Институт в фотографиях

Научные и прикладные результаты тем. группы 05-2

2016 г.

Обобщение и расширение области применения методов максимально правдоподобных оценок центральной частоты (скорости), при решении задач лазерной доплеровской анемометрии

 

Проведено обобщение и расширение области применения критерия максимального правдоподобия на решение задач оптимальной обработки узкополосных сигналов лазерной доплеровской анемометрии, лазерной интерферометрии и лазерной локации. Определены потенциальная точность методов лазерной доплеровской анемометрии и указаны условия ее достижения. Отмечены возможности применения предложенных методов в измерительных системах, основанных на использовании оптической обратной связи и амплитудной модуляции лазерного зондирующего излучения. Результаты исследований опубликованы в статьях [1 - 5] (см. список публикаций 2016 года).

2015 г.

Ветровой доплеровский лидар на основе амплитудной модуляции лазерного излучения и методика оценки параметров его сигнала по критерию максимального правдоподобия

 

Получен патент "Способ определения скорости и определения ветра и некогерентный доплеровский лидар" (Патент РФ №2545498 от 26.02.2015 г.). Лидар основан на гармонической модуляции мощности или поля зондирующего излучения. Его конструкция достаточно проста, так как из нее исключен такой сложный элемент, как интерферометр, а в качестве источника излучения может быть использован мощный лазер низкой когерентности. С целью повышения точности лидара разработана методика оценки доплеровской частоты, (скорости ветра) по критерию максимального правдоподобия.

Путем математического моделирования определены характеристики качества получаемых оценок доплеровской частоты. Полученные результаты позволили сделать следующие выводы:

1) Выборочные математические ожидания оценок скорости в пределах десятых долей процента соответствуют истинным значениям. Это означает, что полученные оценки не смещены.

2) В отсутствие шума среднеквадратичные отклонения оценок (СКО) частоты (скорости) практически не зависят от периода дискретизации сигнала.

3) С ростом числа используемых отсчетов сигнала СКО вначале резко падают, а затем скорость падения существенно снижается. Эту зависимость можно аппроксимировать двумя линейными приближениями: при росте числа отсчетов с 2-х до 5-и СКО линейно падают с крутизной 2% на отсчет, а после 5-и – с крутизной 0,4% на отсчет. В присутствие шума характер вышеуказанной зависимости не изменяется.

Предсказания теории и возможности практической реализации алгоритма подтверждены экспериментально.

2014 г.

Разработка высокоразрешающего ветрового доплеровского лидара на основе амплитудно-модулированного излучения лазера

 

 

Предложена новая концепция построения ветрового доплеровского лидара, основанная на гармонической амплитудной модуляции излучения лазера. Составлена и направлена в ФИПС заявка на получение патента РФ [«Способ определения скорости и направления ветра и некогерентный доплеровский лидар», №2013149843/28(077486) от 07.11.2013 г.]. Разработаны теоретические основы функционирования предложенного лидара: найдена связь между доплеровской частотой и измеряемой скоростью V исследуемого объекта. Показано, что циклическая доплеровская частота fд = 2V/Λ подчиняется тому же закону, что и у существующих лидаров, однако, в отличие от них Λ является длиной волны модулирующей функции, а не лазера, что дает ряд принципиальных преимуществ.

 

2013 г.

Методы получения максимально правдоподобных оценок параметров движения диффузных объектов интерферометрическими системами с оптической обратной связью

 

 

Разработан метод повышения точности интерферометрических измерений параметров движения диффузно рассеивающих объектов за счет подавления некоррелированных шумов. Метод предусматривает раздельную оценку интенсивности каждого яркого спекла с помощью матричного фотодетектора и суммирование N полученных результатов. Выигрыш в отношении сигнал / шум – √N. Впервые получены алгоритмы максимально правдоподобных оценок параметров сигналов лазерных доплеровских анемометров и измерителей скорости диффузно отражающих объектов. Получены численные значения  границ Рао – Крамера, которые могут быть использованы при оценке степени «совершенства» создаваемых измерителей. (Отв. исполнитель – д.т.н. В.С. Соболев)

Новый способ измерения скорости движущихся объектов

 

Предложен и обоснован новый способ измерения скорости движущихся объектов. В этом случае объект освещается модулированным лазерным излучением, а оценка доплеровской частоты (скорости ветра)  проводится не по смещению частоты лазерного излучения, а по смещению частоты модулирующего сигнала. Доплеровская частота при этом определяется как ω = 2V / λ, где V – проекция скорости объекта на направление зондирующего пучка, а λ – длина волны модулирующего сигнала. Способ позволяет повысить точность измерений, дальность действия лидара и его пространственное разрешение по углу. (Отв. исполнитель – д.т.н. В.С. Соболев)

2004 - 2010 гг.

Лазерная доплеровская анемометрия

Лазерный доплеровский измеритель скорости ЛАДО-2

Рис. 1. Лазерный доплеровский измеритель скорости ЛАДО-2

Разработаны основные вопросы теории лазерных доплеровских измерительных систем в части статистики доплеровского сигнала и методов его оптимальной демодуляции [1-3]

Разработан новый метод следящей фильтрации, основанный на оценке мгновенной частоты доплеровского сигнала [4]

Созданы действующие образцы высокоточных доплеровских анемометров на широкий диапазон доплеровских частот, чувствительных к направлению вектора измеряемой скорости [5].

