрозольных и газовых загрязнений в крупных промышленных районах; исследования струйных течений, коэффициентов турбулентного перемешивания; измерения конвективных потоков в атмосфере, вертикальных сдвигов скоростей ветра над взлетно-посадочными полосами, вертикальных потоков по трассе полета и т.д. /26 / . Важно подчеркнуть, что е ряде задач указанные исследования могут быть реализованы лишь методами лазерной локации, а акустические методы оказываются совершенно неприемлемыми, например, при измерениях с борта самолета.
Целью диссертационной работы является:
I. Анализ связи функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения с модовой структурой ОКТ, эффективностью фото-
-у-
смешения и геометрическими параметрами когерентных лидаров.
2. Определение границ применения полученных соотношений в условиях турбулентной атмосферы и экспериментальная проверка основных результатов.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит е следующем:
Показано, что контур линии рассеянного лазерного излучения от каждой аксиальной моды ОКГ постоянен в пределах площади когерентности поля. На основе этого свойства определена функция взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения и установлена связь спектра эхо-сигнала с модовой структурой ОКГ и геометрическими параметрами когерентных лидаров.
Предложен и выполнен расчет эффективности фотосмешения через средние коэффициенты модуляции интерференционных биений, выраженные посредством нормированной взаимной интенсивности рассеянного лазерного излучения.
Для конфокальной схемы лидара получено уравнение лазерной локации, подчиняющиеся условию когерентного приема и установлены границы его применимости в условиях турбулентной атмосферы.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического указателя.
Во введении кратко отмечена актуальность задачи, указана цель исследований и их место в теории лазерной анемометрии.
В первой главе рассмотрены спектральные характеристики рассеянного лазерного излучения. В первом параграфе приведены основные схемы когерентных лазерных доплеровских измерителей скорости: гомодинная, гетеродинная, обратная и прямая дифференциальные. В оригинальной части показано, что контур линии рассеянного лазерного излучения постоянен в пределах площади когерентности поля и
-6-
не зависит от частоты аксиальных глод ОКГ. На основе полученного свойства установлены энергетические спектры эхо-сигнала для каждой когерентной схемы ЛДИС. Показано, что условием о постоянстве контура линии рассеянного излучения от каждой аксиальной моды ОКГ можно воспользоваться при расчете энергетического спектра эхо-сигнала в прямой дифференциальной схеме ЛДИС, осуществив переход в новую инерциальную систему отсчета, связанную с движущейся средой. Во втором параграфе, используя фурье-преобразование полученного энергетического спектра, проведен вывод функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения. Установлена связь корреляционной функции рассеянного излучения с модовой структурой ОКГ и проведена оценка допустимой ширины спектра лазерного генератора для когерентных доплеровских измерителей скорости.
Во второй главе рассмотрены энергетические параметры рассеянного лазерного излучения Eia цоплеровской частоте. В перюм параграфе рассчитана эффективность фотосмешения в прямой дифференциальной схеме ЛДИС. Показано, что эффективность фотосмешения в прямой дифференциальной схеме можно рассчитать с помощью средних коэффициентов модуляции интерференционных биений рассеянного излучения, осуществив переход в новую инерциальную систему отсчета, связанную с движущейся средой. Исследована эффективность фотосмешения в зависимости от распределения интенсивности лазерных лучей, размеров частицы, пространственного периода интерференционной картины, величины зондируемого объема, числа частиц и длины волны ОКГ. Во втором параграфе рассмотрена задача о влиянии пространственной фильтрации рассеянного излучения на величину коэффициентов модуляции интерференционных биений эхо-сигнала. Предложены модифицированные схемы гетеродинного и обратного дифференциального лидаров с одновременной регистрацией проекции скорости и направления движения среды и установлена максимальная эффективность фотосмешения при
-г-
