单相机全场多普勒测速装置.pdf

本发明公开了一种单相机全场多普勒测速装置。Nd:YAG激光器发出的调制激光经分光镜进行分光后，一路经圆柱透镜和第一球面透镜形成片光照亮流场测试区域，另一路经平面镜、第一碘分子滤波器、第二球面透镜、光电二极管和计算机接口接到控制计算机，计算机接口的三路控制信号分别经频率控制器、温度控制器、同步控制器与Nd:YAG激光器连接，流场测试区域的散射光经透镜、第二碘分子滤波器和CCD相机接入控制计算机。与传统DGV测速装置相比，只采用一个CCD相机，简化测速装置，降低设备成本。与PIV测速装置相比，可以满足大尺度流场全场测速的需要。针对大尺度流场，具有超过传统DGV和PIV两种测速装置的测量精度。

1、  一种单相机全场多普勒测速装置，其特征在于：Nd:YAG激光器(1)发出的调制激光经分光镜(12)进行分光后，一路经圆柱透镜(11)和第一球面透镜(10)形成片光照亮流场测试区域(14)，另一路经平面镜(9)、第一碘分子滤波器(8)、第二球面透镜(10)、光电二极管(13)和计算机接口(5)接到控制计算机(6)，计算机接口(5)的三路控制信号分别经频率控制器(2)、温度控制器(3)、同步控制器(4)与Nd:YAG激光器(1)连接，流场测试区域(14)的散射光经透镜(15)、第二碘分子滤波器(8)和CCD相机(7)接入控制计算机(6)。

2、  根据权利要求1所述的一种单相机全场多普勒测速装置，其特征在于：所述的第一、第二碘分子滤波器(8)均为在石英玻璃筒体(22)的两端加上光学玻璃窗口，石英玻璃筒体(22)外壁分别开有与真空泵相连的连接口(17)，与冷端盲头(18)的连接接口，经截止阀(19)与装有固态碘的侧臂(20)的连接接口。

3、  根据权利要求1或2所述的一种单相机全场多普勒测速装置，其特征在于：所述的第一碘分子滤波器(8)是接受流场测试区域(14)的散射光经透镜(15)后通过一个光学玻璃窗口接收，再经过另一个光学玻璃窗口，由CCD相机(7)接收；第二碘分子滤波器(8)是接受经平面镜(9)的反射光，输出至第二球面透镜(10)。

