СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ Российский патент 1995 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к дистанционным методам зондирования динамических объектов и может быть использовано для определения векторного поля скоростей в жидкостях или газах.

Известен способ определения поля скоростей, основанный на импульсном зондировании и вычислении функции взаимной корреляции интенсивности отраженного сигнала для различных точек пространства [1].

Однако этот способ имеет плохую точность при наличии турбулентных движений в зондируемой среде, т.к. структуры неоднородностей (за перемещением которых в пространстве происходит слежение) при наличии турбулентности искажается.

Наиболее близким к предложенному является способ определения поля скоростей, включающий излучение импульсных сигналов, регистрацию рассеянного сигнала и определение зависимости проекции скоростей рассеивателей на направлении зондирования от дальности [2].

Недостатками известного способа являются недостатки, свойственные импульсным когерентным системам. Это сложность импульсных систем, неоднозначность определения скоростей рассеивателей, ограниченный диапазон используемых длин волн.

Целью предложенного способа определения поля скоростей является расширение диапазона измеряемых скоростей, за счет исключения их неоднозначности.

Для достижения поставленной цели в способе определения поля скоростей, включающем излучение импульсных сигналов, регистрацию рассеянного сигнала и определение зависимости проекции скоростей рассеивателей на направлении зондирования от дальности, в котором согласно изобретению, дополнительно зондируют трассу непрерывным излучением, получают доплеровский спектр рассеянного непрерывного излучения, по импульсному сигналу определяют распределение отражаемости вдоль трассы, а зависимость проекции скоростей рассеивателей на направление зондирования от дальности вычисляют по функции взаимной корреляции между доплеровским спектром и распределением отражаемости по трассе.

Предложенный способ однозначно регистрирует любые скорости рассеивателей, с его помощью можно производить измерения в оптическом, радио, -СВЧ диапазоне длин волн, в акустике, можно использовать моделированные потоки частиц или излучения.

На фиг. 1 показана схема устройства в случае, когда для создания сигналов импульсных и непрерывных используют разные источники; на фиг. 2 - показана схема устройства, в котором сигналы создают одним источником.

При зондировании движущихся сплошных сред, например газов, жидкостей и т. д., число рассеивателей, переносимых средой и пересекающих луч постоянно флуктуирует вокруг некоторых средних значений. Доплеровский спектр формируется из сигналов, отраженных рассеивателями, находящимися на трассе, поэтому увеличение или уменьшение рассеивателей на некотором участке трассы (R_i, R_i + dR) приводит к увеличению или уменьшению отражаемости σ (R_i) и, одновременно, к увеличению или уменьшению спектральной плотности S на частоте V_i (проекции скорости), которую имеют эти появившиеся или исчезнувшие частицы. Т.е. спектр S(V) и отражатель σ (R) изменяются согласно, коррелируют только в тех парных точках (V_i, R_i), которые соответствуют искомой зависимости V(R). Корреляции между точками V_i и R_j, которые не удовлетворяют зависимости V(R), не будет, исходя из независимости флуктуаций S(V_i) и σ (R_j). Поэтому по максимумам функции взаимной корреляции можно для каждой дальности R определить частоту V, которая изменяется согласованно, т.е. которая соответствует данной дальности, тем самым определить зависимости V(P).

Предложенный способ может быть реализован устройствами двух различных конструкций.

Пример определения поля скоростей в атмосфере с помощью двух лазеров, работающих попеременно в импульсном и в непрерывном режимах.

Устройство для определения поля скоростей (для данного случая) состоит из импульсного лазера 1, его блока управления 2, непрерывного лазера 3, отводящих его излучение полупрозрачных зеркал 4 и 5 в гетеродинные фотоприемники 6, 7, собирающего сферического зеркала 8, волоконных линий 9, интерференционных фильтров 10, 11 и блока обработки 12.

Импульсный лазер 1 излучает импульсы длительностью τ = 10^-8 с и частотой повторения f_повт = 10⁵ Гц на длине волны λ₁ = 0,630 мкм. Регистрируя мощность импульсов рассеянного излучения при различной временной задержке τ_зад , определяют зависимость σ (R, t) - отражаемости среды от дальности P = , где С - скорость света, t - время.