На основе созданных анемометров в рамках проекта РФФИ совместно с Институтом Гидродинамики СО РАН выполнен цикл исследований особенностей зарождения торнадоподобных вихрей и их динамические характеристики, а совместно с Институтом прикладной и теоретической механики СО РАН в рамках интеграционного проекта СО РАН исследованы закономерности взаимодействие струйного течения с акустическим полем.

Публикации

1. Лазерные доплеровские измерители скорости (авт. коллектив: Ю. Г. Василенко, Ю. Н. Дубнищев, В. П. Коронкевич, В. С. Соболев и др.). – Новосибирск, Наука, 1975.

2. В. П. Коронкевич, В. С. Соболев, Ю. Н. Дубнищев. Лазерная интерферометрия. Новосибирск, Наука, 1983.

3. Sobolev V.S., Feshenko A.A. Accurate Cramer-Rao Bounds for a Laser Doppler Anemometer // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurements, 2006, V. 55, N 2. P. 659-665.

4. Соболев В.С., Щербаченко А.М. Следящий фильтр-процессор для обработки сигналов лазерного доплеровского измерителя скорости. Патент РФ на изобретение № 2177159 // Официальный бюллетень Комитета РФ по патентам и товарным знакам «Изобретения. Полезные модели», 2001, № 35.

5. Соболев В.С., Столповский А.А., Щербаченко А.М., Кащеева Г.А., Уткин Е.Н. Следящая лазерная доплеровская система на основе оптимальных оценок мгновенной частоты // Автометрия (Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing), 2006, т. 42, № 1. С. 103-115.

Лазерная интерферометрия

Лазерный измеритель перемещений нанометрового диапазона. Разрешение - 3 нм, дрейф нуля 10 нм в течение 10 минут.

Рис. 2. Лазерный измеритель перемещений нанометрового диапазона. Разрешение - 3 нм, дрейф нуля 10 нм в течение 10 минут

Измерение вибраций мощного силового трансформатора 100 КВт.

Рис. 3. Измерение вибраций мощного силового трансформатора 100 КВт

Разработаны основные вопросы теории нового направления лазерной интерферометрии, основанной на явлениях оптической обратной связи и частотной модуляции излучения полупроводниковых лазеров [1] в части обработки поучаемых интерференционных сигналов для получения информации о параметрах движения исследуемых объектов.

Созданы действующие образцы измерителей перемещений и вибраций нанометрового диапазона с разрешение порядка 1 нм.

Публикации

1. Соболев В.С., Кащеева Г.А. Методы активной интерферометрии с частотной модуляцией. Измерительная техника, 2010, № 3, С. 59-64.

 

Спектроскопия оптического смешения

Спектр бычьего семени

Рис. 4. Спектр сигнала от бычьего семени:
а) непосредственно после размораживания,
б) через 10 минут после размораживания,
в) после умерщвления.

В рамках конкурсного проекта Министерства науки и образования разработана теория двухпучкой спектроскопии оптического смешения для оценки параметров броуновских частиц и подвижных (живых) микрообъектов [1, 2].

Создан действующий образец соответствующего спектрофотометра. С его помощью выполнен цикл экспериментов по оценке жизнеспособности материала для искусственного осеменения животных, подвижности бактерий Эшерихия коли, размеров и коэффициента диффузии сферических микрочастиц.

Публикации

1. Соболев В.С., Щербаченко А.М., Кащеева Г.А., Уткин Е.Н., Скурлатов А.И., Столповский А.А., Прокопенко М.Н., Камынина Т. П. Двухпучковая спектроскопия биологических объектов. // Биомедицинская радиоэлектроника, 2001, № 11. С. 56-65.

2. Cоболев В.С., Скурлатов А.И., Столповский А.А., Уткин Е.Н., Прокопенко М.Н., Щербаченко А.М. Лазерный анализатор микрочастиц и биологических микрообъектов // Патент РФ на изобретение № 2186362 // Официальный бюллетень Комитета РФ по патентам и товарным знакам «Изобретения. Полезные модели», 2002, № 21.

Световолоконные приборы

спецификация

Предложен способ инициирования взрывчатого вещества (ВВ) мощным лазерным излучением, канализируемым к месту подрыва с помощью световолоконного кабеля. Данный способ совершенно электробезопасен, т.к. никакие наводки или иные внешние воздействия (гроза, мощные электроагрегаты, статическое электричество) не могут создать в волокне необходимый по мощности импульс света.

Читать подробнее...

Оптимальный прием оптических сигналов по критерию максимального правдоподобия

Диплом-2009

увеличенное изображение диплома

В отличие от радио связи и радиолокации, где сигналы и сопровождающие их шумы независимы, прием оптических сигналов сопровождается неизбежными дробовыми шумами, дисперсия которых прямо пропорциональна интенсивности самих сигналов. В этой связи весь большой арсенал оптимального приема сигналов, накопленный за последние 50 лет не может быть напрямую использован для оптимальных оценок параметров оптических сигналов. Нами выведены и решены соответствующие уравнения правдоподобия, найдены выражения для границ Рао – Крамера, определяющие качество получаемых оценок, и получены конкретные алгоритмы вычисления параметров видео- и радио- сигналов Гауссовой формы [1].

Публикации

1. Соболев В.С., Полещук Ю.А. Максимально правдоподобные оценки параметров оптических сигналов с учетом дробового и фонового шумов // Компьютерная оптика (Computer Optics), 2006, N 30. C. 98-106.