Лазерная доплеровская анемометрия

Принцип действия лазерной доплеровской анемометрии

Лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА) основана на эффекте Доплера — изменении частоты излучения, рассеянного движущимися частицами среды. При пересечении двух когерентных лазерных пучков в измерительной зоне образуется интерференционная структура, состоящая из чередующихся светлых и тёмных полос — стоячей волны. Частицы, находящиеся в потоке и пересекающие эти полосы, рассеивают излучение, модулированное с частотой, зависящей от их скорости. Эта частота и есть доплеровская частота, по которой рассчитывается локальная скорость потока.

Интерференционная зона и пространственная решётка

В месте пересечения двух когерентных пучков с углом θ образуется система интерференционных полос, расстояние между которыми определяется выражением:

$$ d = \frac{\lambda}{2 \sin(\theta/2)}, $$

где λ — длина волны лазерного излучения, θ — угол между пучками. Частицы, перемещающиеся через эту зону, попадают в модулированное по интенсивности поле. При этом, если скорость частицы вдоль направления решётки равна v, то частота модуляции сигнала (доплеровская частота) равна:

$$ f_D = \frac{v}{d}. $$

Таким образом, измерив частоту модуляции рассеянного сигнала, можно определить компоненту скорости частицы, проецируемую на направление решётки.

Оптическая схема ЛДА

Базовая система лазерной доплеровской анемометрии включает:

  • когерентный источник света — чаще всего гелий-неоновый лазер или Nd:YAG-лазер;
  • оптическую систему формирования двух (или более) сходящихся пучков;
  • измерительную зону, в которой происходит пересечение пучков;
  • систему приёмной оптики и фотодетекторов;
  • систему обработки сигналов (анализатор спектра, цифровой фильтр или быстродействующий Фурье-анализатор).

Для повышения пространственного разрешения в систему вводят апертуры и фокусирующие элементы, ограничивающие измерительный объём. Применяются также оптоволоконные лазерные анемометры, где разделение и пересведение пучков осуществляется в волоконно-оптических компонентах.

Гетеродинная и гомодинная схемы

Существует два основных метода регистрации доплеровского сигнала: гомодинный и гетеродинный.

  • Гомодинный метод основан на прямом измерении интенсивности рассеянного света. В этом случае принимаемый фотодетектором сигнал модулирован с доплеровской частотой. Недостаток — невозможность определить знак скорости, т.е. направление движения.

  • Гетеродинный метод использует опорный пучок (локальный осциллятор), частота которого немного отличается от частоты измерительного пучка. При смешивании рассеянного сигнала с опорным на фотодетекторе образуется радиочастотный сигнал, содержащий как частоту гетеродина, так и доплеровский сдвиг. Это позволяет точно определять не только модуль, но и направление скорости.

Трёхкомпонентная ЛДА

Для измерения всех трёх компонент скорости (в трёхмерной области) применяют системы с тремя парами лазерных пучков, пересекающихся под разными углами. Каждая пара отвечает за один компонент скорости: продольный, поперечный и вертикальный. Используются лазеры с разной длиной волны или разной поляризацией для исключения перекрёстных интерференций между пучками.

Обработка сигналов

Регистрируемый фотодетектором сигнал представляет собой гармоническую волну, амплитуда которой модулирована доплеровской частотой. Применяются различные методы обработки:

  • Фурье-анализ, при котором определяется спектральная плотность сигнала и вычисляется максимум;
  • корреляционные методы, особенно эффективны при низких соотношениях сигнал/шум;
  • алгоритмы мгновенной частоты на основе преобразования Габора или вейвлет-преобразования;
  • цифровая фильтрация и восстановление формы сигнала в условиях многокомпонентного потока.

Применение ЛДА в физике и технике

Лазерная доплеровская анемометрия нашла широкое применение в аэродинамике, гидродинамике, исследовании турбулентных потоков, биомедицинской инженерии и производственных процессах.

  • Аэродинамические трубы: применяется для измерения поля скоростей вблизи поверхности моделей самолётов или автомобилей;
  • Гидравлические каналы: используется для изучения ламинарных и турбулентных течений;
  • Топливные форсунки и реактивные струи: позволяет регистрировать высокоскоростные пульсирующие потоки с высокой точностью;
  • Биомедицинские исследования: используется в офтальмологии и сосудистой диагностике (например, лазерная доплеровская флоуметрия крови);
  • Микро- и нанофлюидика: обеспечивает бесконтактное измерение скоростей в микрообъёмах, где традиционные методы недоступны.

Преимущества метода

  • Бесконтактность и ненарушающее воздействие на исследуемый поток;
  • Высокое пространственное и временное разрешение;
  • Возможность измерения мгновенных значений скорости;
  • Подходит для агрессивных, непрозрачных или высокотемпературных сред (при наличии рассеивателей);
  • Позволяет строить полные векторные поля скорости.

Ограничения и технические сложности

  • Необходимость ввода в поток рассеивателей (частиц), если естественного рассеяния недостаточно;
  • Требование высокой прозрачности среды;
  • Сложность юстировки и калибровки системы;
  • Сильная зависимость точности измерения от угла пересечения пучков и стабильности интерференционной решётки;
  • Высокая стоимость оборудования и сложность в эксплуатации, особенно в гетеродинных системах.

Развитие и современные направления

Современные ЛДА-системы активно интегрируются с другими диагностическими методами, такими как:

  • PIV (particle image velocimetry);
  • LIF (laser-induced fluorescence);
  • Томографические методы для восстановления трёхмерной картины потоков;
  • Комбинированные методы с использованием фемтосекундных импульсов, дающих сверхвысокое временное разрешение.

Применение ЛДА в турбулентной гидродинамике, лазерной диагностике плазмы, изучении микрофлюидных явлений делает этот метод незаменимым инструментом современной экспериментальной физики.

Оглавление