Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

СПЕКТРАЛЬНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО АНЕМОМЕТРА

Бакакин Г.В. 1 Аникин Ю.А. 1 Главный В.Г. 1 Двойнишников С.В. 1 Кабардин И.К. 1 Кротов С.В. 1 Павлов В.А. 1 Садбаков О.Ю. 1 Чубов А.С. 1
1 ФГБУН «Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН»
Предварительное частотно-временное преобразование электрических сигналов является обязательным этапом разработки лазерных доплеровских измерительных систем. Известные устройства работают в наиболее простом в реализации режиме одноканального частотного преобразования сигнала без промежуточной частоты. При этом теряется информация о знаке скорости. Переход к квадратурному режиму позволяет сохранить фазовую информацию и восстановить знак скорости измеряемого объекта. В работе рассмотрен малошумящий спектральный оптико-электронный квадратурный преобразователь сигналов, предназначенный для сохранения информации о знаке отклонения частоты доплеровского радиосигнала и представления ее в виде относительной фазы выходных радиосигналов. Преобразователь обеспечивает равенство фазовых (в том числе динамических) искажений в квадратурных каналах, что значительно улучшает метрологические характеристики лазерных доплеровских измерительных систем.
спектр
частота
акустооптический модулятор
квадратурный
1. Бакакин Г.В. Устройство управления акустооптическим модулятором в двухчастотном ЛДА // Оптические методы исследования потоков : труды 9-й Международной научно-технической конференции. – М. : Изд-во МЭИ, 2007. – С. 108-111.
2. Дубнищев Ю.Н., Арбузов В.А., Белоусов П.П., Белоусов П.Я. Оптические методы исследования потоков. - Новосибирск, Сибирское университетское изд-во, 2003. – 418 с.
3. Иванов А.И., Щербак Ю.М. Блок управления акустооптическим модулятором // Приборы и техника эксперимента. - 1992. – № 1. – С. 241.
4. Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений // ЖТФ. - 2007. – Т. 77. - № 5. - С. 47-57.
5. Meledin V.G. Informatics of Optoelectronic Measurements: Science and Innovative Industrial Technologies // Journal of Engineering Thermophysics. - 2009. - Vol. 18. – No. 2. – P. 99-128.

Введение

Создание современных методов диагностики потоков определяется возрастающими требованиями, связанными с проблемами оптимизации различных технологических процессов и создания техники нового поколения в энергетике, на транспорте, в машиностроении и т.д. [5]. Улучшение точности диагностики вихревых течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета. Не­смот­ря на раз­ви­тие ком­пь­ю­тер­ных сис­тем, по­зво­ляю­щих про­во­дить чис­лен­ное мо­де­ли­ро­ва­ние фи­зи­че­ских про­цес­сов, ре­шаю­щая роль при ис­сле­до­ва­ни­ях по-преж­не­му ос­та­ет­ся за экс­пе­ри­мен­том. Важнейшим требованием к измерительным приборам, наряду с обеспечением точности, является недопустимость механических возмущений исследуемых сред в процессе измерений. Перспективным инструментом бесконтактной диагностики является лазерная доплеровская анемометрия, обладающая высоким пространственно-временным разрешением [4].

Методы исследований

В настоящее время в лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) широко используется дифференциальная схема с двумя зондирующими пучками [2]. В качестве дифракционных лучевых расщепителей в таких схемах часто используются акустооптические модуляторы (АОМ), работающие в режиме дифракции Брэгга [4]. При этом дополнительным преимуществом использования дифференциальной схемы ЛДА, выполненной на основе комбинации АОМ и объектив, является некритичность регистрируемой доплеровской частоты к изменению длины волны лазерного излучателя. На рисунке 1 показана типовая схема оптоэлектронного тракта дифференциального ЛДА.

Рисунок 1. Структурная схема оптоэлектронного тракта дифференциального ЛДА.

Цифрами на рисунке обозначены:

1 – лазер (fL - частота излучения лазера);

2 – акустооптический модулятор (fG – частота гетеродина, определяемая типом АОМ);

3 – оптическая формирующая система;

4 – исследуемый объект, движущийся со скоростью V, пропорциональной доплеровской частоте F(V);

5 – оптическая приемная система;

6 – фотоприемник.

Наиболее простым в реализации является режим частотного преобразования сигнала лазерных доплеровских анемометров (ЛДА) без промежуточной частоты. Известные устройства управления АОМ [1; 3] двухчастотных ЛДА работают в одноканальном режиме. При этом теряется информация о знаке скорости (рис. 2а).