Одновременно лазер 3 создает непрерывное излучение на длине волны λ₂ = 0,6000 мкм, распространяющееся по той же траектории, что и импульсное. Рассеянное непрерывное излучение и часть потока от лазера 3 смешивают на фотоприемнике 7 (например, методом прямого гетеродинирования), получая затем доплеровский спектр S (V, t) непрерывного сигнала, который также как и σ (R, t) изменяется с течением времени t из-за смены рассеивающих частиц на трассе. Здесь V = 2f_допл/ λ - обобщенная доплеровская частота, равная проекции скорости рассеивателей на направление зондирования.

Затем проводится математическая обработка полученных зависимостей σ (R, t) и S (V, t) на компьютере. Вычисляется функция взаимной корреляции Φ (R, V) функций σ_норм (R, t) и S (V, t) во времени
Ф(R₁V) = σ_норм(R₁t)S(V₁t)dt где Т - время измерений вдоль данной трассы, например Т = 5 с,
σ_норм(R₁t) = σ(R₁t)-σ_ср(R), σ_ср(R) = σ(R₁t)dt - среднее значение отражаемости на данной дальности Р.

Для каждого значения R на функции Φ (R, V) выбирается такое значение V_i, при котором она достигает максимума. Полученная таким образом зависимость V_i(R_i) для множества R_i и является искомой зависимостью проекции скорости V рассеивателей на направление зондирования от дальности R.

Устройство для определения поля скоростей может быть выполнено и с одним лазером. В этом случае Лазер 1 с помощью блока управления 2 последовательно переключают то в непрерывный, то в импульсный режим. В непрерывном режиме основная часть излучения через полупрозрачное зеркало 4 проходит в зондируемую среду, а часть направляется в качестве опоры на гетероидный фотоприемник 7. Рассеянное излучение принимают сферическим зеркалом 8 и через световод 9 направляют на дефлектор 13, который при непрерывном режиме работы открыт и излучение через полупрозрачное зеркало 5 совместно с опорным излучением смешиваются на гетероидном фотоприемнике 7, на выходе которого регистрируют оптический сигнал в квадратичный фотоприемник 6, на входе которого регистрируется интенсивность рассеянного импульсного излучения. В блоке 12 производится дальнейшая обработка электрических сигналов фотоприемников.

Лазер попеременно работает то в непрерывном, то в импульсном режиме на одной и той же длине волны, например, λ = 0,63 мкм. Каждый режим работы продолжается в течение 10^-4 с. В течение первых 100 мкс сигнал попадает совместно с опорой на гетеродинный фотоэлектрический умножитель 7, с выхода которого доплеровский электрический сигнал подается в блок обработки, где получают доплеровский спектр S(V). В течение следующих 100 мкс лазер излучает 10 импульсов длительностью 10^-8 м с частотой повторения 10⁵ Гц (период повторения 10 мкс). Дефлектор 13 в течение этих 100 мкс направляет сигнал на ФЭУ 7, на входе которого получают интенсивность рассеянных импульсов, а после соответствующей обработке блоком 12 - распределение отражаемости по трассе σ (R). В течение следующих 200 мкс получают зависимость S(V, t₂) и σ (R, t₂), которые в дальнейшем обрабатываются по корреляционным методу.

Использование: для определения векторного поля скоростей в жидкостях и газах. Сущность изобретения: расширение диапазона измеряемых скоростей за счет исключения их неоднозначности обеспечивается тем, что дополнительно зондируют трассу непрерывным излучением, получают доплеровский спектр рассеянного непрерывного излучения, по импульсному сигналу определяют распределение отражаемости вдоль трассы, а зависимость проекции скоростей рассеивателей на направление зондирования от дальности вычисляют по функции взаимной корреляции между доплеровским спектором и распределением отражаемости на трассе. 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ СКОРОСТЕЙ, включающий зондирование среды импульсным излучением, регистрацию рассеянного сигнала и определение зависимости проекции скоростей рассеивателей на направление зондирования от дальности, отличающийся тем, что дополнительно зондируют трассу непрерывным излучением, получают допплеровский спектр рассеянного непрерывного излучения, по импульсному сигналу определяют распределение отражаемости вдоль трассы, а зависимость проекции скоростей рассеивателей на направление зондирования от дальности вычисляют по функции взаимной корреляции между допплеровским спектром рассеянного непрерывного излучения и распределением отражаемости вдоль трассы зондирования.