Проектирование фотонной доплеровской системы измерения скорости
Фотонная доплеровская велосиметрия (PDV) – это диагностический метод, используемый для измерения скорости объектов или поверхностей в движении с высокой степенью точности и разрешения. Улавливая доплеровский сдвиг – изменение частоты или длины волны света, рассеянного от движущейся поверхности, – PDV позволяет быстро и точно определить скорость объектов.
Основной принцип работы PDV заключается в эффекте Доплера – явлении, впервые постулированном австрийским физиком Кристианом Доплером. Когда свет излучается на движущуюся поверхность, он отражается обратно с небольшим сдвигом частоты, если поверхность движется к источнику света или от него. Системы PDV используют этот сдвиг частоты для расчета скорости движущейся поверхности.
PDV находит различные применения, особенно в научных и инженерных областях, где необходимы точные измерения скорости. Например, с ее помощью была измерена скорость задней поверхности флаера, управляемого лазером, и получены результаты примерно до 1,49 км/с [1]. Исследователи также разработали доплеровские велосиметры частиц (PDV) для определения характеристик ударных и детонационных волн, достигая скоростей до 4 км/с с наносекундным разрешением и точностью [2].
1. S. Chaurasia, A. Mohan, A. Poswal, J. Pasley, "High-speed photon Doppler velocimetry for laser-driven flyer acceleration studies", 2022;
2. João Filipe Teixeira Anacleto Lopes Rodrigues, "Design and specification of a Particle Doppler Velocimeter for shock and detonation wave characterisation", 2018.
Компонентная база систем PDV включает лазерный источник для получения когерентного излучения, фотодетектор для регистрации рассеянного света, пассивные волоконные компоненты, аттенюаторы и сигнальный процессор для анализа доплеровского сдвига частоты.
Источники излучения
В качестве источников излучения чаще всего используются узкополосные волоконные лазеры. Узкая ширина линии лазера обеспечивает жесткий контроль частотного спектра излучаемого света, что максимизирует когерентность и уменьшает неоднозначность при измерении. Это позволяет достичь более высокой точности в обнаружении изменения частоты, возникающего в результате эффекта Доплера при рассеянии света от быстро движущейся поверхности и, как следствие, повышает разрешение системы.
|
ESF ** Одночастотный CW узкополосный эрбиевый лазер (1550 нм)
|
|
Непрерывные волоконные лазеры
|
Оптоэлектронные преобразователи
Фотоприемники, используемые в системах PDV, должны иметь быстрое время нарастания и высокую пропускную способность для точного обнаружения быстрых изменений частоты света, которые происходят при измерении высоких скоростей.
|
Сверхскоростной фотодетектор до 70 ГГц
|
|
Миниатюрный высокоскоростной фотоприёмник
|
Волоконные компоненты
Оптические зонды
Основные типы используемых устройств:
- Полированный конец волокна или FC/APC коннектор
- Можно применять при перемещении на несколько мм и когда размер пятна не важен
- Коллимирующий зонд
- Размер пятна до 0,5 мм
- Малый размер и стоимость
- Фокусирующий зонд
- Размер пятна до 0,05
- Размер от 8 мм в диаметре
Предлагаемые волоконные компоненты проходят наивысший контроль качества при производстве
|
Коллиматоры |
Осциллографы
Осциллограф с высокой пропускной способностью и высокой частотой дискретизации, например, от 8 ГГц и частотой дискретизации более 20 Гвыб/с, имеет решающее значение, поскольку он определяет максимальную скорость, которую может измерить система PDV.
|
Осциллограф
|
Усилители
В системах PDV отраженный или рассеянный свет от движущейся цели может быть очень слабым, особенно если цель находится далеко, имеет низкую отражательную способность или если система настроена на измерения с высоким разрешением, что, естественно, приводит к слабым сигналам. EDFA усиливает этот низкоуровневый рассеянный свет, делая его различимым для фотодетектора.
|
C-Band предусилитель с низким уровнем шума серии MARS
|
Компоненты для многоканальных решений
Многоканальные системы фотонной доплеровской велосиметрии необходимы по нескольким причинам, каждая из которых способствует расширению возможностей измерений PDV в различных экспериментальных и диагностических условиях:
- Одновременные измерения в нескольких точках
- Пространственное профилирование скорости
Многоканальные системы PDV позволяют проводить одновременные измерения скорости в нескольких точках поверхности или объекта.
- Повышенная скорость сбора данных
Несколько каналов позволяют получить больше точек данных за тот же промежуток времени, что повышает общую скорость сбора данных.
- Анализ сложных событий
Некоторые события слишком сложны, чтобы их можно было точно охарактеризовать с помощью одноканальной системы. Например, при изучении турбулентных потоков многоканальные системы могут лучше передать трехмерную структуру турбулентности.
|
Спектральные мультиплексоры (WDM) |
|
Моторизированные линии задержки |
|
Сверхбыстрые волоконные переключатели |
Готовые решения
Также доступны готовые системы фотонной допплеровской велосиметрии от Quantifi Photonics, содержащие пассивные волоконные компоненты, измерители мощности и аттенюаторы.
|
Модуль фотонной доплеровской велосиметрии DopplerPXIe
|