[发明专利]单相机全场多普勒测速装置

说明书

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一参考相机所采集。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。