Главная – Журналы – Автометрия 2014 номер 5

Базовые технологии, используемые в разработках теневых, интерференционных и интерференционно-теневых приборов первого и второго поколения, не позволили решить до конца ряд проблем современного газодинамического эксперимента, прежде всего создания сравнительно дешёвых и компактных систем для оптико-физических измерений газодинамических полей (полей визуализации) размером 800–1000 мм и более. В ближайшие годы следует ожидать резкого повышения спроса на уникальные оптические системы для оснащения аэродинамических труб и баллистических трасс: только на их основе возможно осуществить экспериментальное изучение картин обтекания моделей самолётов, вертолётов, летательных аппаратов будущего, автомобилей, ракет различных классов в условиях масштабирования, приближающихся к натурным. (В аэродинамической трубе поток газа направлен на неподвижную модель, например, летательного аппарата; аэробаллистическая трасса позволяет осуществлять прямое моделирование движения исследуемых тел.) Реализованы новые технические возможности оптических методов исследования газовых потоков: апостериорное изучение волновых полей, деформированных при прохождении через газовый поток, повышение чувствительности оптических измерений на 1–2 порядка, многократное увеличение объёма информации, получаемой в сложном газодинамическом эксперименте. Для решения этих проблем использованы современные оптические технологии.

Экспериментально изучалось формирование упорядоченных структур из большого числа (~10⁴) заряженных диамагнитных макрочастиц в магнитной ловушке антипробкотронного типа в условиях микрогравитации. Эксперименты выполнялись на борту Международной космической станции. Изучены плазменно-пылевые структуры в криогенном тлеющем разряде постоянного тока - в криогенной пылевой плазме. Экспериментально реализована и изучена сверхвысокая зарядка пылевых макрочастиц при воздействии электронного пучка. Представлены результаты экспериментального исследования различных режимов броуновского движения взаимодействующих пылевых частиц в плазме. Предложен метод определения сил взаимодействия частиц в неидеальных системах с изотропными парными потенциалами. Метод основан на решении обратной задачи, описывающей движение взаимодействующих частиц системой уравнений Ланжевена, и позволяет также восстанавливать параметры внешнего удерживающего потенциала, не опираясь на априорную информацию о коэффициентах трения частиц.

Рассмотрен современный метод измерения скорости в объёме потока на основе оптической малоракурсной томографии и лазерной анемометрии по изображениям частиц. Метод использован для измерения трёхмерных мгновенных распределений скорости в прямоточном и закрученном турбулентных струйных течениях жидкости. Наряду с трёхмерностью измерений скорости особенностями данного эксперимента были увеличенная по глубине область измерения до 40 мм и повышенная до 4 Мп (по сравнению с предыдущими томографическими измерениями авторов) разрешающая способность регистрирующих камер. Для проверки корректности томографических измерений с помощью метода Stereo PIV выполнены измерения скорости в плоскости, проходящей вдоль оси струи. Различие стереоскопических и томографических измерений трёх компонент средней скорости для рассматриваемых потоков составляло не более 10 %. Визуализирована вихревая трёхмерная структура ядра закрученной струи с пространственным разрешением 3 мм.

Методами гильберт-оптики и интерферометрии исследованы структура и эволюция термогравитационных плавучих струй в сильновязкой жидкости над внезапно включённым линейным источником тепла. Такие струи могут быть моделью подъёмного течения в зоне спрединга в задачах геодинамики, связанных с поведением мантии Земли на больших глубинах. По структуре интерферограммы выполнена 3D–реконструкция температурного поля в струе. Гильберт-образ реконструированного температурного 3D–поля сопоставлен с гильберт-изображением и интерферограммой струи.

Представлены результаты теоретических и лабораторных экспериментальных исследований метода корреляции фоновых изображений. Показана зависимость влияния угла наблюдения на полученные результаты. Рассмотрена возможность применения метода корреляции фоновых изображений к полётным испытаниям.

