Способ измерения поля скорости движущихся сред Советский патент 1977 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относи-, ся к технике оптических измерений, в частности используемы.х при гидро- и аэродинамических, исследованиях, при определении пространственного распределения скоростей в потоках различных движущихся сред в химической технологии и т. д.

Известен способ определения поля скорости движущихся сред, состоящий в определении локальной скорости движения с применением лазерного допплеровского измерителя скорости. При.менением нескольких измерительных каналов можно получить информацию о локальных скоростях в числе точек, равном числу измерительных каналов 1. Недостатком этого способа является сложность системы, связанная с .необходимостью использования многих сложных в технологиче ском отношении измерительных каналов, и в связи с этим ограниченность числа ин формативиых точек в исследуемой о-бласти движущегося объекта.

Наиболее близким -по технической сущности к предлагаемому способу является способ, состоящий в освещении исследуемого движущегося объекта когерентным световым пучком и получении голограммы объекта с применением опорного пучка, частота которого , смещена на известну о величину. В результате на голограмме будут зафиксированы линии равной скорости, соответствующие тем локальным участкам объекта, которые в рассеянный свет вносят допплеровский сдвиг частоты, равный частотному сдвигу в опорном пучке. Для получения информации о поле скорости необходимо последовательно во времени получать различные голограммы при различных частотных сдвигах опорного пучка. С помощью таких голограмм осуществляется таким образом последовательное выделение из рассеянного света излучения, испытавщего определенный допплеровский сдвиг частоты 2.

Основным недостатком такого метода является невозможность одновременного получения информации о распределении различных

значений скорости в исследуемой области движущегося объекта и визуализации поля скорости.

С целью визуализации поля скорости предлагается способ измерения поля скорости, отличающийся от прототипа тем, что рассеянный движущимся объектом свет последовательно фильтруют низкочастотным фильтром пространственных частот, дискриминируют оптическим частотным дискриминатором, выполненным, например, в виде поглощающей ячейки, и регистрируют в плоскости изображения .исследуемой области движущегося объекта.

