Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Применения лазеров

..pdf
Скачиваний:
50
Добавлен:
22.10.2023
Размер:
15.08 Mб
Скачать

410 Приложение 1

автоматического нивелирования [46, 47] с лазерным излу­ чателем (луч расширен в горизонтальной плоскости до 1,5—2°) и приемным блоком (многоэлементный приемник оптического излучения) устанавливается вертикально с помощью карданного подвеса. Многоэлементный приемник [48] представляет собой мнрголинзовую рейку с располо­ женными в фокусах линз торцами волоконных световодов. Изображение луча с оптической рейки передается по свето­ водам на кодирующие считывающие диски, определяющие положение центра луча относительно нулевой плоскости. Результат измерений определяется визуально по цифровым индикаторам с одновременной цифровой записью на ленте цифропечатающего устройства. Система для нивелирования наклонным лучом [49] обеспечивает нивелирование при больших превышениях местности что позволяет автомати­ зировать контроль профиля сооружений при значительных уклонах к линии горизонта.

При нивелировании способом лазерной плоскости луч лазера сканируется в некотором угле или вращается с помощью зеркал или призм. При этом создается светя­ щаяся «лазерная плоскость», по которой можно брать отсчеты по рейке, установленной в любом направлении от лазерного излучателя. Этот способ является перспективным для работ, при которых требуется брать много реечных точек (нивелирование площадей, высотная съемка различ­ ных профилей и т. д.), а также для автоматизации высот­ ного геодезического контроля при работе большого коли­ чества землеройных машин в мелиоративном строительстве [50]. Преимуществом метода является оперативность, связан­ ная с возможностью одновременной индикации высотного положения практически неограниченного числа приемников.

В будущем возможен переход от ручного управления землеройной машиной к автоматическому. При этом при­ емник излучения будет служить командным прибором, воз­ действующим на привод рабочего органа.

Лазеры применяются также для выверки осей вращаю­ щихся цементных печей [51], для съемки профиля поверх­ ности взлетно-посадочных полос аэродромов [29] и ряда других работ. Естественно, что приведенные выше примеры далеко не исчерпывают возможные применения лазеров в геодезии и строительстве сооружений.

 

 

 

Лазеры в

геодезии

 

 

 

 

411

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

 

 

1.

Уайт

А.

Д.— «Приборы для научных исследований»,

1967,

2.

т. 40,

10.

 

 

 

 

 

 

Забелин А. А., Рябова Н. Б.— «Оптико-механическая промыш­

3.

ленность», 1968, № 4.

 

 

 

 

 

 

Девяткин И. И., Парилов В. А., Федоров А. С.— Сб. «Приме­

 

нение газовых лазеров в геодезии» (серия 1), ЦНИИ «Электро­

4.

ника», М., 1972, вып. 1.

И., Калинин В. И.,

Тельтевский

Попов Ю. В., Утенков Б.

 

В. И., Борейко В. М.—■«Геодезия и картография», 1967, № 1.

5.

Неверов Л. А.— «Геодезия и картография»,

1969,

№ 9.

 

 

6.

Гулгазарян К. А., Калинин В. И., Попов Ю.

В., Скибарко А. П.,

 

Утенков Б. И. Способ фазового детектирования в фотоэлек­

 

тронном умножителе. Авторское свидетельство

216054,

7.

Бюлл. изобретений, 1968, № 14.

 

И.— «Оптико-меха­

Власов В. Г., Королев И. А., Утенков Б.

 

ническая

промышленность»,

1968, №

11.

 

 

 

в гео­

8. Покровский Е. Н. — Сб. «Применение

газовых лазеров

 

дезии» (серия 1), ЦНИИ «Электроника»,

М., 1972, вып. 1.

9.

Лазанов П. Е., Буров В. Н.,

Беляев О. И.

— «Геодезия и кар­

10.

тография», 1967, № 11.

М., Буров В.

И., Беляев О. И.—

Лазанов П. Е., Назаров В.

11.

«Геодезия и картография», 1969, № 12.

