Введение к работе
Актуальность работы. Для высокоточного измерения локальных скоростей потоков жидкостей или газов в настоящее время широко используются бесконтактные оптические методы, основанные на регистрации интенсивности излучения, рассеянного оптическими не-однородностями потока при просвечивании исследуемой области одним или несколькими лазерными пучками. Приборы, используемые для измерений скорости рассеивающих частиц в потоке и известные как лазерные доплеровские анемометры (ЛДА), состоят из оптико-механического блока и электронного процессора, т.е. электронной системы обработки выходных сигналов фотоприемника схемы ЛДА. Традиционными являются электронные процессоры на базе анализатора спектра, фотонного коррелятора, следящих систем фазовой и частотной автоподстройки, а также счетно-импульсных частотных демодуляторов.
Современные типы электронных процессоров, разработанные с конца 80-х годов до настоящего времени фирмами TSI (США), Dan-tec (Дания), Aerometrics Inc.(США), представляют собой быстродействующие специализированные микроэвм, стоимость которых достигает сотен тысяч долларов. Данные устройства используют цифровые алгоритмы обработки доплеровского сигнала, основанные на анализе его дискретной выборочной автокорреляционной функции (коррелограммы) или дискретного выборочного спектра (периодограммы) и адаптируемые к параметрам принимаемой смеси сигнала и шума. В то же время, в зарубежной и отечественной литературе приводятся лишь отрывочные сведения о характеристиках используемых на практике алгоритмов обработки. Это относится, в частности, к вопросам оптимальности режимов проведения измерений и к оценке погрешностей.
Анализ современного состояния зарубежной и отечественной лазерной анемометрии показывает, что на сегодняшний день актуальной задачей остается создание образцовых ЛДА, у которых предельная погрешность измерений скорости не превышает 0.1+0.3 X. Быстрый прогресс в развитии средств вычислительной техники открыл возможность реализации сравнительно дешевых электронных процессоров ЛДА в виде блока функциональных модулей, связанных с персональный компьютером. В связи с этим задача разработки и
анализа компьютерных алгоритмов обработки одночастичных сигналов ЛДА является на сегодня важной и актуальной.
Цель работы. Основными целями настоящей работы являются:
разработка цифровых алгоритмов оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА компьютерным электронным процессором;
анализ погрешностей оценки частоты сигналов ЛДА при использовании разработанных алгоритмов;
оптимизация параметров элементов ЛДА с цифровой обработкой доплеровских сигналов.
Научная новизна работы. В работе получен ряд новых результатов, связанных с разработкой и оптимизацией цифровых алгоритмов оценки частоты сигналов ЛДА и расчетом статистических характеристик их погрешностей. На защиту выносятся:
1.Рациональная модель одночастичного доплеровского сигнала в виде нестационарного гауссова случайного процесса и результаты оценки параметров данной модели с учетом шумов лазера и фотоприемника, а также с учетом влияния блока предварительной фильтрации.
2.Алгоритм оптимальной по критерию максимума функции правдоподобия оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА с учетом нестационарности шума.
3.Алгоритм обработки одночастичных сигналов ЛДА с использованием цифрового преобразования Гильберта.
4.Результаты анализа следующих компьютерных алгоритмов
оценки частоты одночастичных сигналов ЛДА: - -
алгоритм цифрового спектрального анализа с использованием дискретного преобразования Фурье,
алгоритм дискретного счета (метод счета "нулей"),
алгоритм с использованием преобразования Гильберта.
5.Методика и результаты расчета статистических характеристик погрешностей измерений частоты одночастичного сигнала ЛДА при использовании вышеуказанных алгоритмов обработки.
Практическая ценность работы. Создан пакет прикладных программ, реализующих разработанные компьютерные алгоритмы обработки одночастичных сигналов ЛДА, функционирующий в операционной оболочке Windows 3.1. Данный программный пакет был использован при исследовании статистических характеристик погрешностей алгоритмов методом численного моделирования и для изме-
рений параметров реальных доплеровских сигналов, введенных в персональную ЭВМ при помощи интерфейса. Результаты анализа влияния режима проведения измерений на погрешность позволили оптимизировать процесс измерений по критерии минимума предельной погрешности.
Проведены измерения периода интерференционного поля в пределах измерительного объема ЛДА и разработана методика оценки их погрешности.
Проведен анализ погрешности оценки частоты одночастинного сигнала ЛДА с использованием разработанных компьютерных алгоритмов для случая рассеяния на частицах большого радиуса.
Достоверность полученных результатов. При разработке и оценке параметров модели одночастинного сигнала ЛДА проводились сравнение характеристик ее элементов с литературными данными и экспериментальные исследования, подтверждающие ее достоверность. Для проварки работоспособности алгоритмов оценки частоты исследуемых сигналов использовалось численное моделирование, а также экспериментальные исследования с применением источника эталонных сигналов - электронного имитатора - и компьютерного электронного процессора. Правильность полученных оценок погрешностей разработанных алгоритмов подтверждается их сравнением с результатами численного моделирования, а также результатами расчета нижней границы дисперсии оценок. Достоверность результатов измерений пространственного периода интерференционного поля, полученных разными методами, подтверждается их сравнением между собой.
Публикации и апробация результатов. Данная работа выполнялась в рамках межвузовской научно-технической программы "Физика лазеров и лазерные системы", по которой выпущено 3 отчета. Основные результаты работы изложены в 9 публикациях, а также до-пожены на I НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (1994г., г.Москва), III Межгосударственной НТК "Оптические методы исследования потоков" (1995г., г.Москва), Международной іТК "Проблемы радиоэлектроники" (1995г., г. Москва), Междуна-эодной конференции по технологическим лазерам и их применению [CLA-95 (1995г., г.Шатура), НТК "Физико-химические проблемы жологии энергоустановок на углеводородных топливах" (1995г., .Москва), а также на научных семинарах кафедры Основ радиотех-
ники МЭИ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 194 машинописных страниц, включая 38 стр. рисунков, 7 стр. списка литературы из 63 наименований и 24 стр. приложений.