Эффекты локального взаимодействия света с частицей, применяемые для диагностики дисперсной фазы потока, обычно хорошо описываются законами лучевой оптики. При рассеянии вперёд лучевую оптику дополняют дифракцией Фраунгофера на непрозрачном диске. Точный расчёт по теории Ми обнаруживает дополнительную интенсивность излучения, рассеянного в направлении, близком к направлению освещения. Этот дополнительный вклад относят на счёт краевой волны. Исследуются составляющие рассеянного вперёд света, а именно: дифракция, отражение и краевая волна — в части уточнения вклада в рассеянную интенсивность и локальности взаимодействия с частицей. Показано, что для всех указанных компонент имеет место локализация взаимодействия с частицей. Получены распределения интенсивности отдельных составляющих в прямом рассеянии.

Анализируются возможности использования термографии для количественного исследования частотных характеристик неизотермических пульсаций воды у стенок сосуда, прозрачных для инфракрасного излучения. Проведены тепловизионные исследования динамики температуры в зоне контакта неизотермической жидкости со стенкой на простых моделях. Измерены частоты пульсаций температуры на внутренней поверхности сосуда через стенку, прозрачную для ИК-излучения, с помощью тепловизора с точной фокусировкой объектива. С использованием преобразования Фурье построены спектральные кривые пульсаций. Показано наличие спектров Колмогорова (закон –5/3) в исследованном неизотермическом течении в канале тройникового соединения, что позволяет характеризовать процесс как развитую турбулентность течения воды в зоне пограничного слоя, примыкающей к окну.

Приведена оценка величины статистической погрешности корреляционного измерения сдвига в модели бинарных изображений. Исследовано влияние свойств изображений на точность субпиксельного измерения положения максимума корреляционного пика. Даны рекомендации для выбора параметров изображений и корреляционного алгоритма.

Рассмотрены особенности рефрактометрии оптически неоднородных сред в условиях существенной рефракции зондирующих пучков, обусловленной значительными градиентами показателя преломления и протяжённостью исследуемой среды. Для указанных условий разработаны волновые и лучевые модели рефракции лазерных пучков при наличии каустик. Обоснованы преимущества использования структурированных пучков для регистрации каустик с целью количественной диагностики неоднородностей показателя преломления. На основе разработанных моделей предложены возможные методы решения обратной задачи рефракции и реконструкции значений показателя преломления в сечениях неоднородности.

Рассмотрено решение задачи квазиоптимальной нелинейной фильтрации сигнала лазерного доплеровского виброметра гетеродинного типа в гауссовом приближении апостериорной плотности вероятности вектора оцениваемых параметров. Проведён синтез алгоритма фильтрации для случая моногармонических колебаний с моделью флуктуирующей амплитуды вибросмещения в виде нормального марковского случайного процесса. Методом математического моделирования показана работоспособность алгоритма слежения за неизвестными параметрами сигнала лазерного доплеровского виброметра при наличии аддитивного шума наблюдения и детерминированного тренда информационного параметра.

Оптическое исследование динамики и деформации эритроцитов в потоке выполнялось двумя методами. Захват и манипулирование клетками осуществлялись лазерным пинцетом. Лазерный пинцет позволяет наблюдать за деформацией одиночной клетки или агрегата клеток в различных экспериментальных условиях, например в покое или потоке, а также исследовать агрегацию эритроцитов — важный процесс, влияющий на реологию крови. Другой метод — эктацитометрия — основан на получении информации о микрореологических параметрах эритроцитов из картин дифракции лазерного излучения на разбавленной суспензии клеток в потоке и покое. Этот метод позволяет определять среднюю сдвиговую деформацию сразу целого ансамбля, включающего много тысяч частиц, по изменению дифракционной картины в зависимости от приложенного к клеткам сдвигового напряжения. Выполнены измерения силы взаимодействия двух эритроцитов в агрегате и определены параметры деформации клеток. Данные по деформации эритроцитов, полученные двумя методами, хорошо согласуются между собой.

Описан метод съёмки микрообъектов с помощью диаскопической проекции. Этот метод позволяет регистрировать микрочастицы размерами примерно более 1 мкм, в том числе быстролетящие.

Описаны результаты обработки экспериментальных данных, полученных при исследовании процесса охлаждения и кристаллизации тонкого пограничного слоя дистиллированной воды методом нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка в целях определения зависимости температуры этого слоя от времени.