多普勒测速

1 绪论 1.1 研究意义和目的 光学多普勒效应是光学领域中具有广阔应用前景的学科分支之一。激光多普勒测速仪由于采用激光为光源，具有一些激光的特性，这也是测速仪的优点，使得无论是从精度到时间和空间上的分辨率都提高到一个量级，在科学的各个领域都是少不了的检测方法。据市场调查，该项目在许多领域都有很大的市场。在交通领域，可以利用其测量汽车的速度，在冶金领域，可以利用其测量自动化生产线钢坯及钢管的速度及长度，国内大型钢厂对激光多普勒测速仪的需求很大，据调研，天津大无缝钢管公司、鞍钢现都在使用国外进口的激光多普勒测速仪，若将其国产化，将为国家节约大量外汇，创造良好的经济效益[1]。 1.2 激光多普勒的发展历程 早在1905年爱因斯坦就证明了在光波中也存在多普勒效应，1842年奥地利科学家Doppler, Christian Johann[2]首次发现，任何形式的波传播，由于波源，接收器，传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler频移。1960年第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。Cummins和Yeh [2]在1964年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，从此就开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速仪(LDV)。激光多普勒测速技术(简称LDV)是激光的一种重要技术运用，是一种测量流体或固体速度的新技术，它具有非接触测量、精度高、测点小、动态响应快、可测多维速度和判别速度方向等优点。目前，激光多普勒频移技术已广泛的应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物学、航空、航天、机械和医学，以及工业生产等领域的速度测量及其他有关测量。激光测速技术发展至今已有40年历史，其发展大体上可分成三个阶段 第一个阶段:1964年~1972年，在激光测速发展的初期，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便。各种外差检测模式都在实验当中，频移技术虽然一开始就已经出现，但是由于器件效率不高和增加了光学系统的复杂性，难以得到推广。初期的信号处理器大多采用己有的频谱分析仪，用它处理数据费时，精度差，更重要的是不能得到瞬时脉动速度。国内也有初步研究，在王大衍的带领下，1966年4月中国科学院(长春)光学精密仪器机械研究所研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。当时己有人开始研制频率跟踪器和计数式处理器，但还只是作为雏形停留在实验室中。因此，在这期间，进行的流动测量，大多是在低湍流条件下进行的，实验结果以平均分布为主。 第二阶段:1973年~1980年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面都有了很大的发展。首先是集成光学单元的出现，使光路结构大为紧凑，调准也方便多了，因而有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、空间滤波、偏振分离、频率(色)分离、光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中，并成为系列化产品不可缺少的一部分。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理器以及光子相关器件都陆续成为产品并被投入市场，它们同集成式光学系统一起成为研究复杂流体的有用工具。1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速仪国际讨论会”标志着这一技术的成熟。国内也出现了一些自行研制的仪器[2-4]，虽然都处于实验阶段，但为推广应用创造了条件。如果说，计算机的发展给计算流体力学发展创造了物质条件，那么，现代测量技术的发展则开创了实验流体力学的新局面，并为验证数值计算结果的正确性提供了实验依据，而激光测速就其发展速度或是应用范围都名列前茅。随着对湍流动态流动研究的深入，给LDV技术提出了新的问题，这就是所谓多普勒频率的不确定性问题。它主要影响到湍流的测量精度。现在对影响多普勒频率加宽的因素己基本清楚，同时提出了一些修正方法。但是，在大多数场合，它一般不是测量的关键问题。粒子的跟随性是又一个问题，理论和实验证明，粒子在微米数量级时，跟随性一般可达到99%左右。从实用观点看，这是可以被接受的。由于计数式处理器能适用于稀少粒子场合，因而越来越多地被采用。稀少粒子采样造成的速度偏置现象，会使统计结果产生误差，这一直是实践中要解决的问题。此外，如果利用频率跟踪器和计数式处理器的得到大量实时信息，也成为一个突出的问题。传统的模拟式仪表已不能适应对湍流微观结构和动态流动特性等课题的深入研究。 第三阶段:1980到现在。在此期间，应用研究得到迅速开展。在发表的文章中，有关流动研究的论文急剧增加，关于测量技术和装置方面的文章相对减少。这一时期明显的标志是1982年首次在里斯本召开的“激光技术在流体力学中的应用国际讨论会”该国际会议每两年召开一次。此外，还有每逢单数年召开的“激光测速仪进展与应用国际会议”。发表的论文中70%都是应用研究成果，遍及剪切流、内流、两相流、分离流、燃烧、棒束间流动、旋转机械、固体测速和测长等各领域。