3.5. Лазерный доплеровский измеритель скорости ветра (ЛДИС).

3.5. Лазерный доплеровский
измеритель скорости ветра (ЛДИС).
Явление Доплера – изменение частоты периодического сигнала
при восприятии движущимся объектом или отражении от него.
Частота светового сигнала, воспринятого движущейся со
скоростью V частицей аэрозоля:
 
C V

(3.5.1)
Знак «+» выбирается, если частица приближается к источнику
света, «-» - если удаляется от него.
При отражении света эффект Доплера проявляется дважды –
при восприятии движущейся частицей и при восприятии
приемником:

C  2 V

(3.5.2)
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).

C  2 V

Формула (3.5.2) дает кажущуюся возможность измерить скорость
ветра по измеренному доплеровскому смещению частоты. Однако,
относительная чувствительность такого метода ничтожно мала.
S rel 

2
2
2
1 d
 

 10 8 с / м


 dV C  2  V  C  2  V C
С учетом
С  V
(3.5.2)
.
Для увеличения относительной чувствительности применим
дифференциальный метод измерения.
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
3
A
α
V"
V'
B
2
V
1
Рис. 3.5.1. Оптическая схема лазерного анемометра.
1 – лазер,
2 – полупрозрачная пластинка,
3 – зеркало.
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
Если ветер направлен
перпендикулярно биссектрисе
угла  , то эффект Доплера
проявляется в отношении
проекций V  и V  с разными
знаками.
3
A
α
V" B
V'
2
V
1
Учтем, что
V   V   V sin

2
.
Наблюдатель воспринимает два отраженных луча с разными
частотами:
1 
C  2V  sin


2
2 
C  2V  sin


2
(3.5.3)
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
Эти два луча приходят на один светоприемник, следовательно,
их яркость суммируется. Фактически суммируются амплитуды
периодических сигналов, имеющих несколько разную частоту.
E1
Первый луч, частота
E2
Второй луч, частота
1
.
2
.
1 
2 
C  2V  sin


Яркость суммарного сигнала меняется с
частотой
2  1 .
Рис. 3.5.2. Биения.
 
C  2V  sin

2

 С  2V  sin


2 
4V  sin

2
C  2V  sin
JΣ



2

2
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
 
4V  sin


2
(3.5.4)
В ЛДИС выходным параметром является величина
относительная чувствительность метода:
S rel 
1 d





 dV
4V sin
2
4 sin
 . Тогда

2  1
V

(3.5.5)
Относительная чувствительность тем больше, чем меньше
скорость ветра!
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
Для восприятия отраженных пучков применяют ФЭУ, который
помещают в фокус объектива, направленного в точку пересечения
пучков света.
Трудности реализации ЛДИС.
1. Аэрозольные частицы двигаются сплошным потоком. Это сильно
затрудняет определение частоты изменения яркости сигнала.
2. Для уверенной регистрации отраженных от аэрозолей пучков
света нужна очень чувствительная светоприемная аппаратура.
3. Следовательно, установка становится весьма сложной и
дорогостоящей.
3.5. Лазерный доплеровский измеритель
скорости ветра (ЛДИС).
Преимущества ЛДИС.
1. Возможность измерения скорости ветра в достаточно удаленных
точках (например, на высоте до нескольких десятков метров).
2. Полное отсутствие инерции.