а) б)

Рисунок 2. Частотные преобразования фотоэлектронного сигнала в электронном измерительном канале ЛДА при нулевой промежуточной частоте. Показаны: а – спектр сигнала в одноканальном ЛДА; б – спектр сигнала в квадратурном ЛДА.

Переход к квадратурному режиму позволяет сохранить фазовую информацию и восстановить знак скорости измеряемого объекта (рис. 2б). Вместе с тем квадратурный режим сложен в реализации из-за необходимости обеспечения равенства фазовых (в том числе динамических) искажений в квадратурных каналах при условии малых шумов и высокой устойчивости к многократным импульсным перегрузкам.

Практическая реализация

На рисунке 3 представлена функциональная схема разработанного авторами спектрального фотоэлектронного квадратурного дифференциального преобразователя сигналов для ЛДА. Преобразователь состоит из кварцевого задающего генератора 1, предварительного усилителя 2 и оконечного усилителя мощности 3 и квадратурного дифференциального смесителя 4. Назначение смесителя – перенос спектра выходного сигнала фотоприемника в область промежуточной частоты (в данном случае – нулевой).

Кварцевый генератор содержит собственно кварцевый генератор 1.1, работающий на пятой гармонике резонатора, и буферный каскад 1.2. Выходной сигнал этого буферного каскада, усиленный резонансным двухкаскадным предварительным усилителем 2.1 и регулируемым оконечным усилителем мощности 3.1, через выходной согласующий П-контур 3.2 по линии связи ЛС подводится к акустооптическому модулятору АОМ.

Смеситель квадратурный 4 состоит из фазовращателей 4.1 и 4.1, буферных каскадов 4.3 и 4.4, балансных модуляторов 4.5 и 4.6, фильтров нижних частот 4.7 и 4.8 и дифференциальных усилителей 4.9 и 4.10.

Рисунок 3. Функциональная схема спектрального фотоэлектронного квадратурного дифференциального преобразователя сигналов ЛДА.

Сигнал кварцевого генератора 1.1 через буферный каскад 1.2 подается на фазовращатели 4.1 и 4.2, формирующие квадратурный сигнал, который подводится к сигнальным входам балансных модуляторов 4.3 и 4.4. На гетеродинные входы этих модуляторов подается радиосигнал фотоприемника ЛДА, содержащий доплеровскую компоненту F(V), частоту гетеродина fG , а также различного рода аддитивные шумы. Информация о модуле скорости движения исследуемых объектов содержится в частоте выходных сигналов модуляторов. Эти сигналы проходят через фильтр нижних частот 4.7 и 4.8 с частотой среза 5 МГц, дифференциальные усилители 4.9, 4.10 и поступают на входы сигнального процессора ЛДА. Применение согласованного двухканального дифференциального тракта с оптимизированной переходной характеристикой, соответствующей фильтрам Бесселя 10 порядка, позволило существенно снизить уровень синфазных помех в полезном сигнале и, как следствие, повысить точность определения доплеровской частоты.

Заключение

Для предварительного частотно-временного преобразования электрических сигналов предложен и реализован малошумящий спектральный оптико-электронный квадратурный дифференциальный преобразователь сигналов ЛДА. Преобразователь предназначен для сохранения информации о знаке отклонения частоты доплеровского радиосигнала и представления ее в виде относительной фазы выходных радиосигналов, формирования сигнала, управляющего акустооптическим модулятором, переноса спектра выходного сигнала фотоприемника в область нулевой частоты. Преобразователь обеспечивает равенство фазовых и динамических искажений в квадратурных каналах, что положительно влияет на метрологические характеристики ЛДА. Преобразователь реализован в лазерном анемометре «ЛАД-015», установленном во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург. ЛДА «ЛАД-015» внесен в Государственный реестр средств измерений, № 46694-11.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 11.519.11.6022).

Рецензенты:

Бердников Владимир Степанович, д.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.

Лежнин Сергей Иванович, д.ф.-м.н., профессор, г.н.с., Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.


Библиографическая ссылка

Бакакин Г.В., Аникин Ю.А., Главный В.Г., Двойнишников С.В., Кабардин И.К., Кротов С.В., Павлов В.А., Садбаков О.Ю., Чубов А.С. СПЕКТРАЛЬНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КВАДРАТУРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО АНЕМОМЕТРА // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=8794 (дата обращения: 26.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252