Фотонная доплеровская велосиметрия - Photon Doppler velocimetry

Фотонная доплеровская велосиметрия (PDV) является одномерным преобразование Фурье анализ гетеродин лазер интерферометрия, используемый в сообществе физиков ударов для измерения скоростей в динамических экспериментах с высокой временной точностью. PDV был разработан в Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора пользователя Strand.^[1] В последние годы PDV приобрел популярность в сообществе физиков удара как дополнение или замена система скоростного интерферометра для любого отражателя (VISAR), еще одна система скоростной интерферометрии с временным разрешением. Современные технологии сбора данных и готовые оптические телекоммуникационные устройства теперь позволяют собирать системы PDV в разумных пределах.

Теория

Основным механизмом PDV является интерференционная картина, создаваемая двумя электромагнитными волнами с небольшой разницей в частоте. Поскольку большинство систем PDV построено с доступным телекоммуникационным оборудованием, стандартный лазерный источник для системы PDV имеет центральную точку 1550 нм (или 193,4 ТГц). Если этот источник затем отражается от движущейся поверхности с некоторой скоростью (${displaystyle v}$) отраженный свет будет сдвинут по частоте (${displaystyle u _{observed}}$) согласно релятивистскому уравнению доплеровского сдвига.

${displaystyle u _{observed}=u _{source}{sqrt {frac {1+v/c}{1-v/c}}}}$

Если смещенный отраженный свет затем интерферирует с исходным источником, результирующая волна будет иметь частоту биений в диапазоне нескольких ГГц. Эта частота биений достаточно мала, чтобы ее можно было контролировать с помощью простого фотодетектора и высокоскоростного осциллографа. Регистрируя частоту биений с течением времени, получают полную историю скорости поверхности.

Частота биений, полученная в результате интерференции ЭМ-волны 193,4 ТГц с ЭМ-волной 193,40032 ТГц. Сдвиг частоты соответствует поверхности, движущейся к наблюдателю со скоростью 500 м / с.

Анализ данных

Теоретически анализ сигнала данных PDV довольно прост, когда кажущаяся скорость движущейся поверхности (${displaystyle v^{*}}$) просто функция длины волны источника (${displaystyle lambda _{0}}$) и частота сигнала (${displaystyle {ar {f}}}$):

${displaystyle v^{*}={frac {lambda _{0}}{2}}{ar {f}}}$

Однако на практике определение мгновенной частоты (${displaystyle {ar {f}}}$) сигнала при осмотре может быть неточным и неэффективным. Следовательно, анализ преобразования Фурье используется для извлечения наиболее вероятных частотных компонентов, которые затем могут использоваться для расчета истории скорости.

Последовательно выполняя БПФ во временном окне, которое перемещается по сигналу данных, можно создать двухмерную спектрограмму, которая указывает частотные компоненты, наиболее доминирующие в данных. Историю скорости затем можно извлечь из спектрограммы.

Преимущества

PDV может измерять широкий диапазон скоростей (ограниченный, в первую очередь, временным разрешением оборудования для записи сигналов), и его относительно легко настроить и использовать.

Ограничения

В зависимости от качества сигнала данных и параметров БПФ присущая ошибка измерений PDV может быть высокой. Однако есть способы смягчить эти проблемы и получить историю скоростей с очень высокой точностью.^[2]

Конференции

Конференция пользователей PDV 2009 года проходила в Техасский университет в Остине, Институт передовых технологий.^[3]Конференция пользователей PDV 2010 года проходила в Университете штата Огайо.^[4]

Смотрите также

• Лазерная доплеровская велосиметрия
• Система интерферометра скорости для любого отражателя (VISAR)

Рекомендации

1. Компактная система для высокоскоростной велосиметрии с использованием гетеродинных методов.
2. Долан, Д. Х. (2010). «Точность и прецизионность фотонной доплеровской велосиметрии». Обзор научных инструментов. 81: 053905. Bibcode:2010RScI ... 81e3905D. Дои:10.1063/1.3429257.
3. [1]^{[мертвая ссылка ]}
4. Семинар для пользователей фотонной доплеровской скорости (PDV)