 

 

Перебя-

Голосов В. В., Гордеев В. Д., Остапченко Е. П.,

 

кин В. А., Хомоза В. Ф .— «Геодезия и

картография», 1966,

5.

12.Гордеев В. А., Масленников А. С., Остапченко Е. П., Перебякин В. А., Хомоза В. Ф., Яровой Б. Д.— «Геодезия и картогра­

фия», 1968, № 12.

13. Синицин В. А., Попов И. А., Бородулин Г. И., Мальцев Б. Н.—

«Геодезия и картография», 1968, № 9.

14. Прилепин М. Т.—- «Геодезия и аэрофотосъемка», Изв. ВУЗов,

1957, вып. 2.

15.Прилепин М. Т.— «Труды ЦНИИГАиК», 1957, вып. 114.

16.Прилепин М. Т., Голубев А. Н., Коношенко Л. М.— «Геодезия

и аэрофотосъемка», Изв. ВУЗов, 1968, вып. 2.

17.Левчук Г. П., Зацаринный А. В.— «Геодезия и аэрофотосъемка»,

18.

Изв. ВУЗов, 1968, вып. 2.

 

Ищенко Е.

Ф., Климков Ю. М. Оптические квантовые

генера­

 

торы, изд-во «Советское радио», 1968.

 

19.

Запрягаева Л. А.— «Геодезия и аэрофотосъемка», Изв.

ВУЗов,

 

1969,

вып.

3.

 

20.

Зацаринный А. В.—«Геодезия и аэрофотосъемка», Изв. ВУЗов,

 

1968,

вып.

6.

 

21.Алякишев С. А. Гордеев Д. В., Катаев М. И., Медведев В. А.,

Остапченко Е. П.— Сб. «Применение газовых лазеров в гео­

дезии» (серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

22. Федоров А. С.— Сб. «Применение газовых лазеров в геодезии»

(серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

412 Приложение 1

23.

Мартынов В. Ф., Коротков С. А.,

Наумова Л.

Г.— Сб. «Приме­

 

нение газовых лазеров в геодезии» (серия 1), ЦНИИ «Электро­

24.

ника», М., 1972, вып. 1.

 

 

Вафиади В. Г. Фотоэлектрическая автоматика, изд-во «Высшая

25.

школа», 1966.

 

 

Криксунов Л. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные системы, изд-

26.

во «Советское радио», 1968.

Федоров А. С.— Сб. «Приме­

Дементьев А. Н., Коротков С. А.,

 

нение газовых лазеров в геодезии» (серия 1), ЦНИИ «Электро­

27.

ника», М., 1972, вып. 1.

 

 

Федоров А. С., Мартынов В. Ф.«Научно-техническая инфор­

28.

мация», реф. сб. ЦИНИС, 1968, № 2.

Ф., Федоров А. С.

Беляев В. П., Девяткин И. И., Мартынов В.

 

Некоторые применения газовых

лазеров,

«Знание», 1970,

29.

вып.

4.

 

 

Шустов В. И.— Сб. «Применение

газовых лазеров в геодезии»

 

(серия

1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

30.Афанасьев В. Г., Гойдышев Б. И., Мартынов В. Ф., Федо­ ров А. С. — «Горный журнал», 1968, № 9.

31.Федоров А. С. Лазеры в геодезии, «Квантовая электроника» (эн­

32.

циклопедия), изд-во «Советская энциклопедия», 1969.

«Приме­

Дементьев В. Е.,

Федоров А. С., Шустов

В.

И.— Сб.

 

нение газовых лазеров в геодезии» (серия

1), ЦНИИ «Электро­

33.

ника», М., 1972, вып. 1.

Шабельников

В. Т. —

Загороднюк

В.

Т., Павленко В. Л.,

 

«Уголь», 1968, № 1.

 

 

 

 

34.

Федоров А. С., Захарова О. С.— «Труды конференции по элек­

 

тронной технике», М., ЦНИИ «Электроника», 1966, вып. 2.

35.

Загороднюк

В.

Т.— «Автоматизация

проходческих

машин»,

 

Труды Новочеркасского политехнического

института, 1968,

т. 176.

