沈 熊

（清華大學工程力學系，北京 100084）

激光測速技術（LDV）誕生50周年啟示

沈 熊

（清華大學工程力學系，北京 100084）

回顧50年來激光測速技術（LDV）的發(fā)展過程，取得的主要成就，科學家和工程技術人員作出的重大貢獻。LDV為流體力學的實驗研究提供了有力的測試手段，開辟了對復雜流動精確、定量、動態(tài)測量研究的新篇章。

激光多普勒測速；相位多普勒；50周年

0 引 言

自從Yeh和Cummins［1］于1964年在實驗室中首次應用激光多普勒效應測得一個圓管管流中的平均速度分布和湍流度以來，至今已有50年的歷史。在這期間，激光測速技術（Laser Doppler Velocimetry-LDV）從無到有，發(fā)展壯大，已成為流體力學實驗研究的重要工具［2-3］，成為流體力學實驗室的常規(guī)設備。

如同固體力學中的應力場一樣，流體力學中速度場是其主要研究參量。傳統(tǒng)的力學實驗技術中，采用應變傳感器的電測技術在實驗應力分析中已經(jīng)很成熟并廣泛應用。但是具有三維特性流速場的測量方法始終處于相對落后的境地［4］。長期以來，皮托管加U型壓力計是主要的測速工具，在此基礎上發(fā)展出三孔、五孔和七孔的皮托管探針可用于二維和三維流速場測量，但是需要經(jīng)過復雜的校正過程，不僅耗時長、精度低，尤其不能響應快速變化的脈動速度。50年代出現(xiàn)的熱線風速計，解決了脈動速度的測量問題，也可以通過雙線和三線探針測量二維和三維流速，但是探針對流場的干擾影響不可避免，還必須進行速度校正，限制了它的應用范圍。流體力學實驗研究迫切需要新的流速測量方法，1960年激光器的出現(xiàn)為激光測速提供了條件。

Yeh和Cummins的成功實驗在流體力學界引起了強烈的興趣和反響，吸引了眾多的科技工作者參與這一領域的研發(fā)和應用。在上世紀70～90年代，大量LDV研究和應用論文在各種知名科技刊物發(fā)表，形成一股巨大的潮流，對于一種測量技術這是罕見的。國際性的學術會議如雨后春筍，紛紛召開。為了便于組織學術交流，由歐、美、日等知名教授發(fā)起，在1982年召開了首屆《激光測速在流體力學中應用國際討論會》［5］（后更名為《激光技術在流體力學中應用國際討論會》），會議地點固定設在葡萄牙里斯本，每兩年（逢雙數(shù)年）一次，至今已連續(xù)舉辦了17屆。另一個有影響的國際性會議是從1985年召開的《激光測速進展與應用國際會議》［6］，也是每兩年（逢單數(shù)年）輪流在歐美不同城市舉辦，共連續(xù)舉辦了9屆。為便于國內(nèi)學者參加國際學術交流，從1989年至1997年，在北京清華大學連續(xù)舉辦了3屆《流體動態(tài)測量與應用國際會議》［7］，激光測速是會議的主要專題之一。以上國際性學術會議集中反映了激光流體測量技術的新進展及其應用于各種流動領域取得的新成果，對于流體力學實驗技術的發(fā)展，尤其復雜湍流流動的研究起重要推動作用，人們從未像今天這樣可以定量、精確了解各種復雜流場的細節(jié)，同時，也為數(shù)值模擬的發(fā)展提供了實驗依據(jù)和驗證。

鑒于光科學技術對人類文明和廣泛領域的影響和重要性，聯(lián)合國已宣布2015年為國際光年［8］，將舉辦一系列的重要紀念活動。作為從事流體激光測量的科技工作者，在2014這個有紀念意義的年份，回顧激光測速發(fā)展的歷史過程和重要進展，也是對聯(lián)合國倡議的積極響應。

