В 1842 году австрийский физик Христиан Допплер научно обосновал зависимость между частотой световых и звуковых колебаний, регистрируемой наблюдателем, и скоростью движения источника колебаний и самого наблюдателя. Этот принцип сегодня известен в науке как принцип Допплера. На практике эффект Допплера используется для измерения скорости движущегося объекта методом регистрации изменяющейся частоты его излучения. Метод называется «лазерная допплеровская анемометрия» и применяется в самых разнообразных отраслях науки, от изучения движения крови по сосудам до свойств сверхзвуковых потоков газов в реактивном двигателе, а прибор для измерения называется анемометр.
Чрезвычайно актуальной на сегодняшний день является задача измерения скорости ветра в приземных слоях атмосферы. Информация об этом необходима для работников авиации, химической и атомной промышленности. С помощью сведений о направлении и скорости движения ветра в момент выброса токсичных или радиоактивных веществ можно прогнозировать последствия и делать предположения о возможном радиусе и локализации очага заражения. Своевременно и точно полученная информация о ветровых полях позволяет планировать полеты летательных аппаратов, увеличивать их безопасность, уменьшая число катастроф и аварий в такие ответственные моменты, как полет и посадка. Именно в это время летательный аппарат находится от земли в непосредственной близости, а значит, он наиболее уязвим.
Эта проблема решается путем разработки и внедрения в производство и продажу надежных, современных, простых в использовании и обслуживании, точных устройств, и эти устройства — анемометры. Изучение труднодоступных, мелкомасштабных, высокотемпературных, химически активных потоков становится доступным благодаря развитию метода лазерной анемометрии.
Кратко принцип работы лазерного допплеровского анемометра можно описать так. Имеется неподвижный источник лазерного излучения, от которого облучается движущийся объект. Отраженные от объекта лучи регистрирует неподвижный приемник. Частота излучения, отраженного от движущегося объекта, будет отлична от частоты неподвижного источника на величину, которая пропорциональна скорости движения объекта относительно источника и приемника. Зарегистрировав данную разницу, которая называется доплеровским сдвигом частот, можно определить скорость движения объекта (частиц, отражавших свет, или трассеров). Эта скорость одновременно представляет собой и скорость движения потока.
Таким образом, основными компонентами лазерного допплеровского измерителя скорости потока являются источник лазерного излучения и приемник – фотодиод. Регистрация сигнала, зафиксированного фотодиодом, производится при помощи звуковой карты. Анализ сигнала и преобразования допплеровского сдвига частоты в показатель скорости движения потока производится с помощью специального программного обеспечения.