9.4. Измерение скорости в лабораторных условиях

Также, как и в радиолокации, измерение скорости в оптиче- ском диапазоне основано на эффекте Доплера, поэтому после создания лазера этот эффект был использован в оптической локации.

В простейшем случае объект движется в поле монохроматического источника. Переизлучённый объектом свет смещён по частоте на величину, зависящую от скорости объекта. В связи с тем, что переизлучённый свет интерферирует с излучением лазера, возникают интерференционные полосы. Переизлучённый свет оказывается промодулированным разностной частотой.

9.4.1. Измерение скорости с помощью некогерентного излучения

В пассивном режиме или при некогерентных источниках информация о скорости объекта определяется в точках фокусировки излучения с помощью приёмных оптических систем.

Рассмотрим, например, плазмоскоп – лабораторный прибор для измерения линейной скорости частиц в плазме. В плоскости изображения оптической системы установлена линейка кремниевых фотодиодов. Каждый фотодиод принимает сигнал только от одного элементарного участка исследуемого объекта. Сигналы с фотодиодов считываются с частотой 2,46 МГц. Цикл считывания, в течение которого производится опрос всех элементов линейки, позволяет отобразить распределение светимости в определённом участке плазмы, который спроецирован на линейку фотодиодов. Благодаря высокой частоте опроса (короткий цикл) это распределение представляет собой практически мгновенную картину.

Рис.9.22. 1 – плазма, 2 – оптическая система, 3 – изображение плазмы, 4 – линейка фотоприёмников

Для отображения используется электронно-лучевая трубка с памятью, и распределение светимости в каждом цикле записывается отдельно. Результаты измерений приведены на рис.9.23.

Рис.9.23. Осциллограммы движения частицы

Схема измерения приведена на рис.9.24.

Рис.9.24. 1 – оптическая система, 2 –линейка фотоприёмников, 3 – предварительные усилители, 4 – многоканальный коммутатор, 5 – сумматор, 6 – генератор опроса фотоприёмников,

7 – синхронизатор, 8 – генератор ступенчатого напряжения,

9 – осциллограф

По оси абсцисс откладывается номер фотоприёмника линейки. По оси ординат–напряжение, пропорциональное интенсивности в разных профилях + добавка напряжения от генератора ступенчатого напряжения. Общая ошибка измерений составляла 10%.

Максимум светимости, вызванный искусственно введённой частицей, смещается в каждом последующем профиле. Величина смещения, делённая на интервал времени между циклами есть скорость частицы в измеряемой области плазмы.

9.4.2. Дифференциально-интерференционный метод измерения скорости

Рассмотрим принцип измерения скорости, использующей пространственную систему отсчёта, созданную интерференцией двух пересекающихся когерентных пучков света. Схема установки приведена на рис.9.25.

Лазерный луч расщепляется на два луча: Л₁ и Л₂. Для этого используются зеркала 3 и 4. С помощью линзы 5 лучи Л₁ и Л₂ фокусируются в объёме 6. Будем предполагать, что лучи имеют плоские волновые фронты (рис.9.25).

Рис.9.25. 1 – лазер, 2 – коллиматор, 3,4 – зеркала, 5 – фокусирующая линза, 6 – объём пересечения лучей Л₁ и Л₂, 7 – приёмная оптическая система, 8 – диафрагма, 9 – фотоприёмник, 10 – система обработки

В объёме пересечения лучей Л₁ и Л₂ образуются светлые и тёмные полосы (интерференционные). Расстояние между полосами с одинаковой освещённостью

(9.8)

Светлые полосы образуются при сложении двух лучей с одной фазой в каждой точке линии. Если объект с размером меньшим d пересекает систему интерференционных полос со скоростью имеющей составляющую V , то рассеиваемый этим объектом свет флюктуирует с частотой

(9.9)

Рис.9.26. D – ширина светового пучка, θ – угол пересечения пучков

Рис.9.27. θ – угол пересечения лучей, d – расстояние между темными полосами интерференции лучей, λ – длина волны излучения

Частота f определяется с помощью системы обработки 10, а с помощью формулы (9.9) определяется скорость V.