1 激光測速的主要成就

一種新技術的出現(xiàn)、發(fā)生、發(fā)展到成熟，除了具備造就的歷史條件外，更要有一批優(yōu)秀的有創(chuàng)造性的學者和研究人員進行堅忍不拔的鉆研和實踐，不僅首先要解決原理性問題，也同樣需要解決實際應用性難題，才能得到推廣。激光測速發(fā)展過程中出現(xiàn)的種種問題、不足到成功解決，成為實用的產(chǎn)品并不斷創(chuàng)新，頗具典型性和啟示性。

1.1 理論性問題的解決

雖然激光多普勒測速原理是正確的，但是利用示蹤粒子來代表流體還是存在質(zhì)疑。主要有兩個理論性問題：粒子跟隨性和多普勒頻率加寬問題。經(jīng)過眾多學者嚴格的理論分析和實驗驗證，結(jié)論表明，空氣中微米量級的粒子，在保證粒子速度與流體速度之比為0.99的條件下，可以跟隨的脈動頻率可達10KHz。這個頻率對于大多數(shù)湍流測量是足夠的［9］。

多普勒加寬主要來源于粒子通過測量體的渡越時間，稱為渡越加寬。對于速度梯度較大的場合，如剪切層、邊界層，還存在梯度加寬，此外，還有速度脈動加寬和儀器加寬等［2，10］。理論分析和實驗驗證表明，在大多數(shù)情況下，各種加寬的總和不超過脈動速度的百分之幾，視具體條件而定。因此，加寬對于平均速度影響不大，但是，對于低湍流度的研究是有影響的。對于大多數(shù)流動，脈動速度的測量誤差要比平均速度的誤差大，約為百分之幾。因此，LDV用于高湍流度和有回流的流動比較有利，因為其它測量方法難以勝任。

1.2 光學系統(tǒng)的突破——雙光束光路［2-3］

光線作為一種電磁波具有多普勒效應，但只有在能提供單一波長、相干性好、能量集中的激光束以后這一原理才有可能被利用。在激光測速出現(xiàn)初期，人們從原理出發(fā)很自然地想到并采用相當于光譜儀的參考光模式光路（圖1），將激光束照射流體中的運動粒子，將粒子的散射光與來自同一光源的參考光進行合成，得到對應于粒子速度的多普勒頻移，就能得到速度。這種模式在某些特定場合有其優(yōu)點，也能夠?qū)崿F(xiàn)流速的測量，首次完成激光測速實驗的論文采用的就是這種光路。但由于其光效率低，光學零件的調(diào)準度要求很高，使用起來難度很大，實驗甚至要在遮光的室內(nèi)才能進行，這樣的條件和要求顯然是不利于推廣應用的。

圖1 參考光模式Fig.1 Reference mode

圖2 雙光束模式Fig.2 Dual-beam mode

經(jīng)過研究人員多年的研究和改進，出現(xiàn)了一種雙光束模式光路（圖2），即將一束激光分成兩束等光強的平行光束，經(jīng)過一個透鏡匯聚相交，經(jīng)過交點的粒子散射光由一個接收透鏡接收，直接經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到對應于速度的多普勒頻移。這種模式聚焦測量點的光能很強，接收透鏡可以放在任意方向，而且可以使用大口徑光闌，因而光效率大大提高，即使在陽光下也能做實驗。更重要的是發(fā)射光單元和接收光單元都可以集成化，使用操作十分方便。這一突破性進展使儀器的商品化得以實現(xiàn)。迄今為止，由于光學部件產(chǎn)生了許多重要的進展，如光纖和半導體激光器的使用，基于光學或電子頻移的二維、三維測速光路等，使LDV的光學結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大變化。過去常用的體積龐大的氦氖和氬離子氣體激光器大部分已經(jīng)被高性能的固態(tài)激光器所代替，由于固態(tài)激光器體積小、壽命長、功耗低，使用維護十分方便，隨著其品種的增多和功率的增大，將來必定會在LDV系統(tǒng)中起主導作用。

1.3 信號處理技術的進展［2-3］

基于多普勒電信號的特點（圖3，4），人們一開始就設想能否用計算機通過軟件計算直接得到單個粒子的頻率（即速度），也有人做過嘗試，但是沒有成功，因為當時的計算機速度太慢。