为了促进国内和国外在测速领域的交流，清华大学先后于1989、1994、1997年在北京举办了三届“流体动态测量与应用国际会议”，激光测速是其中一个重要讨论课题[1]。并且清华大学承担起的激光多普勒测速仪研制工作，先后研制成我国第一台一维、二维和三维频移LDV系统，并成功应用于小浪底水库泄洪洞模型实验和5 Mw低温供热核反应堆换热器模型实验的测试验证。这些成果弥补了国内在激光多普勒测速领域的空白，占领了国内多普勒测速仪的制高点。Bruce E. Truax , H. H. Bossel, J. W. Bibro[5-6]等人在固体表面速度测量方面做了很多工作，使这一技术得以在工业上应用。但由于没有高速DSP器件的支持，测量精度只能达到0.1%。八十年代末九十年代初，半导体激光器被用在激光多普勒测速仪上，使得激光多普勒测数仪向小型化发展，发展了自混频效应激光多普勒测速方法。自混频效应激光多普勒测速系统同差动型测量系统相比，前者的结构简单，操作容易，但是自混频效应激光多普勒测速方法是通过检测激光器光强的波动频率来进行测量的，激光光强并不是非常的稳定，当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应的改变，这会影响到多普勒频率的测量精度，精度更低，只能达到1%左右。在差动激光外差方法中，激光光强的波动只是影响到信号的信噪比，并不会影响多普勒频率测量的精度，因而精度较高。近几年，Sahin kaya[7-10]等人发展了双自混频技术，但精度始终不高，徘徊在1%左右，无法满足高精度的测量需要。这个时期LDV的另一个重大进展是相位多普勒粒径测速技术(phase Doppler sizing anemometry, PDSA)[11]。F. Durst和M. Zaref发现，球形粒子对两束相交光束散射时，在周围光场形成明暗相间的干涉条纹;当利用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在一定相位差，与粒子的大小成正比，具体地说，是与散射点的曲率半径有关[16]。随后，Bachalo又将这一发现应用于粒子的大小测量中，即PDA(相位多普勒法)[11]。在20世纪80年代中开始出现实用的商用产品，并直接占领市场。这一技术的产品化仪器有DANTEC公司的产品，可以测速近500 m/s，精度优于2%，测粒子直径0.5 um~10000 um，精度优于4%。这种仪器的优点是只在原有的LDV系统上增加一个或多个光检测器和一套位相检测器，就能同时得到粒子的速度和粒径信息，所增加的成本为LDV系统的1/3~1/4，而得到的信息却具有十分重要的意义。它不仅可用于两相流研究，而且对于单项流研究也是需要的。因为示踪粒子的大小与跟随性有很大的关系，直接影响到测量结果的精度和可靠性。基于这一特性，过去单一功能的LDV系统己逐渐被多功能的PDSA系统取代。 激光多普勒技术本身还在继续发展，如多维系统(主要是三维)，光纤传输技术及数字信号处理技术和微机数据处理技术等的出现把LDV技术推向更高的水平，使用调整更加方便，计算处理速度越快，实时性能越好。此外，半导体激光器和雪崩光电二极管的应用使LDV的小型化成为可能，推动LDV走出实验室，迈向工业和现场应用[12]。90年代以来，R. G. Brown等介绍了“小型固态光子相关激光多普勒测速仪”;Jetink, Mul, Snichiest等人研制了“小型激光二极管多普勒测速仪”;Schnidt, Stork等人发明了衍射分束器。Ross采用参考光和差动光路相结合的办法提出了一种LDV三维测量的新方法，在保持结构紧凑、使用方便的特点上，提高了信噪比，空间分辨率和测量精度也达到了工程要求。为了弥补LDV单点测量的不足，出现了多点LDV系统，由于其光路系统太复杂，推广受到限制。20世纪90年代出现的全场多普勒测(Dopplerglobal velometry ,DGV)技术可以说是LDV用于多点测量的突破性进展。它将散射光的多普勒频移信息转变为光强信息，从而可以用传统的图像处理方法来得到一个平面场中微粒的三维速度信息。受频率分辨率的限制，目前这一技术比较适用于中高速流畅的测量，但是可以预期，随着科技水平的不断提高，DGV技术也必将在新世纪中得到更大的发展和应用。 1.3 激光多普勒技术发展现状 激光多普勒测速技术自激光器出现以来，由于它具有非接触测量、高的时间和空间分辨率以及高测量精度等优点，以成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法。许多地方，如水下、燃烧缸内、原子反应堆、大气风速及高压、带腐蚀性流体等场合都寄希望于激光多普勒测速技术。由于现代科学技术、特别是半导体器件，光纤光学及计算机科学的发展，激光多普勒测速仪国际上正向仪器的小型化，使用方便化发展，使用光纤使得测量探头的可动部分缩到很小。近几年来，采用新型半导体激光器作为发射光源，用雪崩二极管或PIN管作为探测元件，使得光学系统小型化成为可能。计算机的发展使时域内信号处理的可靠性提高，并向频域处理的方向发展。随着电路器件水平的不断进步，FFT运算速度的提高，使频域内的信号处理方法用于准实时测量或趋向实时测量。近年来国外还发展了一些新的信号处理技术，一方面使得激光多普勒信号处理系统也趋于小型化，另一方面使得信号处理的自动化能力提高，使人工干预减到最小[13]。 近年来，国外采用光纤结构的激光多普勒测速仪，采用光纤可使发射头与发送系统中的布拉格盒、分束器等光学元件分开，也可使接收探头与光电接收器、前置放大器等接收部分分开，它们之间用光纤完成，这样发射头就小巧灵活。