использовании пространственных фильтров. Отмечено, что при расчете мощности рассеянного излучения на доплеровской частоте в когерентных схемах ЛДКС таких, как гомоданная, гетеродинная я обратная дифференциальная надо использовать уравнение лазерной локации, приведенное к площади когерентности поля. В третьем параграфе рассмотрено уравнение лазерной локации для конфокальной схемы лидара. Установлено, что уравнение лазерной локации, записанное для конфокальной схемы ЛДКС, автоматически подчиняется условию когерентного приема. Указаны границы применения полученного уравнения лазерной локации при зондировании в условиях турбулентной атмосферы и методика расчета мощности рассеянного излучения на доплеровской частоте для каждой схемы когерентного лидара.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию спектральных и энергетических характеристик рассеянного лазерного излучения. В первом параграфе на установке, выполненной по схеме дифрактометра Юнга, исследована огибающая степени взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения для двух вариантов, когда две приемные апертуры расположены внутри площади когерентности поля и когда база разнесения приемных апертур превышает радиус когерентности. Установлено, что в пределах площади когерентности поля спектр рассеянного лазерного излучения постоянен и два луча, сформированные из волны, отраженной вращающимся экраном, образуют стационарную интерференционную картину. Во втором эксперименте зарегистрирована видность четырех реализаций бегущей интерференционной картины, полученных через интервалы времени, кратные половине периода разностной доплеровской частоты, и, используя критерий Стыодента, сделан вывод о степени согласования экспериментальных и теоретических данных. В следующем эксперименте апробирован способ увеличения эффективности фотосмешения с помощью простран-
-8-
ственного фильтра без предварительного согласования волноеых фронтов. Измерены коэффициенты модуляции мощности эхо-сигнала на разностной доплеровской частоте при оптимальной пространственной фильтрации рассеянного излучения и зарегистрированы лазерным доп-леровским измерителем, выполненным по обратной дифференциальной схеме, скорости роста растений и конвективного потока.
В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.
На защиту выносятся следующие основные положения.
1. Ширина линии рассеянного излучения от каждой аксиальной моды ОКТ является постоянной в пределах площади когерентности поля и контур линии не зависит от частоты продольных мод генератора.
2. Рассчитанные функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения устанавливают вклад модового состава ОКТ и геометрических характеристик когерентных доплеровских измерителей скорости в структуру эхо-сигнала.
3. Рассчитанные коэффициенты модуляции интерференционных биений рассеянного лазерного излучения на разностной доплеровской частоте определяют эффективность фотосмешения е прямой дифференциальной схеме ЛДИС.
4. Пространственная фильтрация рассеянного лазерного излучения на фотокатоде приемника обеспечивает одновременное измерение проекции скорости и направления движения среды в гетеродинной и обратной дифференциальной схемах ДДИС с высокой эффективностью фотосмешения.
5. Уравнение лазерной локации для конфокальной схемы ЛДИС подчиняется условию когерентного приема и мощность рассеянного излучения в указанной схеме лидара повторяет высотный ход объемного коэффициента рассеяния с точностью до величины, характеризующей прозрачность слоя атмосферы.
-9-
Апробадия работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на 6-й Международной конференции по лазерному исследованию атмосферы, г.Сендай, Япония, 1974 г.; на 3-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному зондированию атмосферы,
г.Томск, 1974 г.; на Всесоюзной конференции "Радиофизические исследования атмосферы", г.Ленинград, IT0, 1975 г.; на 4-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному зондированию атмосферы, г.Томск, 1976 г.; на 5-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, г.Томск, 1978 г.; на 5-м Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере, г.Томск, 1979 г.; на 6-м Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы, г.Томск, 1980 г. В целом диссертация обсуждалась на научных семинарах отдела контроля активных воздействий ДАО и лаборатории оптики рассеивающих сред института физики АН БССР.
