用于流场的干涉瑞利散射测速装置

摘要

本发明公开了一种用于流场的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、散射光收集单元、参考单元和探测单元；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组；参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机。本发明通过同时测量静止参考光干涉环和流场散射光干涉斑之间的相对频移，获得实时频移信号，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，适用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。

说明书

技术领域

本发明涉及是一种流场速度测量装置，尤其是适用于发动机、风洞等高 速流场速度测量的光学测量装置。

背景技术

采用基于激光的非接触光学诊断技术诊断航空发动机、内燃机等多种发 动机的燃烧流场，获得流场各种参量信息，对发动机的优化设计和仿真模型 的验证，燃烧效率和发动机性能的提升以及污染物排放控制等方面具有十分 重要的科学意义和实用价值。

在发动机燃烧流场诊断参量中，温度和速度是两个最基本的参量，通过 流场静温和速度的测量，可以计算流场总温，提供发动机燃烧效率等信息。 在流场速度测量方面，绝大多数测量技术，如粒子图像测速（PIV）技术、分 子示踪测速（MTV）技术、多普勒全场测速（DGV）技术等，测量时需要示踪 粒子，示踪粒子在本身活性、耐温性、流场跟随性等方面的限制，会影响这 些技术在发动机流场诊断时的适用范围和可靠性。那么，发展一种适用范围 较宽、可信度较高的速度测量技术，对发动机流场的诊断测试具有重要意义。

瑞利散射（RS）技术是基于流场本身分子弹性散射的光学测量方法，它 是利用流场分子产生的散射光来测量流场参量。一束激光与流场分子作用后， 其瑞利散射光谱则包含了流场的温度、密度和速度等信息。其中，瑞利散射 光和入射激光的中心波长的偏移则反映了流场的速度信息。这种偏移是由于 多普勒频移效应引起的，散射光的多普勒频移偏移量较小（GHz量级），需要 采用高分辨干涉分光仪器来检测，其中法布里-珀罗标准具因其结构简单、适 用方便、高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移，再通过多 普勒频移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度。

法布里-珀罗标准具是一种高分辨干涉分光仪器，可用于塞曼效应、超精 细结构、激光模式、谱线轮廓等多种实验现象的观测研究。早期研究者采用 了空气隙的标准具，空气隙标准具优点是测量精度高，缺点是对环境温度变 化和振动非常敏感，限制了工程应用。

另外采用标准具进行速度测量时，如果实验前先测量入射激光的输出波 长，实验时单一将散射光引入到标准具中形成干涉环来测量其中心波长，通 过两者的差值计算频移，那么在这一过程中激光器本身输出波长的抖动，会 影响频移计算的准确性，给测量结果带来误差。如何在光路设计上消除入射 激光输出波长的抖动对测量的影响，也是工程应用需要解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在瑞利散射技术基础上，发展一种基于干涉 法检测散射光多普勒频移的测速装置，解决工程应用中的信号弱、振动影响、 激光器输出波长抖动等问题。

本发明的技术方案为：

用于流场的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、散射 光收集单元和探测单元；

激光器为窄线宽的连续或脉冲激光器；

流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探 测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测 点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；

散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组，用于将散射光收集至 ICCD相机内；

探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机，散射 光经过法布里-珀罗标准具入射至ICCD相机，ICCD相机与数据处理用计算机 连接。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，还包括参考单元，参考单元包 括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，入射分束镜设置在流场交互单元的半 波片和聚焦透镜之间，与激光入射光呈45°夹角；出射分束镜设置在探测单 元的法布里-珀罗标准具前，并与散射光呈45°夹角；入射分束镜将参考光引 出经反射镜反射后进入出射分束镜。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，透镜组包括沿散射光路依次设 置的大F数非球面透镜、小F数非球面透镜和凹透镜，大F数非球面透镜的 焦点与探测点重合，小F数非球面透镜的焦点与凹透镜的虚焦点重合。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，法布里-珀罗标准具为固体标 准具。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，激光器的出射光束经过探测点 后被吸收阱吸收。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透 反比为100-1000:1。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，入射分束镜、出射分束镜的透 反比为500:1。

上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中，散射光收集方向、激光出射方 向和流场方向均在同一个平面，激光出射方向与流场方向夹角为45°，散射 光收集方向与流场方向夹角为45°。

本发明具有的技术效果如下：

1、本发明基于分子散射光原理检测，适用于大多数诊断流场，尤其是燃 烧流场；

2、现有瑞利散射技术是在无流场情况下事先测量得到本底干涉环，并与 流场下的频移干涉环进行比较得到频率信息，而本发明在实施中增加了参考 光路单元，静止区域的参考光和流场区域的散射光同时耦合进法布里-珀罗标 准具，并由ICCD记录其形成的干涉环和干涉斑图像，通过同时测量干涉环和 干涉斑之间的频移差，获得实时频移信号，进而计算得到流场速度，从而消 除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，提高了测量精度。