隨著數(shù)字信息技術、計算機和軟件技術的發(fā)展，LDV信號處理器也不斷更新?lián)Q代，用新技術取代老技術。從模擬時代的頻譜分析儀、頻率跟蹤器到數(shù)字時代的計數(shù)式處理器、數(shù)字相關器和數(shù)字快速傅立葉變換（FFT）等，處理器的集成度越來越高，速度越來越快，體積越來越小，現(xiàn)在還可以通過無線傳輸數(shù)據(jù)信號，使探頭與主機分離，給使用帶來極大方便。

圖3 測量體中光強分布Fig.3 Light intensity in measuring volume

圖4 多普勒波群的電流波形Fig.4 Wave form of Doppler burst

由于粒子信息處理的復雜性，要完全依靠軟件計算是難以實現(xiàn)的。即使現(xiàn)在計算機的速度已經(jīng)很高，可以完成一些重要的數(shù)學處理，如數(shù)字濾波、數(shù)字相關、FFT、DSP處理等，但仍有一部分特殊的處理工作，如對多普勒信號包絡的波群檢測等功能需要通過硬件?？梢灶A期，LDV信號處理器的數(shù)字化、高速化和自動化將是發(fā)展的大趨勢。

1.4 同時測量速度和粒徑的相位多普勒技術［3］

激光測速發(fā)展初期人們就關注能否從多普勒波群同時獲取粒徑信息，依據(jù)是波群的包絡形態(tài)（光強可見度）與粒徑有關，這對于噴霧、兩相流等研究很有用。經(jīng)過多年的努力和嘗試，也發(fā)表過不少論文，這一目標沒有能夠?qū)崿F(xiàn)，因為影響粒徑的因素很多，難以得到確定性的粒徑關系式。

1975年，德國Durst教授等首先發(fā)表論文［11-12］，證明在不同方向設置的兩個光接收器接收到的信號頻率相同，但是信號的相位差同通過測量體的粒徑成正比（圖5，6），這就是著名的相位-多普勒（Phase-Doppler）原理。這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)為同時獲得速度和粒徑成為可能。遺憾的是研究沒有繼續(xù)進行，而是停頓了6年，被稱為“黑暗時期（Dark A-ges）”。原因可能是當時作者認為這種方法只適合測量粒徑變化，大于2π的相差會造成模糊問題；此外，作者不認為能用于實際測量，也還不清楚通過什么途徑去實現(xiàn)一臺實用的測量儀器［11］。

圖5 雙檢測器相位多普勒光路Fig.5 Dual-detector PDSA geometry

圖6 PDSA粒徑-相位特性Fig.6 Phase-diameter diagram of PDSA

直到1980年代初，在歐洲和美國同時引起了研究者的注意，繼而出現(xiàn)了兩種商品化的儀器，在里斯本國際會議展出。一種是將3個光接收器安裝在一個框架上［13］；另一種只有一個接收器，在接收透鏡后面集中安裝了3個光接收器［14］。前者雖然原理上可行，也已有產(chǎn)品出售，但是調(diào)整使用十分困難，大多數(shù)使用者難以掌握，買來后只能將儀器束之高閣。后者操作使用十分方便，與普通的激光測速儀無異，因而得到迅速推廣。由于此產(chǎn)品有諸多技術稱謂，如PDA、PDPA、APV等，這里采用了Hirleman教授在PDA 20周年紀念會上受委托發(fā)表的評論文章中的稱謂：相位-多普勒粒徑測速儀（Phase-Doppler Sizing Anemometer-PDSA），只要在常規(guī)的LDV系統(tǒng)上增加一個粒徑擴展接收器，就能同時測量粒子的速度和直徑，基本上利用了原有的光學和信號處理系統(tǒng)，使儀器的性價比大為提高，成為現(xiàn)代功能最強的激光測速系統(tǒng)。