单相机全场多普勒测速装置
技术领域
本发明涉及流速的测量装置，具体地说是涉及一种单相机全场多普勒测速装置。
背景技术
随着激光、计算机和传感器等技术的发展，用于流场测量的新技术和新仪器不断被创造出来，如激光多普勒风速仪(LDA)、粒子成像测速仪(PIV)、平面激光诱导荧光技术(PLIF)等应用十分广泛。
但目前还有一些流场没有很好手段来进行非接触测量或测量中存在较大误差，例如，高马赫数和超高马赫数流场测量、大尺度风洞流场实时测量、燃烧场多参数实时测量等。对于基于PIV技术的测量装置而言，由于对颗粒散射光要求很高，要求流场内颗粒较大，但对于高马赫数流场而言跟随性会随之降低，颗粒太小则散射光强变弱，粒子配对成功率下降，无法满足全场测速的要求。近些年发展起来的多普勒全场测速(DGV)技术应用在上述应用中具有一定潜力。
DGV的基本工作原理是测量运动粒子散射光的多普勒频移。当激光被移动粒子散射时，会产生多普勒频移，根据多普勒频移公式有：
ΔfD=1λ(o^-i^)·V]]>
其中，和别是接收和发射光单位矢量，V是流动速度矢量，λ是入射光波长。
DGV使用一个窄线宽激光来照亮流场中的某一平面。示踪粒子散射光经过分子滤波器后由一相机采集。同时该图像在不经过滤波器的情况下被另外一个相机-参考相机所采集。分子滤波器是一个简单的光学元件(两端开窗的玻璃圆柱)，内装吸收分子，该分子具有能够和激光光谱相匹配的吸收带。这就形成了一个具有有限长度斜边的透射率曲线(如图1所示)，通过滤波器的光谱强度和光的频率有关。I_v/I_0v是分子滤波器的光谱透射率，I_v定义为通过滤波器后的光谱强度(在频率v处)，I_0v为滤波器之前的光谱强度。通过滤波器的光谱强度是散射光的光谱强度与滤波器分子吸收线的卷积。信号相机的每一个像素记录了积分光谱强度，I＝∫I_vdv。参考相机采集了未通过滤波器的流场图像，即与未经滤波器的积分光谱强度I₀(I₀＝∫I_0vdv)。以积分透射率为自变量，频移(或频率函数ζ)为因变量绘制频移-透射率变化曲线(如图2所示)，实际测试中，一旦每个像素点上的透射率通过两个相机信号对比得到后，多普勒频移就可以根据滤波器的频率函数计算出，示踪粒子速度(即流动速度)可以由频移计算出。
尽管DGV有其优点，但是在应用过程中还存在一些问题。为消除激光频率和强度变化对测量结果的影响，需用参考信号来进行修正，因此DGV技术中每个速度分量需用两个相机，即信号相机和参考相机，由此造成设备造价昂贵，且不可避免地存在光路对正误差。为此，研究人员提出多种改进方法，如双频激光、镜头分区等，这些方法效果都不是很理想。
发明内容
针对目前全场测速技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种单相机全场多普勒测速装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
Nd:YAG激光器发出的调制激光经分光镜进行分光后，一路经圆柱透镜和第一球面透镜形成片光照亮流场测试区域，另一路经平面镜、第一碘分子滤波器、第二球面透镜、光电二极管和计算机接口接到控制计算机，计算机接口的三路控制信号分别经频率控制器、温度控制器、同步控制器与Nd:YAG激光器连接，流场测试区域的散射光经透镜、第二碘分子滤波器和CCD相机接入控制计算机。
所述的第一、第二碘分子滤波器均为在石英玻璃筒体的两端加上光学玻璃窗口，石英玻璃筒体外壁分别开有与真空泵相连的连接口，与冷端盲头的连接接口，经截止阀与装有固态碘的侧臂的连接接口。
所述的第一碘分子滤波器是接受流场测试区域的散射光经透镜后通过一个光学玻璃窗口接收，再经过另一个光学玻璃窗口，由CCD相机接收；第二碘分子滤波器是接受经平面镜的反射光，输出至第二球面透镜。
本发明具有的有益的效果是：
1.与传统DGV测速装置相比，只采用一个CCD相机，简化测速装置，降低设备成本。
2.与PIV测速装置相比，可以满足大尺度流场全场测速的需要。
3.针对大尺度流场，具有超过上述两种测速装置的测量精度。
附图说明
图1是滤波器透射率曲线。
图2是滤波器多普勒频移函数曲线。
图3是频率调制DGV光强调制示意图。
图4是典型的检测信号及其频谱特性。
图5是一次谐波和二次谐波幅值A_1fm(Δf)和A_2fm(Δf)。
图6是比值q(Δf)＝A_1fm(Δf)/A_2fm(Δf)。
图7是系统实施示意图。
图8是碘分子滤波器结构图。
图9是频率采样点分布原理图。
图10是一、二次谐波比值算法原理图。
图中：1、Nd:YAG激光器，2、频率控制器，3、温度控制器，4、同步控制器，5、计算机接口，6、控制计算机，7、CCD相机，8碘分子滤波器，9、平面镜，10、球面透镜，11、圆柱透镜，12、分光镜，13、光电二极管，14、流场测试区域，15、透镜，16、热电偶，17、连接口，18、冷端盲头，19、截止阀，20、侧壁，21、冷却水，22、筒体。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本发明解决其技术问题的基本方法是采用频率调制激光代替常规DGV中恒定频率激光(测量期间)，假设其频率