36.Дементьев В. Е., Зайцев А. К., Федоров А. С.— «Промышлен­

ное строительство», 1968, № 9.

37. Величко В. А., Дементьев В. Е., Федоров А. С. Научно-техни­

ческая информация. Межотраслевые вопросы строительства, «Отечественный опыт», 1968, № 9.

38.Величко В. А., Дементьев В. Е., Тюрин Н. И., Федоров А. С.,

Цейтлин А. М.— «Электрические станции», 1969, № 4.

39.Ангелова Н. В., Дементьев В. Е., Домнина Э. Д., Шустов В. И.

Сб. «Применение газовых лазеров в геодезии» (серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

40. Дементьев А. И.— Сб. «Применение газовых лазеров в геоде­

41.

зии» (серия 1),

ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

Гальперин А. И., Ситов В. В., Федоров А. С.

Дементьев А. Н.—

42.

«Строительство

трубопроводов»,

1972, №

6.

 

Ангелова Н. В., Дементьев А. Н., Ранов И. И.—■Сб. «Приме­

 

нение газовых лазеров в геодезии (серия 1), ЦНИИ «Электро­

 

ника», М., 1972, вып. 1.

 

 

 

43.

Дементьев

В.

Е .,— «Геодезия

и картография»,

1969, № 2.

44.

Дементьев В. Е., Покушалов М.

П., Федоров А.

С.— «Горный

 

журнал»,

1969,

№ 2.

 

 

 

Лазеры в геодезии

413

45.Рындин В. Г., Федоров А. С., Шустов В. И.— «Транспортное строительство», 1971, № 2.

46. Величко

В. А., Дементьев В. Е., Коротков С. А., Федоров

А. С.— «Автоматическое нивелирование с помощью лазера»,

1970, №

7.

47.Коротков С. А., Корнев О. В.— «Электронная техника», 1970, № 9.

48.Федоров А. С., Коротков С. А. Авт. свид. № 280888 с приор, от 27.2. 1969.

49.Коротков С. А., Корнев О. В.— Сб. «Применение газовых лазе­

ров

в геодезии» (серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972,

вып.

1.

50.Ждан М. В.— Сб. «Применение газовых лазеров в геодезии, (серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

51.Платонов В. С.— Сб. «Применение газовых лазеров в геодезии», (серия 1), ЦНИИ «Электроника», М., 1972, вып. 1.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ

ВО ПТИЧЕСКО Й ДОППЛЕРОВСКОЙ ЛОКАЦИИ

Б. С. Ринкевичюс

Рассмотренный в книге вопрос о применении лазеров для измерения скоростей в настоящее время выделился в самостоятельную область — оптическую допплеровскую ло­ кацию. Начало развития этого направления положено в работе [1], где впервые показана возможность выделения малых сдвигов частоты рассеянного излучения методом фотосмешения. Особенно успешно это направление разви­ валось в последние годы. Число работ по данной теме сей­ час составляет ~500 и продолжает расти. В данном обзоре приведены только отечественные работы, которые не отра­ жены в книге и опубликованы в различных журналах.

Наибольшие успехи достигнуты в применении лазеров для измерения скоростей потоков жидкости и газа [2—5]. Это связано с тем, что такие измерения являются бескон­ тактными и не требуют тарировки; малая длина волны из­ лучения обеспечивает достижение большой локальности измерений, а большая частота световых колебаний — про­ ведение измерений в очень большом диапазоне скоростей: от ІО-6 до ІО6 м/с.

Однако возможности этого направления значительно шире и по числу приложений и по объему информации, кото­ рую можно получить путем обработки допплеровского сиг­ нала.

Кроме рассмотренной в книге схемы оптического доп­ плеровского измерителя скорости (ОДИС), широкое рас­ пространение (как у нас, так и за рубежом) получила диф­ ференциальная схема [6], принцип действия которой можно пояснить следующим образом [7]. В исследуемую точку

потока

направляются два пучка

когерентного света

(фиг. 1,

а), которые получаются путем деления амплитуды

или волнового фронта пучка лазера.