1.5 多普勒全場測速技術［3］

眾所周知，LDV主要用于流場的單點測量。曾有不少研究人員致力于研發(fā)同時多點測量的LDV系統(tǒng)，都因系統(tǒng)過于復雜，調(diào)整困難，未能得到推廣。20世紀90年代初，出現(xiàn)了一種應用多普勒頻移原理測量流場速度的新方法，它能像圖像測速技術（Particle Image Velocimetry-PIV）那樣同時測量一個平面流場中的一維速度分布。變更不同的光學配置，就能得到該平面場的三維速度，被稱為多普勒全場測速技術（Doppler Grobal Velocimetry-DGV）。

DGV的基本系統(tǒng)如圖7所示。當流場中的粒子通過照射的激光片時，粒子的散射光中都包含著多普勒頻移。但是，迄今為止，還沒有辦法把所有粒子的散射光頻移同時精確地測量出來。DGV的關鍵部件是一個碘蒸氣盒（也可用其它吸收物質(zhì)，如銫），它的吸收特性與激光頻率有關，當散射光通過時，在一定的頻段內(nèi)，出射光強與光頻成線性關系，這樣就把光頻檢測問題轉(zhuǎn)換為光強檢測問題，于是，就可以采用目前已經(jīng)發(fā)展很成熟的CCD圖像采集和處理技術。利用未經(jīng)吸收的參考光圖像與吸收光圖像比較可以抵消光片光強的高斯分布、粒子濃度的不均勻性以及光學部件的不穩(wěn)定性和不完善性等因素的影響。限于吸收盒頻率-光強轉(zhuǎn)換特性的線性度、穩(wěn)定性以及分辨率等條件，DGV的測速精度要低于常規(guī)的LDV系統(tǒng)。由于DGV對粒子的濃度和分布條件要求較低，可以大大降低粒子添加的難度，因而比較適用于測量高速大流場氣體流動。

圖7 DGV的基本系統(tǒng)Fig.7 Principle and basic optics of DGV

經(jīng)過多年的發(fā)展，DGV的性能已經(jīng)得到很大提高。采用激光頻率調(diào)制和雪崩二極管（APD）陣列接收器技術，可以在風洞幾十m／s風速下達到1%以下的測量精度［15］。

近年來還出現(xiàn)一種具有像素鎖定功能的陣列檢測器，可以將兩幅相干圖像的對應像素進行外差，在50k Hz的激光調(diào)制頻率下，得到對應粒子速度的多普勒頻移，并且測得了幾十mm／s的速度場。這種摒棄了吸收盒的外差全場多普勒測速儀（HDGV）提出了新的發(fā)展方向［16］。

總的說來，DGV尚處于實驗室研究階段，目前還未見有商品化儀器。

2 啟示與展望

激光測速技術50年的發(fā)展歷程表明，一種新技術的出現(xiàn)，必定基于實際需要和客觀條件的具備，同時也是眾多科學家和工程技術人員的創(chuàng)造性實踐和整體科技發(fā)展的結(jié)果。應當感謝在此領域做出貢獻的科學先驅(qū)，尤其是里斯本會議的組織者［17］。30多年來，他們堅持不懈地組織了17屆國際會議，為年輕科技工作者提供了發(fā)表和交流研究成果的平臺，使流體激光測量技術不斷推陳出新、后繼有人。

回顧國內(nèi)，上世紀80～90年代，為了擺脫對進口儀器的依賴，節(jié)約外匯，國家科技部門在經(jīng)費上支持測試新技術的研發(fā)，有許多高校和研究機構(gòu)（如中科院、航空部和教育部的多所重點高校）積極投入LDV的研究和應用，并取得了許多成果，有的還轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。有關測量技術研究和應用的學術會議經(jīng)常召開，學術氣氛十分活躍，不少論文中實驗所用的儀器都是自制的。有些高校還開設了LDV實驗課程，成為實驗流體力學的重要組成部分。但是，進入21世紀，這種自力更生、堅持研發(fā)創(chuàng)新精神沒有得到承繼發(fā)揚，致使像LDV、PIV和DGV等這類新型流體測試技術與國外的差距拉大了，對進口儀器的依賴沒有得到根本性改變。當務之急，應當從教育實踐、科研規(guī)劃和政策鼓勵等多方面采取措施，改變現(xiàn)狀，不斷提高研究水平和培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