3、本发明采用大F数非球面透镜和小F数非球面透镜组成的非球面透镜 组，增加散射光的接收角度，提高了信号强度；

4、本发明采用固体标准具替代空气隙，提高了系统的抗振性能和环境适 应性；

5、本发明采用高灵敏度的ICCD进行图像记录，用于弱光检测，提高信 噪比；

6、采用该测速装置测量的速度结果，可为发动机设计及模拟仿真提供参 考。

附图说明

图1为本发明干涉瑞利散射测速装置原理图；

图2为本发明流场方向、激光入射方向、散射光方向布局示意图；

图3为本发明ICCD上获得的干涉环示意图。

附图标记如下：

1—激光器；2—流场交互单元；3—散射光收集单元；4—探测单元；5— 参考单元；6—半波片：7—聚焦透镜；8—吸光阱；9探测点；10—大F数非 球面透镜；11—小F数非球面透镜；12—凹透镜；13—法布里-珀罗标准具； 14—入射分束镜；15—反射镜；16出射分束镜；17—ICCD相机；18—计算机； 19—ICCD镜头；20—ICCD感光面；21—入射激光干涉环；22—散射频移光干 涉斑；23—频移量。

具体实施方式

图1为测速装置的系统组成图。测速系统包括激光器1、流场交互单元2、 散射光收集单元3、探测单元4和参考单元5组成。

激光器1采用窄线宽连续或脉冲激光器，可采用种子注入锁定的可调谐 Nd:YAG激光器，其二倍频532nm激光作为入射光。

流场交互单元2包括半波片6和聚焦透镜7，激光经半波片6调节偏振方 向后，经聚焦透镜7聚焦到探测点9附近，探测点9越靠近焦点其获得的信 号就越强，出射激光最后由吸收阱8吸收。

散射光收集单元3与激光入射方向成一定倾斜角度的透镜组，散射光收 集单元3采用短焦大F数非球面透镜10收集大视角流场分子的散射光，通过 长焦小F数非球面透镜11重新聚焦，再经过一个凹透镜12压缩整形为口径 较小的平行光，进入法布里-珀罗标准具13中进行检测。其中大F数非球面 透镜10用来增加接收角度，小F数非球面透镜11和凹透镜12对散射光进行 缩束，整形好的平行光进入法布里-珀罗标准具13形成干涉条纹，这种透镜 组合可以增加散射光的接收角度，提高了信号强度。

探测单元4包括ICCD17和计算机18，干涉环通过ICCD镜头19成像到 ICCD的感光面20上，图像最后由计算机记录。

参考单元5采用入射分束镜14从入射光源分出一小部分激光，经过反射 镜15，再通过出射分束镜16与整形为平行光的散射光耦合到一起，进入法布 里-珀罗标准具13中。分束镜的分束比可根据现场情况而定，确保ICCD上散 射光斑和参考光干涉环均能清楚显示即可，通常可选择分束镜透反比为 100-1000：1，本发明优选500：1。

增加光路单元的优点是，将静止区域参考光引起的干涉环和流场区域的 散射光引起的散射斑由ICCD同时记录，通过实时测量二者的相对频移，获得 流场速度，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，提高了测量精度。

如图2所示，作为一种优选方式，激光束在水平面方向与流场速度方向 υ成45°斜入射进入流场，与流场相互作用，入射光波矢方向为e₀，散射光 收集波矢方向为e_s，散射光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个 平面，收集方向与流场方向成45°。在实际应用中散射光收集方向与激光出 射方向根据需要设置，只要保证出射方向、流场方法和散射光收集方向不是 两两垂直即可满足要求。

如图3所示，参考光经反射镜15，通过出射分束镜16与整形为平行光的 散射光耦合到一起，进入法布里-珀罗标准具13中形成多个干涉环，而散射 光则形成靠近干涉环的干涉斑，最后同时通过ICCD镜头19成像到ICCD感光 面20上，由计算机18记录和处理。根据瑞利散射测速原理，当流场流速为 零时，干涉斑的中心则位于干涉环顶点的圆圈线上，并随着流场流速的增大 向圆圈线的外部偏移，故通过测量其中一只干涉斑中心和干涉环顶点圆圈线 的偏移量，就可得到该干涉环对应的入射激光和散射光的频移量Δν，进而 通过理论计算得到流经该处的流场流速。