牛洪濤，王連澤，沈 熊，2

（1．清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084；2．北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司，北京 100084）

激光多普勒測(cè)速儀產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用

牛洪濤1，王連澤1，沈 熊1，2

（1．清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084；2．北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司，北京 100084）

總結(jié)了10多年來，將激光測(cè)速技術(shù)科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品過程中解決的幾個(gè)重要技術(shù)關(guān)鍵問題，研發(fā)出可靠實(shí)用的一維和二維激光測(cè)速以及相位多普勒粒徑測(cè)速實(shí)驗(yàn)儀器，成功應(yīng)用于多種流動(dòng)測(cè)量的教學(xué)和科研，為培養(yǎng)高水平的創(chuàng)新型人才和提供多樣化的市場(chǎng)選擇做出了有益的貢獻(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)；激光測(cè)速儀；相位多普勒粒徑測(cè)速儀

1964年首次出現(xiàn)的激光多普勒測(cè)速技術(shù)［1］（laser doppler velocimetry，LDV）給流速場(chǎng)的非接觸測(cè)量帶來了希望，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員積極參與研究和應(yīng)用。迄今為止已有50年的歷史，激光測(cè)速技術(shù)從無到有，發(fā)展壯大，取得了巨大進(jìn)展，已成為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)設(shè)備［2］。其具有高精度、高空間分辨率和時(shí)間分辨率以及非接觸測(cè)量的特點(diǎn)，研究人員可以詳盡地了解流場(chǎng)參數(shù)和特性，為流體力學(xué)發(fā)展和科技創(chuàng)新提供了重要測(cè)量手段［3］。

上世紀(jì)八九十年代，受改革開放推動(dòng)，國(guó)內(nèi)高校和科研院所掀起了一股LDV研究熱。當(dāng)時(shí)，作為商售型的產(chǎn)品只局限于少數(shù)幾家國(guó)外企業(yè)，由于售價(jià)高昂（通常需十幾萬至二十幾萬美元），一般使用單位很難問津。此外，進(jìn)口產(chǎn)品使用操作復(fù)雜、耗電耗水量大，培訓(xùn)維修成本高，被調(diào)侃“買得起，卻修不起”。當(dāng)時(shí)，為解決這一問題，國(guó)家科技部門積極給予經(jīng)費(fèi)支持，科技研究人員意氣風(fēng)發(fā)，埋頭苦干，相繼出現(xiàn)了一批研究成果。學(xué)術(shù)交流會(huì)如雨后春筍，不少論文中所用的LDV都是自制的，這在很大程度上緩解了國(guó)家外匯短缺之困。但是，隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)條件的好轉(zhuǎn)，以及一些老科技工作者退出在職崗位，大多數(shù)科技成果沒有得到繼承和發(fā)展，沒有轉(zhuǎn)化成為成熟的產(chǎn)品，這是十分可惜的，也是當(dāng)前我國(guó)科技發(fā)展的軟肋。

清華大學(xué)工程力學(xué)系是國(guó)內(nèi)率先開展激光測(cè)速研究的單位之一，先后研制成功我國(guó)第一臺(tái)激光流速計(jì)［4］、第一臺(tái)二維和三維頻移型激光測(cè)速儀和計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)處理器，獲得了國(guó)家和部委的各種獎(jiǎng)勵(lì)［5］。為了將這一新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化成為產(chǎn)品，滿足國(guó)內(nèi)科研和教學(xué)的市場(chǎng)需求，10多年來鍥而不舍，與以清華退休教師為主體的北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司合作，堅(jiān)持技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)結(jié)構(gòu)工藝，研發(fā)出個(gè)性化、多品種、有中國(guó)特色的LDV產(chǎn)品，用戶已遍及國(guó)內(nèi)30多所高校和研究機(jī)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面，堅(jiān)持以流體近代測(cè)量技術(shù)、力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)等課程為平臺(tái)，不斷改進(jìn)和充實(shí)LDV教學(xué)實(shí)驗(yàn)，編寫新教材［6］，為推廣這一新技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生掌握基本原理，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?chuàng)造了有利條件。