В области пересечения

Применение лазеров в оптической допплеровской локации

415

этих пучков образуется интерференционное поле с чередо­ ванием максимумов и минимумов интенсивности (фиг. 1,6). Поверхности равной интенсивности перпендикулярны плоскости падающих пучков и направлены вдоль их бис­ сектрисы. При движении оптической неоднородности (на­ пример, частицы) поперек интерференционного поля интен­ сивность рассеянного света будет зависеть от местополо-

Ф и г . 1. Принцип действия дифференциальной схемы оптического измерителя скорости.

жения неоднородности. Если рассеянный свет собрать лин­ зой Л и направить на фотоприемник ФП, то выходной ток его будет содержать переменную составляющую (фиг. 1, в) с частотой /о , равной

( 1 )

Л

где их— проекция вектора скорости на ось х, Л — период интерференционного поля.

Спектр фототока, регистрируемый анализатором спек­ тра С, показан на фиг. 1, г.

Частота fD не зависит от направления наблюдения. Кроме того, наблюдение можно вести в рассеянном назад свете, что является большим преимуществом данной схемы.

Разработаны также схемы ОДИС, нечувствительные к направлению падающего пучка [8], и схемы с вычитанием шумов [9]. Из оценки потенциальных возможностей ОДИС

416 Приложение 2

следует, что погрешность измерения скорости тем меньше, чем больше число интерференционных полос и время интег­ рирования; кроме того, она зависит от шумов системы [10—- 12]. Величина допплеровского сигнала существенно зависит от размеров рассеивающих частиц, причем эта зависимость немонотонная [13]. Форма спектра допплеровского сигнала определяется в основном распределением интенсивности в области измерения и при наличии большого числа частиц не зависит от концентрации [14].

Подробный анализ и сравнение оптических схем доп­ плеровских измерителей скорости дан в работе [15].

Широкие возможности этого направления применения лазеров были показаны при исследовании потоков с малыми поперечными размерами (порядка нескольких миллимет­ ров), где классические методы с применением трубки Пито и термоанемометра неприменимы [16—24], турбулентных потоков жидкости и газа [25—32], сверхзвуковых потоков [33—36], воздушных потоков, содержащих капли воды или твердые частицы (двухфазных потоков) [33, 37—41], и при измерении скорости поверхности [42—44].

Особый интерес представляет распространение методов оптической локации для исследования турбулентных по­ токов жидкости и газа. Использование следящих систем позволяет определить мгновенное значение скорости потока, по которому определяется степень турбулентности и час­ тотный спектр пульсаций. Разработанная Институтом ав­ томатики и электрометрии СО АН аппаратура позволяет измерять скорость от 2 -10-3 до 2 м/с и определять спектр пульсаций до 1000 Гц. Пространственное разрешение сис­ темы равно 0,1 X 0,1 X 0,5 мм3 [29]. Сравнение показаний ОДИС и термоанемометра [32] показало совпадение данных в пределах области работы термоанемометров.

Среднюю скорость и степень турбулентности потока можно определить также путем прямого спектрального анализа допплеровского сигнала [26—28, 30, 31]. Энерге­ тический спектр фототока можно отождествить с плот­ ностью вероятности распределения скорости потока, если

удовлетворяется следующее

условие [28,

31]:

л

Q

(2)

Применение лазеров в оптической допплеровской локации

417

где V V*— среднеквадратичное

значение пульсаций

ско­

рости, й — наивысшая частота

пульсаций скорости

ѵ.

Физически это означает, что параметр Л должен быть меньше, чем характерный масштаб турбулентности.

