книги из ГПНТБ / Применения лазеров

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.

412 Приложение 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

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

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

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

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

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

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.

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