Публикации. По материалам диссертации получено авторское свидетельство № 122823 от I.12.1978. Основные результаты опубликованы в трудах рассмотренного ранее списка международных и всесоюзных конференций, а такие в следующих статьях: I. К методике определения скорости ветра дифференциальным измерителем. - Труды ЦАО, 1977, вып.130, с.21-27 (Винцлав Г.Е., Костко O.K.). 2. Лазерно-локационные измерения скорости ветра методом пространственной фильтрации сигнала. - Квантовая электроника, 1978, т.5, № 4, с.765-772 (Винц-лав Г.Е., Гусаров В.П., Костко O.K., Кравец Л.В., Суховольский В.М.). 3. Использование метода оптической фильтрации для измерения скорости ветра. - Труды ДАО, 1979, вып.135, с.89-100 (Кравец Л.В., Суховольский В.М.). 4. Расчет энергетических параметров лазерного измерителя скорости ветра. - Труды ДАО, 1979, вып.138, с.75-79 (Кравец Л.В., Суховольский В.М.).
-ю-
Г л а в а I
ФУНКЦИИ ВЗАИМНОЙ КОГЕРЕНТНОСТИ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Теоретические исследования спектрального состава сигнала ЛДИС необходимы для анализа точности измерения /5/ , интерпретации результатов исследования, выбора частотных параметров оптического генератора и построения оптимальных схем доплеровских лидеров /16/ Спектр сигнала ЛДИС анализировался с разной степенью полноты учета факторов движения рассеивающей среды, модового состава ОКТ и количества рассеивающих частиц в работах /12,42,51,47,69,81 /. Наиболее полные исследования спектра сигнала ЛДИС, проведенные в работах /14,22 /, были выполнены на основе подхода к фототоку как частотно-модулироБанному случайному процессу, и вывод корреляционных функций сигнала был проведен на основе анализа временных реализаций доплеровского фототока. Ниже вывод функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения проведен автором диссертации в спектральной области с последующим фурье-преобразованием энергетического спектра эхо-сигнала. Для упрощения вывода функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения использован полученный автором результат о постоянстве контура линии рассеянного лазерного излучения от любой аксиальной моды ОКТ в пределах площади когерентности поля /57 /. Различные факторы движения рассеивающей среды: течение с постоянной скоростью, диффузия частиц, слаботурбулентные и сильнотурбулентные течения учитываются с помощью пространственно-временных функций Ван-Хова, структуры которых получены в работах /22,29 /.
Расчет функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения, при условии постоянства спектрального контура
сигнала в пределах площади когерентности поля, справедлив для когерентных схем ЛДИС, таких как гомодинная, гетеродинная и обратная дифференциальная. Для вывода функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения в прямой дифференциальной схеме лидара должен быть осуществлен переход в новую инерциальную систему отсчета, связанную с движущейся средой. С точки зрения наблюдателя, расположенного в движущейся системе отсчета, задача об уши-рении спектрального контура каждой аксиальной моды ОКТ исследуется в пределах площади когерентности поля и, следовательно, при выводе функции взаимной когерентности рассеянного лазерного излучения можно воспользоваться указанным подходом.
]>!'. Спектр рассеянного лазерного излучения в пределах площади когерентности поля
Подробные обзоры по лазерной анемометрии/15,17,40,73/позволяют установить три основные схемы лазерных доплеровских измерителей скорости: гетеродинную, гомодинную и обратную дифференциальную, для которых характерно условие когерентности приема сигнала
рающийся на сечение зондируемого объема. Информация о спектральных параметрах сигнала содержится в интерференционных биениях оптического излучения, возникающих на фотоприемнике при взаимодействии опорной волны с рассеянной, двух рассеянных волн, а также при самобиениях одной рассеянной волны. В каждой схеме когерентного
где о - площадь приемной антенны, поля, А - длина волны излучения ОКТ
ос -площадь когерентности & -телесный угол, они-
Рис. ГЛ. |Гомодинная схема ДЩС; I— ОКГ; 2-I ! •
Фабри-Перо; 3- приемо-передающая оптика,
приемнйк; 5- коррелятор.
Рис. 1.2. Гетеродинная схема ДЦИС: I- СО^, лазер; 2- телескоп;
' ' \ ,
3- фокусирующая линза; 4- аттенюатор; 5- фотоприемник; б- регистрирующая аппаратура.
- Київ+380960830922