Разработкой программного обеспечения для обработки сигналов лазерных доплеровских анемометров занимается Алексей Оборин аспирант НГУ, победитель конкурса «УМНИК-2025».
Проект решает проблему создания универсального и открытого ПО для лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС).
Лазерный измеритель скорости: точность без контакта
Уникальная особенность ЛДИС заключается в возможности бесконтактного измерения скорости движения жидкостей и газов с помощью лазерного излучения. Прибор работает на расстоянии и в отличие от таких традиционных инструментов, как трубка Пито и термоанемометр, не нарушает среду, которую измеряет.
Почему это важно? Ошибка в измерении скорости может привести к неверной интерпретации физических процессов и, как следствие, к ошибочным инженерным решениям.
Таким образом оказывается, что лазерный доплеровский анемометр – это безальтернативный метод для исследования многофазных течений, который уже более 50 лет применяется в технике и науке, в частности, в аэрофизических экспериментах для диагностики течений жидкости, газовых и многофазных потоков, пламён и плазмы в каналах, соплах и открытых струях.
Как это работает: объясняем на пальцах
Прибор направляет два лазерных луча в одну точку потока. В месте их пересечения образуется невидимая «сетка» из чередующихся полос света и тени.
В любой жидкости или газе есть микроскопические частицы (пылинки, пузырьки, капли). Когда поток движется, эти частицы пролетают сквозь лазерную сетку и начинают мерцать. Прибор ловит это мерцание. Чем быстрее движется поток, тем чаще мигает частица. По частоте этих вспышек компьютер мгновенно и с ювелирной точностью высчитывает скорость.
Универсальное ПО для ЛДИС: зачем оно нужно
«Отправной точкой для исследования, – говорит Алексей Оборин, - стало отсутствие универсального и открытого программного обеспечения для ЛДИС, способного работать с разным оборудованием и удовлетворять строгим требованиям научных экспериментов в теплофизике, аэродинамике и аэромеханике, где существующие закрытые модули не подходили».
Программный модуль, который разрабатывает Алексей, не привязан к одному производителю и одной модели ЛДИС. Он работает на уровне алгоритмов обработки сигнала, а не на уровне закрытого протокола конкретного прибора. Это позволяет применять его с разным оборудованием, открыто менять параметры обработки и встраивать в собственные измерительные комплексы.
Аналоги, безусловно, есть, но они либо закрыты, либо ограничены одной платформой, что и создаёт нишу для данного проекта. В частности, для лабораторий, которые создают свой оптоэлектронный модуль, но без возможности разработать программное обеспечение к нему.
Как повысить точность измерений
Самая сложная задача - обеспечить высокую точность и надёжность в реальном времени при зашумлённом сигнале.
Для получения устойчивого результата были выполнены исследования и сравнительный анализ алгоритмов, разработаны универсальные алгоритмы фильтрации, спектрального анализа и выделения частоты.
В рамках второго этапа разработан программный модуль обработки сигналов ЛДИС и интерфейс взаимодействия с модулем обработки.
В итоге завершён первый этап, создана теоретическая и алгоритмическая база будущего модуля, разработаны универсальные кроссплатформенные алгоритмы, что является фундаментом для практической реализации и внедрения законченного, протестированного, валидированного программного модуля, интегрируемого с разными комплексами, работающего под Windows и Linux, с улучшенными алгоритмами для широкого диапазона скоростей и шумов, востребованного в научных и промышленных экспериментах.