Способ измерения скорости потоков Советский патент 1982 года по МПК G01P3/36 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТУ ПОТОКОВ

1

Изобретение относится к измеритель-, ной технике и может найти применение в экспериментальной гидродинамике.

Известен способ измерения скорости, заключающийся в формировании в нсспедуемой области потока когерентного зондирующего оптического поля с известной npocTpaHCTBeffflo-частотной структурой, поспедующем фотоэлектрическом преобразовании в рассеянном свете и измерении ,д частоты полученного эпектрического сигнала щ,

Основным недостатком этого способа является пониженная точность измерений фазового шума, возникающего при ,5 наложении сигналов от нсскошзких частиц одновременно находящихся в зондируемом объеме.

Наиболее близким по технической суш- 2о ности к изобретению является способ, заключающийся в формировании в исспедуёмой области потока когерентного оптического зондирующего поля с известной

линейной пространственно-частотной струкчурой, фотоэлектрическом преобразоваиии рассеянного света в электрическнй доппперовский ciipHan. Пространствешю-разДе- ленные части оптического попя лоадлизованы так, чтобы они пересеки пнсь неко1 ре)и1рованными потоками рассеивак:1шпх частиц. При JTOM фазовый игум. вызво.нный напожонием сигналов от нескольких частиц, при коррелировании электрических сигналов подав1шс1ч;я i2.