Для измерения больших скоростей (например, при ис­ следовании сверхзвуковых потоков) успешно применяются ОДИС, в которых выделение допплеровского сдвига час­ тоты осуществляется при помощи интерферометра Фабри— Перо [33, 35]. Так, в работе [33] измерялась скорость капель воды на выходе воздушно-водяной форсунки при большом содержании жидкой фазы. Скорость менялась от 50 до 250 м/с. В работе [35] описан ОДИС для изучения гипер­ звуковых потоков в больших аэродинамических трубах. В установке используется лазер типа ЛГ-75. Для выделе­ ния сигнала используется интерферометр Фабри—Перо типа ИТ-51-30. Проводились исследования гиперзвукового потока в аэродинамической трубе с расстоянием между

прозрачными окнами 1000 мм при

числе Маха, равном

5, и температурах в форкамере 120

и 250° С, что соответ­

ствовало абсолютным скоростям около 800 и 1000 м/с. Методы оптической допплеровской локации найдут широкое распространение при исследовании потоков с заданными размерами жидких или твердых частиц и с заданной концентрацией. Такие потоки играют большую роль в энергетике, различных технологических процессах, авиационной и космической технике и в настоящее время

изучены недостаточно.

Для изучения движения одиночных капель воды в работе [37] использовалась дифференциальная схема ОДИС. Расщепление пучка света на два осуществлялось биприз­ мой Френеля, поскольку при измерении скорости больших частиц для получения максимального сигнала необходимо, чтобы период интерференционного поля был больше раз­ мера частицы. В работах [38, 39] проводилось измерение размеров диффузно рассеивающих частиц по величине ам­ плитуды допплеровского сигнала. Метод позволяет изме­ рить размеры частиц от 1 до 500 мкм. Возможно также оп­ ределение скорости вращения частиц [40]. При наличии частиц двух размеров (например, мелких и крупных) метод позволяет непосредственно определять скорость скольже­ ния одних частиц относительно других [41]. Пока вызы-

14—901

418

Приложение 2

вает затруднения интерпретация результатов исследования потоков с полидисперсными частицами с большим разбро­ сом размеров и скоростей. Однако в недалеком будущем можно надеяться на решение и этой проблемы.

Таким образом, практически выявлена перспектив­ ность применения маломощных лазеров непрерывного дей­ ствия для измерения скоростей в потоках жидкости и газа. Применение лазеров большей мощности, работающих в сине-зеленой или инфракрасной области спектра, позволит повысить дальность действия ОДИС до нескольких кило­ метров. Это позволит определять параметры атмосферы, содержащей аэрозоли, что необходимо для эффективной борьбы с ее загрязнением. Лазеры с большей мощностью нужны также для работы ОДИС на молекулярном рас­ сеянии.

Применение оптимальных методов обработки доппле­ ровского сигнала в дальнейшем позволит значительно повысить объем информации, получаемой об исследуемом объекте.

ОДИС могут также найти применение в различных тех­ нологических процессах как датчики скорости для автома­ тического управления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Yen J., Cummins Н. Z.— “ Appl. Phys. L ett.” , 1964, v . 4, p. 176.

2.Ринкевичюс Б. С. Канд. дис., M., МЭИ, 1969.

3.Аристов Е. М., Павловский Б. А., Смотрицкий Ф. Л., Таратор­ кин Б. С. Измерение скоростей потоков с помощью ОК.Г, Л.,

изд-во ЛДНТП, 1970.

4.Ринкевичюс Б. С.— «ТВТ», 1970, т. 8, стр. 1073.

5.Павловский Б. А. Канд. дис., Л ., ЛКИ, 1971.

6.

Ринкевичюс Б.

С.— «Радиотехника и электроника»,

1969,

7.

т. 14, стр. 1903.

 

 

Ринкевичюс Б. С.— «Труды МЭИ», 1972, вып. 144, стр. 48.

8.

Дубнищев Ю. Н.

Ковшов Ю. Н.— «Автометрия», 1971,

№ 3,

 

стр. 87.

 

 

9.

Василенко Ю. Г., Дубнищев Ю. Н.— «Автометрия», 1972, № 5,

 

стр. 51.

Сенин А. Г., Соболев В. С.— «Автометрия»,

10. Дубнищев Ю. Н.,

11.

1972, № 5, стр. 47.

 

Чернов В. Ф., Ринкевичюс Б. С. Сб. докладов конф. по автома­

тизации научных исследований на основе применения ЭЦВМ, 71—75, Новосибирск, 1972.