科學始于測量。新的測量方法標志著科技真正的進步。這是先輩科學家的至理名言。在即將迎來2015國際光年之際，愿以此文與有志于測量技術研究的青年科技工作者共勉。愿出現(xiàn)更多、更新、更好的流速測量技術為流體力學的教學和科研服務。

［1］Yeh Y，Cummins H Z，Localized flow measurements with a He-Ne laser spectrometer［J］.Appl Phys Letters，1964，4，176.

［2］杜斯特F，梅林A，華特洛J H，著.沈熊，許宏慶，周作元，譯.激光多普勒測速技術的原理與實踐［M］.北京：科學出版社，1992.

［3］沈熊.激光多普勒測速技術及應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［4］盛森芝，沈熊，舒瑋.流速測量技術［M］.北京：北京大學出版社，1987.

［5］Proceedings of the International Symposium on Applications of Laser Anemometry to Fluid Mechanics，Lisbon，1982.

［6］Proceedings of the International Conference on Laser Anemometry-Advances and Applications，1985，UK

［7］Shen Xiong，Sun Xijiu.Modern techniques and measurements in fluid flows［C］.Proceedings of the International Conference on Fluid Dynamic Measurements and its Applications，1989.

［8］United Nations proclaims 2015‘International Year of Light’，23 Dec.2013.

［9］舒瑋.湍流中散射粒子的跟隨性［J］.天津大學學報，1979，1.

［10］Buchhave P，George W K，Lumley J L，The measurement of turbulence with the laser-Doppler anemometer［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，1979，11

［11］Hirleman E Dan.History of the phase-Doppler sizing anemometer（PDSA）［C］.20thAnniversary of Phase Doppler Anemometry，24thMarch 1995，Lehrstuhl für Thermische Stromungsmechanik.

［12］Durst F，Zare M.Laser Doppler measurements in two-phase flows［J］.Proceedings of the LDA-Symposium Copenhagen，1975.

［13］Bachalo W D.Method for measuring the size and velicity of spheres by dual-beam light-scattering interferometry［J］.Applied Optics，1980，19：363-370.

［14］Saffman M，Buchhave P，Tanger H.Simultaneous measurement of size，concentration and velocity of spherical particles by a laser Doppler method［C］／／Proc of the 2ndInternational Symp on Appl of Laser Anemometry to Fluid Mechanics，Lisbon，1984.

［15］Andreas Fischer，Lars Büttner，Jürgen Czarske，et al.Measurements of velocity spectra using Doppler global velocimetry with laser frequency modulation and a detector array［C］／／14th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，Lisbon，Portugal，2008

［16］Alexander H Meier，Thomas Roesgen.Heterodyne Doppler global velocimetry［C］.14th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，Lisbon，Portugal，2008

［17］The 17thInternational Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，7-10 of July，Lisbon，Portugel，2014.

A historical review for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry

Shen Xiong
（Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

A historical review has been presented for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry.Main successes developed in this period are pointed out in memory with the important contributions from a number of scientists and engineers.It is noticed that the new age has already been opened up for the complex turbulent flow research with the accurate，quantitative and dynamical measurements.

laser Doppler velocimetry；phase Doppler；50thanniversary

O353.5+4

：A

1672-9897（2014）06-0051-05doi：10.11729／syltlx20140011

（編輯：張巧蕓）

2014-01-14；

：2014-04-21

ShenX.Ahistoricalreviewforthe50thanniversaryoflaserDopplervelocimetry.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：51-55.沈 熊.激光測速技術（LDV）誕生50周年啟示.實驗流體力學，2014，28（6）：51-55.

沈 熊（1935-），男，上海市人，教授。研究方向：實驗流體力學，激光測量。通訊地址：北京清華大學航天航空學院工程力學系（100084）。E-mail：shenx＠tsinghua.edu.cn