f_L(t)＝f_c+f_hcos(2πf_mt)
其中，f_c为激光中心频率，f_h为频率调制幅度，f_m为调制频率。
由于分子滤波器的频率变化-光强变化的转换作用，通过分子滤波器后，相机(或探头)检测到的是光强调制信号(如图3所示)。由于分子滤波器透射率曲线是非线性的，光强信号中包含了各次谐波。如图4所示，给出的是典型光强调制信号及其能谱(仅显示一次和二次谐波)。当激光中心频率变化时，一、二次谐波的幅值随之变化，如图5所示，示意性给出了一次谐波和二次谐波幅值随激光中心频率的变化曲线。很显然，粒子运动产生的散射光频移相当于激光中心频率发生变化，而这个变化将反应在两个谐波的幅值变化上。而这两个谐波幅值A_1fm(Δf)和A_2fm(Δf)都正比于光强，比值q(Δf)＝A_1fm(Δf)/A_2fm(Δf)的数值仅取决于中心频率的位置(如图6所示)，因此，FM-DGV中考察多普勒频移引起的比值q(Δf)的变化，即可得到多普勒频移，不再需要常规DGV系统中的参考图像，分光过程自然也省略了。
如图7所示，Nd:YAG激光器1发出的调制激光经分光镜12进行分光后，一路经圆柱透镜11和第一球面透镜10形成片光照亮流场测试区域14，另一路经平面镜9、第一碘分子滤波器8、第二球面透镜10、光电二极管13和计算机接口5接到控制计算机6，计算机接口5的三路控制信号分别经频率控制器2、温度控制器3、同步控制器4与Nd:YAG激光器1连接，流场测试区域14的散射光经透镜15、第二碘分子滤波器8和CCD相机7接入控制计算机6。
如图7所示，Nd:YAG激光器1发出的调制激光首先进行分光，大部分用于测量，一小部分用于激光频率和能量监测；第一部分激光经过圆柱透镜11和球面透镜10形成片光，用于照亮被测流场。示踪粒子的散射光经过透镜15和碘分子滤波器8后被CCD相机7采集。相机采集的一组图像(至少三幅)，传输到计算机6进行处理和计算。系统中Nd:YAG激光器1采用的是单块固体环形连续激光器(532nm)，激光线宽可窄至100kHz，能量为1W。频率控制器2将激光信号调制成正弦波信号，调制频率为2～21kHz，调制幅值为±200MHz～400MHz，温度控制器3采用PID控温技术，控温精度控制到0.01度，同步控制器4用于负责激光照明和相机同步。本测速装置中，频率控制器2选用FC200，温度控制器3选用TC350，同步控制器4选用DG580，计算机接口5采用的控制卡为PCI1506。激光频率监测，激光相机同步以及激光温度监测等功能通过控制计算机6的操作软件和数据处理软件来实现。
如图8所示，所述的第一、第二碘分子滤波器8均为在石英玻璃筒体22的两端加上光学玻璃窗口，石英玻璃筒体22外壁分别开有与真空泵相连的连接口17，与冷端盲头18的连接接口，经截止阀19与装有固态碘的侧臂20的连接接口。
所述的第一碘分子滤波器8是接受流场测试区域14的散射光经透镜15后通过一个光学玻璃窗口接收，再经过另一个光学玻璃窗口，由CCD相机7接收；第二碘分子滤波器8是接受经平面镜9的反射光，输出至第二球面透镜10。
筒体部分用加热带缠绕并作绝热处理，保持一定的加热温度(340-380K)。滤波器筒体22温度控制不要求很精确，只要保证碘不粘在窗口上即可。与筒体相连的侧臂20保持在一个较低的温度，一般310-325K。由于滤波器工作时对侧臂20温度特别敏感，通常通过一个精密系统来保持温度恒定(如恒温水浴)，通过冷却水21和热电偶16的反馈值来保持温度恒定。滤波器上的冷端盲头18用来调节碘蒸汽分压(摩尔浓度)，以便获得理想的透射率曲线。当固态和气态碘达到平衡后，关闭截至阀19，使侧臂20与滤波器筒体22分开。
CCD相机13采用Nikon单CCD相机，采集频率为10Hz，最高可达13Hz，单幅分辨率为1600×1200，采集的信号直接通过1394或usb通讯接口存储到控制计算机6。控制计算机可采用目前主流的计算机，如DELL的OPTIPLEX330品牌机。本装置中平面镜9选用Φ30×5，球面透镜10选用f200，圆柱透镜11选用f50，分光镜12分光比针对532nm为10∶1，透镜15选用f50。
数据处理算法原理，如图9，10所示。对于周期性调制曲线，只需测量一个周期内的数据点就可以，理论上知道(0)-(4)五个点的值就可以确定这条曲线。g(1)和g(3)数值可假定为相同，g(0)和g(4)为同一值，这样最少只需采集3幅图像就可以满足计算要求，采用公式如下所示，
Ai,j(1fM)Ai,j(2fM)=gi,j(0)-gi,j(2)gi,j(0)-gi,j(1)+gi,j(2)-gi,j(1)]]>
A_i，j(1f_M)和A_i，j(2f_M)分别表示一次谐波幅值和二次谐波的幅值g_i，j(0)，g_i，j(1)，g_i，j(2)为对应的三次图像采集信号。
通过上述公式，可以对所拍摄流场的图像进行单个像素点分析处理，获该像素点所对应的一次和二次谐波幅值之比，并根据标定过的其商与对应的多普勒频移对应的曲线关系，获得该点的多普勒频移量，最终获得该点的速度值。同样，对每个像素点进行类似的数据处理，进而可获得整个流场的速度分布。