Применение лазеров в оптической допплеровской локации

419

12.Барилл Г. А., Журавль Ф. А., Соболев В. С.— «Автометрия», 1972, № 6, стр. 98.

13.Риикевичюс Б. С., Янина Г. М.— «Радиотехника и электрони­ ка», 1973, № 18, стр. 805.

14.Домарацкий А. Н., Кудрявцев М. Б., Соболев В. С. Шмойлов П. Ф., Юрлов Ю. И.— «Автометрия», 1972, № 5, стр. 122.

15.Дубнищев Ю. Н. Канд. дис., Новосибирск, ИАЭ СО АН, 1973.

16.Аменицкий А. Н., Ринкевичюс Б. С. Фабрикант В. А.— «ТВТ», 1969, т. 7, стр. 1039.

17.Аменицкий А. Н., Пушкарев В. И., Ринкевичюс Б. С.— «Труды МЭИ», 1971, вып. 94, 83.

18.Аменицкий А. Н., Ринкевичюс Б. С., Соловьев Г. М.— «ДАН

СССР», 1972, т. 207, стр. 569.

19.Аристов Е. М., Павловский Б. А., Юрас С. Ф.— «Труды ЛКИ», 1970, вып. 70.

20.Башкиров Б. И., Глебова Н. Н., Меламуд Г. Б., Тишков П. Г.— «Труды метрологических институтов СССР», 1972, вып. 135, стр. 182.

21.Дубнищев Ю. Н., Коронкевич В. П., Соболев В. С., Столповский А. А., Уткин Е. Н., Шмойлов Н. Ф.— «Автометрия», 1969, № 6, стр. 115.

22.Лебедев И. В., Ринкевичюс Б. С., Ястребова Е. В.— «ПМТФ», 1969, № 5, стр. 125.

23.Лебедев И. В., Ринкевичюс Б. С., Ястребова Е. В.— «ПМТФ», 1971, № 1, стр. 150.

24.Ринкевичюс Б. С., Чудов В. Л., Янина Г. М. Сб. Использо­ вание ОКГ в современной технике, ч. 2, Л ., изд-во ЛДНТП, 1971.

25.Дубнищев Ю. Н., Коронкевич В. Пм Соболев В. С., Столповский А. А., Уткин Е. Н., Шмойлов Н. Ф.— «Автометрия», 1971, № 1, стр. 36.

26.Власов С. А ., Калашников В. Н., Мульченко Б. Ф., Ринкеви­ чюс Б. С., Смирнов В. И. Тепло- и ыассоперенос, т. 3, стр. 82, Минск, 1972.

27.Ринкевичюс Б. С., Смирнов В. И. «ПМТФ», 1972, № 4, стр. 182.

28.Ринкевичюс Б. С., Смирнов В. И., Чернов В. Ф.— «Труды МЭИ», 1972, вып. 144, стр. 57.

29. Барилл Г. А.,

Дубнищев Ю. Н.,

Коронкевич В. П., Соболев

В. С., Столповский

А. А.,

Уткин

Е. Н., Шмойлов Н. Ф.—

«ПМТФ», 1970,

1, стр.

110,

 

30.Ершов О. А., Ершова Т. И., Столярова Н. П., Ярин Л. П,—

«ИФЖ», 1973, т. 24, стр. 888.

31.Ринкевичюс Б. С., Смирнов В. И.— «Квантовая электроника», 1973, № 2, стр. 82.

32.Домарацкий А. Н., Дубнищев Ю. Н., Коронкевич В. П., Собо­ лев В. С., Столповский А. А., Уткин Е. Н., Шмойлов Н. Ф.— «ПМТФ», .1972, № 1, стр. 126.

33.Ринкевичюс Б. С., Толкачев А. В.— «Жури, приклад, спектр.», 1968, т. 9, стр. 648.

34. Кулыбин В. М., Ринкевичюс

Б. С., Толкачев А. В., Харченко

В. Н.— «Труды МЭИ», 1972,

вып. 144, стр. 65.