1 激光測(cè)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

一臺(tái)激光多普勒測(cè)速儀主要由激光器、發(fā)射光部件、接收光部件、光電轉(zhuǎn)換部件、信號(hào)處理器部件和系統(tǒng)軟件等組成，見圖1。

圖1 激光測(cè)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

雖然原理性的問題在科研成果中已經(jīng)解決［7］，但作為商品化的儀器，必須在高性能、可靠性、通用性、易操作性、個(gè)性化、低價(jià)格以及安全節(jié)能等方面綜合實(shí)現(xiàn)，才能為市場(chǎng)所接受。為此，在研發(fā)產(chǎn)品化過程中解決了幾個(gè)重要的技術(shù)關(guān)鍵問題。

2 采用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)發(fā)射光部件一體化

激光器是LDV中的重要部件。為了得到良好的相干性，過去都采用能連續(xù)發(fā)光的氣體激光器，如大功率的氬離子激光器和小功率的氦氖激光器，前者為多譜線，可測(cè)量多維速度，但是價(jià)格高、機(jī)體龐大、耗能耗水成本高；后者為單譜線，體積也大，極易破損，運(yùn)輸困難，出光不穩(wěn)，且需高電壓，使用調(diào)節(jié)不便，如果激光器出現(xiàn)問題，用戶就一籌莫展。

為了解決“光源”這個(gè)困擾多年的老大難問題，我們率先在國(guó)內(nèi)采用了高性能的半導(dǎo)體激光器，雖然成本有所增加，但是對(duì)儀器產(chǎn)品化有突破性意義。圖2是氣體氦氖激光器和半導(dǎo)體固態(tài)激光器外形比較，半導(dǎo)體激光器不僅體積大大縮小了，發(fā)射光部件實(shí)現(xiàn)了一體化和小型化，整個(gè)儀器的穩(wěn)定性、易操作性、信噪比以及使用壽命都有很大提高。

圖2 氦氖激光器和半導(dǎo)體激光器

圖3為應(yīng)用一維LDV新產(chǎn)品于實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行霧霾研究。由于強(qiáng)電場(chǎng)的作用，室內(nèi)霧霾粒子隨時(shí)間逐漸消散。從霧霾粒子散射光的光電流可以獲得霧霾濃度變化，從粒子散射光的頻率則可以計(jì)算得到粒子的遷移速度。

圖3 小型化LDV用于霧霾實(shí)驗(yàn)研究

圖4表示了粒子的多普勒信號(hào)和速度直方圖，測(cè)得粒子的平均遷移速度為0．21m／s，精確測(cè)量到這樣的速度量級(jí)，用其他方法是難以做到的。

圖4 霧霾粒子速度信號(hào)和測(cè)量結(jié)果

3 采用光散射有利方向特性提高光能利用率

米散射理論表明［8］，微米量級(jí)球形粒子的光散射特性具有極強(qiáng)的方向性，即散射角為0o的前向散射光強(qiáng)為散射角為180o后向散射光強(qiáng)的100倍以上（見圖5），而作為L(zhǎng)DV示蹤粒子的粒徑正好落在此范圍內(nèi)。因此，盡量利用前向散射接收可以極大提高激光器的光能利用率。而國(guó)外的商售LDV系統(tǒng)都采用幾瓦功率的大功率激光器和后向散射光路，雖然對(duì)于有些不能透光的模型是有利的，但是令系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本大大提高了。

事實(shí)上，有相當(dāng)大部分的測(cè)量對(duì)象是可以或有條件使用高效的前向散射接收的，這樣不僅能大幅度降低激光器功率，從而降低儀器的價(jià)格，在抗環(huán)境噪聲方面也優(yōu)于后向散射。例如，用前向散射做近壁測(cè)量時(shí)，模型壁面光點(diǎn)對(duì)測(cè)量的影響比后散射要小得多，從圖6測(cè)量水槽流速時(shí)可見，由于水流比較渾濁，后向散射光難以穿透較寬的水體，而前向散射測(cè)量則沒有困難。