На фиг. 1 приведена возможная схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - контур поглощения оптического частотного дискриминатора. Устройство (фиг. 1) содержит освещающую систему, состоящую из источника когерентного излучения 1 и коллиматора 2, 3, оптияеская ось которой «аправлена на исследуемую область движущегося объекта 4, где она пересекается с оптической осью измерительной системы, и измерительную оптическую систему, содержащую последовательно расположенные объектив 5, низкочастотный фильтр 6, объектив 7, поглощающую ячейку 8 и регистрирующее устройство 9, в качестве которого может служить фотоаппарат либо передающая телевизиолная трубка (видикон) с выводом изображения на телевизионный экран. Принцип работы устройства, показанного на фиг. , состоит в следующем. Движущийся объект 4 освещается коллимированным когерентным световым пучком от источника 1. Свет, рассеянный участком исследуемой области движущегося объекта имеет дояплеровский частотный сдвиг, пропорциональный скорости этого участка. Если выбрать направления рассеянных пучков от каждого участка одинаковыми, то ,п У„(К,-К), где ti)dn - круговая допплеровская частота в свете, рассеянном л-м участком в направлении /Cs; Vn - вектор скорости движения л-го участка;Кг - волновой вектор падающего пучка; Ks-волновой вектор выделенного рассеянного пучка. Как следует из .фиг. 1 «)„ V, (К, - К,} , - ,/cos ср У„cos Ф-2Лsine,(2) где Fn cos ф - проекция вектора скорости на направление t(s-К.г .i - для скоростей движенияС - скорость света; 20 - угол между направлениями падающего и рассеянного световых пучков. Так как падающий и рассеянный световые пучки ограничены конечными телесными углами, то даже постоянной скорости движения рассеивающего объекта будет соответствовать некоторый опектр допплеровских частот, щирина которого определяется неопределенностью напр лений олновых векторов падающего (Kio± ±А/Сг) и рассеянного (/СвогЬАЯз) световых пучков. Дифференцируя равенство (2) по в и переходя от дифференциалов к приращениям, можно получить для оценки инструментальной щирины спектра дапплеровских частот: -2 со8еде)(3) где У„ У„ cos р. Отсюда относительная инструментальная щирина допплеровского спектра равна: Aectge.(4) dn Для измерений необходимо, чтобы относительная инструментальная ширина допплеровского спектра была бы меньше допустимой относительной погрешности измерения скорости: - де ctg 9 у. Отсюда получается условие, которому должна удовлетворять угловая ширина выделенного рассеянного пучка: Поэтому в оптической системе, формирующей изображение рассеивающей области, установлен низкочастотный пространственный фильтр 6, выделяющий только те рассеянные пучки, угловое расхождение которых удовлетворяет условию выполнения заданной точности изме-рений. Как известно, такой фильтр выполняется в виде диафрагмы, помещенной на оптической оси в фокальной плоскости объектива 5. Размер диафрагмы определяется соотношением:S 2РД0 : где F - фокусное расстояние объектива 5. Изображение исследуемой области объекта формируется в отфильтрованных рассеянных пучках, прошедших через поглощающую ячейку 8 на регистрирующее устройство 9. Ячейка 8 заполнена веществом, контур поглощения которого привязан к частоте когерентного пучка, освещающего объект, так, чтобы допплеровские частоты рассеянных пучков прихоились на линейный участок контура, как это показано на фиг. 2. Тогда па выходе поглоающей ячейки интенсивность светового пуча, рассеянного п-тл элементом исследуемого объекта, можно описать выражением .«(l-5(oj где Esn - амплитуда рассеянного пучка на ходе ячейки; вп - амплитуда рассеянного пучка на выхое ячейки; S - крутизна рабочего участка контура полощения;Шип - допплеровский сдвиг частоты в расеянном пучке. Если т - время экспозиции изображения -го участка, то интенсивность результируюего рассеянного пучка, осредненного за время экспозиции т, можно записать в следующем виде: /„, . -1ГI Esn Р (1 - So, J dt, (9) В общем Случае исследуемый объект содержит элементы с разной рассеивающей способностью и меняющейся во времени скоростью движения. Поэтому интенсивность рассеянного пучка Е и допплеровская частота «dn являются функциями времени: Esn(t Можно оценить величину минимального элемента рассеивающего объекта, который разрешается оптической системой, формирующей язобрал ение в отфильтрованных рассеянных пучках. Этот размер, как известно, определяется из условия, что угол дифракции на нем падающего светового пучка составляет величину, не большую, чем Дв: X. I-. ctg в где Л, - длина волны излучения. Отсюда время пересечения области п рассеивающей частицей, имеющей скорость Vn, составляет величину XctgO Время ЭКСПОЗИЦИИ т следует выбирать больше, чем Тп, в таких пределах, чтобы усредненная за промежуток т интенсивность рассеянного светового потока, формирующего изображение элемента разрешения Wn, была одинаковой для любого элемента рассеивающей области | s7ip T s. Отсюда интенсивность рассеянного пучка в изображении «-го элемента рассеивающей среды оказывается, как это следует из (9), равной: /„. - Esn Г (1 - 5ш,„) di : I 5.1 t - . I 5„1 .PXl-5t«J.(12) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Это равенство справедливо, если частота пульсаций допплеровской частоты fn« - Следовательно, интенсивность рассеянного пучка в изображении каждого элемента рассеивающей области является линейной функцией -(12) от долплеровской частоты и, следовательно, скорости данного элемента, осредненной за время экспозиции т. Сформированное изображение представляет собой визуализированное поле скорости с пространственным разрешением, определяемым выражением (40). При больших размерах исследуемой области можно применить растровую оптическую систему с низкочастотным пространственным фильтром. Максимальная регистрируемая частота пульсаций скорости составляет величину, обратную выбранному времени экспозиции. Для численной тарировки визуализировандого поля скорости достаточно произвести из;мерение локальной скорости в малом участке ,рассеиваюш,ей области, равном элементу разрешения. Такое измерение можно осуществить с помощью известных лазерных допплеровских измерителей скорости. Формула изобретения Способ измерения поля скорости движущихся, сред путем выделения допплеровского сдвига частоты в .свете, рассеянном движущимися средами, отличающийся тем, что, с целью визуализации поля скорости, рассеянный свет последовательно фильтруют низкочастотным фильтром пространственных частот, дискриминируют оптическим частотным дискриминатором, выполненным, на-пример, в виде поглощающей ячейки, « регистрируют в плоскости изображения исследуемой области движущейся среды. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент Швейцарии № 517306, кл. G 01Р 3/36, 1972. 2. Мауо W. Т. In., Allen I. В. «New doppler holographic technique for fluid velocity visualization and measurement. Appl. Optics, 1971, 10, N 9, 2119-2126.