Фотонная допплеровская велосиметрия

Фотонная доплеровская скорость ( PDV ) — это одномерный преобразования Фурье анализ гетеродинной лазерной интерферометрии , используемый в сообществе физики ударов для измерения скоростей в динамических экспериментах с высокой временной точностью. PDV был разработан в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса . Оливером Стрэндом ^{[ 1 ]} В последние годы PDV приобрел популярность в сообществе физики ударных волн в качестве дополнения или замены системы интерферометра скорости для любого отражателя (VISAR), еще одной системы интерферометрии скорости с временным разрешением. Современные технологии сбора данных и готовые оптические телекоммуникационные устройства теперь позволяют собирать системы PDV в пределах разумного бюджета.

Теория

Фундаментальным механизмом ПДВ является интерференционная картина, создаваемая двумя электромагнитными волнами с небольшой разницей в частоте. Поскольку большинство систем PDV построены с использованием доступного телекоммуникационного оборудования, стандартный источник лазера для системы PDV имеет длину волны 1550 нм (или 193,4 ТГц). Если этот источник затем отражается от движущейся поверхности с некоторой скоростью ( $v$ ), отраженный свет будет сдвинут по частоте ( $\nu _{\text{observed}}$ ) согласно релятивистскому уравнению доплеровского сдвига.

\nu _{\text{observed}}=\nu _{\text{source}}{\sqrt {\frac {1+v/c}{1-v/c}}}

Если затем смещенный отраженный свет интерферировать с первоначальным источником, результирующая волна будет иметь частоту биений в диапазоне нескольких гигагерц. Эта частота биений достаточно медленная, чтобы ее можно было отслеживать с помощью простого фотодетектора и высокоскоростного осциллографа. Записывая частоту биений с течением времени, можно получить полную историю скорости поверхности.

Частота биений, полученная в результате интерференции электромагнитной волны частотой 193,4 ТГц с электромагнитной волной частотой 193,40032 ТГц. Сдвинутая частота соответствует поверхности, движущейся к наблюдателю со скоростью 500 м/с.

Анализ данных

Теоретически анализ сигнала данных PDV довольно прост: кажущаяся скорость движущейся поверхности ( $v^{*}$ ) является просто функцией длины волны источника ( $\lambda _{0}$ ) и частота сигнала ( ${\bar {f}}$ ):

v^{*}={\frac {\lambda _{0}}{2}}{\bar {f}}

Однако на практике определение мгновенной частоты ( ${\bar {f}}$ ) сигнала при проверке может быть неточным и неэффективным. Следовательно, анализ преобразования Фурье используется для извлечения наиболее вероятных частотных составляющих, которые затем можно использовать для расчета истории скорости.

Выполняя последовательное БПФ во временном окне, которое перемещается по сигналу данных, можно создать двумерную спектрограмму, которая указывает частотные компоненты, наиболее доминирующие в данных. Затем историю скорости можно извлечь из спектрограммы.

Преимущества

PDV может измерять широкий диапазон скоростей (ограниченный в первую очередь временным разрешением оборудования для записи сигналов) и относительно прост в настройке и использовании.

Ограничения

В зависимости от качества сигнала данных и параметров БПФ собственная 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 проводилась в Техасского университета в Остине . Институте передовых технологий ^{[ 3 ]} Конференция пользователей PDV 2010 года прошла в Университете штата Огайо. ^{[ 4 ]}

См. также

Ссылки

^ Стрэнд, Оксана; Гусман, Д.Р.; Мартинес, К.; Уитворт, ТЛ; Кулов, WW (2006). «Компактная система для высокоскоростной велосиметрии гетеродинными методами» . Обзор научных инструментов . 77 (8): 083108–083108–8. Бибкод : 2006RScI...77х3108S . дои : 10.1063/1.2336749 .
^ Долан, Д.Х. (2010). «Точность и точность фотонной доплеровской скорости». Обзор научных инструментов . 81 (5): 053905–053905–7. Бибкод : 2010RScI...81e3905D . дои : 10.1063/1.3429257 . ПМИД 20515153 .
^ [1] ^{[ мертвая ссылка ]}
^ «Семинар пользователей фотонно-допплеровской скорости (PDV) <» . hdl : 1811/52627 .

[1] Стрэнд, Оксана; Гусман, Д.Р.; Мартинес, К.; Уитворт, ТЛ; Кулов, WW (2006). «Компактная система для высокоскоростной велосиметрии гетеродинными методами» . Обзор научных инструментов . 77 (8): 083108–083108–8. Бибкод : 2006RScI...77х3108S . дои : 10.1063/1.2336749 .

[2] Долан, Д.Х. (2010). «Точность и точность фотонной доплеровской скорости». Обзор научных инструментов . 81 (5): 053905–053905–7. Бибкод : 2010RScI...81e3905D . дои : 10.1063/1.3429257 . ПМИД 20515153 .

[3] [1] ^{[ мертвая ссылка ]}

[4] «Семинар пользователей фотонно-допплеровской скорости (PDV) <» . hdl : 1811/52627 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]