Недостатком известного способа является пониженная точность измерений изза большого объема, по Koropo ty усредняется результат измерений. При этом ухудщается пространственное разрешение. Вместо искомой автокорреляционной функции процесса определяется коэффициент пространственной Корреляции, Реализация способа требует определенной взаимной ориентации aoiiAiipyiomiix полой в иссподуемой среди, что не всегда осуществимо на практике. Непь изобретения - повышение точности измерений. Поставпенная цепь достигается тем, что в способе измерения скорости потоков, закгаочаюшемся в формировании зондирующего когерентного оптического попя с известной линейной пространственночастотной структурой, фотоэпектрическом преобразовании рассеянного света в эпектриче кий доппперовский сигнап, по кото-. рому судят о скорости потока, вьщеляют когерентную и некогерентную состав.пяющие доппперовского сигнала и определяют взаимно крррепяционную функцию дпя этих составляющих допп перовского сигнала. На чертеже представлена схема устройства дпя осуществления способа. Устройство содержит последовательно расположенные пазер 1, коллиматор 2, лучевой расщепитель 3,формирующий объектив 4, приемный объектив 5, апертурную диафрагму 6, полупрозрачное зеркало 7, объектив 8 и фотоприемник 9. Задняя фурье-ппоскость объектива 5 и перед няя фурье-плоскость объектива 8 простра ственно совмещены. Фотоприемник 9 помещен в задней фурье-плоскости объектива 8, которая оптически сопряжена с пло костью, в которой локализовано зондирующее оптическое поле. На пути отраженного от полупрозрачного зеркала 7 пучка последовательно размещены колпиматор 10 и фотоприемник 11. Выходы фотоприемников через фильтры 12 и 13 подключены к входам дифференциального усилителя 14, к выходу которого подсоединен демодулятор 15, Другой частотный демодулятор 16 подключен к выходу фотоприемника 12. Коррелятор 17 подсоединен к выходам частотных демодуляторов 15 и 16. Способ осуществляется следующим образом. Лазер 1, коллиматор 2, цучевой расщепктель 3 и объектив 4 формируют в исследуемой области потока когерентное, локализованное в малом объеме, зондирующее оптическое поле, образованное су перпозицией двух пересекающихся интерферирующих световых пучков. Пространственно-частотная структура зондирующего Световогополя полагается известной. Она определяется размером интерференционной полосы в зондирующем поле и равна ш 2sm2e где 26 - угол между интерферирующими цветовыми пучками. Пусть К, и к - Волновые векторы этих пучков. При пересечении светового пучка движущейся со скоростью V рассеивающей частицей в рассеянном пучке появляется допплеровский сдвиг частоты, равный СО d -V(),гдe волновой вектор рассеянного пучка, Кл - волновой вектор } -го падающего пучка. Если в области пересечения двух падающих пучков одновременно находятся 4acTHUj результирующий световой пучок, рассеянный в направлении g , является суперпозицией волн, рассеянных каждой частицей JU4irs-ir lv,lU-tn) г А.-е им (}.1 ц где А П( - амплитуда поля, рассеянного от (J-го пучка п-и частицей, Vfl -скорость П-и частоты, trt - момент вхождения П-й частицы в область локализации зондирующего светового поля. Рассе5шный свет ограничивается впертурной диафрагмой 6 И объективом 5, выполняющим прямое фурье-преобразование оптического сигнала, направляется на полупрозрачное зеркало 7. Отраженный itoлупрозрачным зеркалом 7 свет через уменьшающий коллиматор 10 направляет ся на фотоприемник 11, где формируется изображение фурье-образа зондирующего оптического поля. На выходе фотоприемника 11 с малой апертурой получается электрический сигнал, пропорциональный квадрату модуля светового поля. Фильтр 11 отфильтровывает низкочастотный пьедестал. На выходе фильтра подучается сигнал «p4 fe/mAn2C05 v(k;.k;)t,q)« М ( 5 ..(.k;)t. , (з) дри 2 m, Сигнал после фильтра li содержит две компоненты, частота которых равна разностной допплеровской частоте c3 T{k;-K,)-i., (4) где W - размер интерференционной полосы, определяемой формулой (1). Одна компонента образована оптическим смещением световых волн, рассеянных на од-. ной (П-й) частице. Другая, так называемая перекрестная или когерентная, компонента, поручается из-за оптического смещения световых вопн, рассеянных на различных ( 6 -и и m -и) частицах. Рассеянный свет, прошедший через полупрозрачное зеркало, объективом 8, выпопняющим обратное фурье-преобразова-. ние, направляется на фотоприемник 9. В плоскости фотоприемника формируется в рассеянном свете изображение зондирующего оптического поля. В этом случае световые волны, формирующие изображения рассеивающих частиц на светочувствительной поверхности фотоприемника 9, пространственно не перекрываются и оптически не смешиваются, т.е. в электрическом сигнале на выходе фотоприемника 9 перекрестная компонента отсутствует. На выходе фильтра 12 получается сигнал с отфильтрованным пьедесталом Мf. (Р 2г /т П1С°Ч 1 г- Н Чп1 (5) П- Сигналы с выходов фурье-канала и канала изображения поступают на дифференциальный усилитель. После частотной демодуляции (на выходе частотного демодулятора 15) получается сигнал вида UA o6piu;-K,, где ы «тг 1,06 - константа, dti После частотной демодуляции (на выходе частотного демодулятора 16) получаем сигнал и,)4ц,, (7) -гдес|) дСр. .. Сигналы с выходов частотных демодуляторов поступают на коррелятор. Резуль тирующая взаимная корреляционная функция сигналов имеет вид RltbSuiiii4-j)u,a)at )v(trdt4 jviut)M;(tUt4 . jiyU O tldUJi fltnjt Uldt. W ы определяется попарной разностью фаз сигналов от различных частиц, а ( фазой сигнала от единичной частицы. По.этому Ц/ и Ц являются статически независимыми случайными величинами. Отсюда в выражении (8) для взаимной-Тсорреляционной функции второй, третий и четвертый члены обращаются в нуль. .Резуль тируюшая коррекгшционная функция имеет - |vlUt V(i)dl.- (9) Спедоватепьно, редупьтирующая взаимно корреляхшонаая функция совпадает с автокорреггационной функцией измеряемой величины - скорости и не зависит от фазовых шумов. При этом измерения осуществляются с высоким пространственным разрешением, так как отпадает необходимость формировать зондирукшее оптическое попе в виде двух пространственно разнесенных: интерференционных полей. Более высокая точность достигается тем, что измеряется непосредственно автокорреляционная функция исследуемого процесса, усредненная по малому объему, тогда как в известном способе измеряется взаимно корреляционная функция ис следуемого процесса в двух пространств венно-разделенных объемах. Эта функция приближенно совпадает с автокорреляционной только для процессов, пространственный масштаб турбулентности в которых значительно превышает расстояние между зондирующими объемами. Формула изобретения Способ измерения скорости потоков, заключающийся в формировании зондирующего когерентного оптического поля с известной линейной пространственно-частотной структурой, фотоэлектрическом преобразовании рассеянного света в электрический допплеровский сигнал, по которому судят о скорости потока, о т ji и чающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, выделяют когерентную и некогерентную составляющие допплеровского сигнала и определяют взаимно корреляционную функцию для этих составляющих допплеровского сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3548,665, кл. 73-194, 1970. 2.Дубнищев Ю. Н. и др. Шум наложения в ЛДИС и пути его снижения. Автометрия, 1976, N 3, с. 53-6О (прототип)..