圖5 球形粒子的光散射特性

對(duì)于氣固兩相高速粒子流的測(cè)量，前向散射的效果也很好。圖7顯示了采用100mW半導(dǎo)體激光器的前向散射一維LDV系統(tǒng)，測(cè)量100m／s的沙粒速度時(shí)可以得到良好的信號(hào)。

圖7 高速沙粒速度測(cè)量

4 采用偏振光雙差動(dòng)頻移技術(shù)實(shí)現(xiàn)二維速度分離

流速場(chǎng)是向量場(chǎng)，為了實(shí)現(xiàn)二維測(cè)量，國(guó)外都采用多譜線大功率的氣體激光器，雖然可以實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，但是實(shí)用效果有限，原因在于雙鏡頭的三維系統(tǒng)難以用于液流測(cè)量，而單鏡頭的三維系統(tǒng)則軸向速度精度相當(dāng)?shù)停?］。對(duì)于二維LDV來說，采用單波長(zhǎng)的激光器，關(guān)鍵在于如何分離二維速度信息。采用偏振光技術(shù)可以成功解決這一難題。圖8表示了偏振分離二維LDV系統(tǒng)的發(fā)射光和接收光路原理。這是一種單鏡頭的二維LDV系統(tǒng)，使用起來十分方便。

二維測(cè)量還必須解決流向判別問題，否則，二維速度合成就沒有意義。國(guó)外產(chǎn)品大都采用光電子混合式聲光調(diào)制頻移技術(shù)，雖然具有量程較寬的優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)性噪比和抗干擾要求較高。我們采用雙調(diào)制器直接光混頻的雙差動(dòng)頻移技術(shù)［9］（見圖9），具有性噪比高、干擾小的優(yōu)點(diǎn)，雖然頻移量程不能太寬，但是對(duì)于大多數(shù)測(cè)量是足夠的。

圖8 偏振分離三光束二維LDV光路

圖9 雙差動(dòng)聲光頻移二維光路

圖10為應(yīng)用二維頻移LDV測(cè)量攪拌器液體漩渦流場(chǎng)?？梢詼?zhǔn)確測(cè)得從正到負(fù)的切向速度分布，以及軸向速度的二次渦特性。

圖10 二維頻移LDV測(cè)量漩渦流動(dòng)

5 數(shù)字相關(guān)處理相位－多普勒粒徑速度信息

在激光多普勒測(cè)速技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的相位多普勒（Phase Doppler）技術(shù)，具有同時(shí)測(cè)量球形粒子的速度和粒徑的功能。理論和實(shí)驗(yàn)證明，在空間不同位置設(shè)置的2個(gè)光接收器，它們接收到的信號(hào)頻率相同，但相位不同，其相位差與粒徑成線性關(guān)系（見圖11）。

因此，只要在原有LDV基礎(chǔ)上設(shè)置一對(duì)光接收器和一套相位差檢測(cè)軟件，就能擴(kuò)展成一臺(tái)相位多普勒粒徑／速度測(cè)量系統(tǒng)（PDSA）見圖12。

應(yīng)用數(shù)字相關(guān)技術(shù)可以同時(shí)得到多普勒信號(hào)的頻率（即速度）和相位差（即粒徑）。信號(hào)的頻率通過自相關(guān)處理得到。

圖11 相位多普勒粒徑測(cè)速儀原理

圖12 相位多普勒粒徑／速度測(cè)量系統(tǒng)

信號(hào)f（t）的自相關(guān)函數(shù)為

由自相關(guān)函數(shù)可得到多普勒頻率：

式中，C為相關(guān)函數(shù)的過零次數(shù)，D為第一個(gè)和最后一個(gè)過零點(diǎn)之間延時(shí)數(shù)之差，Sp為采樣周期。

兩組信號(hào)x（t）和y（t）的互相關(guān)函數(shù)一般形式為

互相關(guān)函數(shù)的周期也同樣代表原始信號(hào)的周期（即多普勒頻率）。同時(shí)，可以從下式得到相位差Φ：

式中B為對(duì)應(yīng)最大值的延時(shí)采樣間隔數(shù)，τm＝B·Sp。

應(yīng)用PDSA實(shí)測(cè)了一臺(tái)超聲加濕器噴出的水霧粒子速度和粒徑。實(shí)驗(yàn)裝置布置見圖13所示。

圖13 應(yīng)用PDSA測(cè)量超聲加濕器粒徑和速度分布

測(cè)量得到的速度和粒徑直方圖見圖14所示，平均速度為0．528m／s，平均粒徑為20．24μm，結(jié)果是合理的。

6 結(jié)束語

在科研成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)出具有實(shí)用價(jià)值的激光多普勒測(cè)速儀系列化產(chǎn)品［10］，即一維、二維以及相位多普勒粒徑測(cè)速儀。產(chǎn)品投放市場(chǎng)10多年來，為許多高校和研究機(jī)構(gòu)提供了高性價(jià)比的教學(xué)和科研設(shè)備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，并節(jié)約了大量外匯。

圖14 PDSA測(cè)量結(jié)果

鑒于LDV在原理和使用操作方面有一定的復(fù)雜性，總結(jié)了多年來LDV的使用經(jīng)驗(yàn)，編制和開發(fā)了多種視頻和幻燈片教學(xué)軟件［11－12］，為培訓(xùn)學(xué)生和實(shí)驗(yàn)工作人員提供了有利的學(xué)習(xí)條件，推動(dòng)了這項(xiàng)新技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

（References）

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

［2］盛森芝，沈熊，舒瑋．流速測(cè)量技術(shù)［M］．北京：北京大學(xué)出版社，1987．

［3］沈熊．激光多普勒測(cè)速技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［4］研制成功我國(guó)第一臺(tái)激光流速計(jì)［N／OL］．寧夏日?qǐng)?bào)，1980－07－22（1）．

［5］SCD－2雙差動(dòng)聲光頻移二維激光多普勒測(cè)速儀：國(guó)家發(fā)明四等獎(jiǎng)［Z］．1992．

［6］王連澤．清華大學(xué)LDV課程教材［Z］．北京：清華大學(xué)，1998．

［7］Buchhave P，George W K，Lumley J L．The Measurement of Turbulence With the Laser－Doppler Anemometer［M］．Annual Review of Fluid Mechanics，1979．

［8］波恩M，沃耳夫E．光學(xué)原理（下冊(cè)）［M］．北京：科學(xué)出版社，1988．

［9］北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司．SCD－23二維頻移激光多普勒測(cè)速儀使用說明書［Z］．2010．

［10］沈熊．激光測(cè)速技術(shù)（LDV）誕生50周年啟示［J］．實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（6）：51－55．

［11］北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司．激光多普勒測(cè)速儀使用教程［Z］．北京：北京飛馬驪佳科技服務(wù)公司，2013．

［12］北京飛驪佳科技服務(wù)有限公司．激光多普勒測(cè)速儀使用調(diào)整方法［Z］．北京：北京飛馬驪佳科技服務(wù)公司，2014．

Development and application of laser Doppler velocimetry products

Niu Hongtao1，Wang Lianze1，Shen Xiong1，2
（1．Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China；2．Beijing Feilijia R ＆D Inc．Ltd，Beijing 100084，China）

As a summary for transforming the results of laser Doppler velocimetry（LDV）research to the market products，some technical key problems have been resolved．A series of LDV products such as 1D，2D and the phase－Doppler system are developed and successfully applied to the teaching and research experiments．It is also beneficial to students improving their innovative ability and variety choices for the market．

experimental fluid mechanics；laser velocimetry；phase－Doppler sizing anemometry

TN247

B

1002－4956（2015）3－0101－05

2014－10－22

牛洪濤（1970—），女，北京，碩士，工程師，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)

沈熊（1935—），男，上海，教授，研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)流體力學(xué)與激光測(cè)量．