黃真理,周維虎,曲兆松

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038;2.中國科學院 光電研究院,北京 100094;3.北京尚水信息技術股份有限公司,北京 100085)

三維激光誘導熒光(3DLIF)技術及測量水體標量場設備研究

黃真理1,*,周維虎2,曲兆松3

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038;2.中國科學院 光電研究院,北京 100094;3.北京尚水信息技術股份有限公司,北京 100085)

本文介紹了激光誘導熒光(LIF)技術測量水體濃度場、溫度場和速度場的基本原理，總結了從一維到三維LIF技術的發(fā)展歷程，綜述了激光誘導熒光(LIF)技術測量水體標量場的關鍵問題，包括激光器和片光源、熒光物質選擇和校正方法，從工程化和產業(yè)化的需求出發(fā)，提出了基于3DLIF技術的水體三維標量場測量儀器的總體技術方案、技術路線和總體技術指標，并給出了3DLIF的關鍵技術及其解決方案。

三維激光誘導熒光技術(3DLIF)；水體；標量場測量

0 引 言

流體力學(水力學)是水利、能源(水電、火電、核電)、航空航天、傳熱傳質等領域的基礎學科，而流體測量又是流體力學研究的重要手段。很多重要的流體現(xiàn)象，比如激波現(xiàn)象、邊界層、壁面猝發(fā)、湍流邊界層中大渦結構都是通過流體實驗發(fā)現(xiàn)的。對于流動測量，分為接觸式測量和非接觸式測量。與接觸式測量相比，非接觸式測量不會對原流場產生擾動，是精細流動測量，尤其是湍流測量的重要手段。

流體力學(水力學)中有標量場和矢量場。常見的標量場有溫度場、濃度場等，常見的矢量場有速度場。研究以濃度場和溫度場為代表的水體標量場是水力學的基礎問題。

激光誘導熒光(LIF，Laser-Induced Fluorescence)技術屬于激光光譜學診斷技術，是一種新的流動顯示和非接觸式流動測量方法，不僅可以定性揭示流動的內部結構，而且與圖像處理技術結合可以進行濃度場、溫度場、壓力場以及速度場的定量測量，對解決當前重大火電和核電工程中的溫排水測量和重大水電工程中的流動模擬和污染物模擬測量，對開展湍流基礎研究和流體力學(水力學)教學演示具有重要價值。同時，在火焰燃燒、過程工程和化學工程領域也得到廣泛應用，發(fā)展前景較為廣闊。

本文分理論、關鍵問題和設備研制3個部分系統(tǒng)介紹LIF技術測量水體標量場的研究成果和進展。

1 理論

1.1LIF技術測量濃度場原理

在測量流體中加入少量熒光物質，用適當波長的激光照射測量流體，就會出現(xiàn)熒光，圖1所示是熒光素鈉的激發(fā)-發(fā)射光譜。

圖1 熒光素鈉溶液譜圖[1]Fig.1 Fluorescent sodium solution spectra

如圖2所示，假設每平方厘米上光強度為I0的入射光，照射到1個吸光截面積為A的盛有熒光物質的液池。入射光穿過y處的一層很薄的液層Δy，如該薄層所吸收的光能量為ΔI，所發(fā)射的熒光強度為F，則[2]

式中：Φ為熒光效率。

根據朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律可知，被薄層吸收的光能量ΔI為：

圖2 液池中激光誘導熒光示意Fig.2 The laser-induced fluorescence signal of liquid pool

記K=SaΔyI0，將(2)式代入(1)式有：

式中：入射光強度I0、吸光截面積Sa和薄層厚度Δy可人為控制和選定，K可以看作常數；吸光系數值的大小取決于吸光物質的性質、入射光波長、溶液溫度和溶劑性質等，與溶液濃度大小和液層厚度無關。

設H0=KΦε=ΦεSaΔyI0，則

在LIF技術中，液池中任一點的熒光強度F與濃度和路徑的關系可用式(4)表示。對于所研究的流動水體，選擇恰當的激光光源和熒光物質，當參數H0為常數，即熒光效率Φ、吸光系數ε和片光在實驗過程中不變時，利用數字圖像采集系統(tǒng)獲得了液池內熒光強度的分布，利用(4)式進行校正，就可得到液池內的濃度場，這就是LIF技術測量濃度場的理論根據。圖3表示熒光素鈉的濃度與熒光強度成線性關系。

圖3 液體中熒光素鈉的熒光強度隨濃度變化[1]Fig.3 The variance of the fluorescence intensity with fluorescent sodium concentration in the liquid

1.2LIF技術測量溫度場原理

有一類熒光物質，如羅丹明B，對溫度的變化十分敏感，隨著溫度的增加，其熒光效率Φ或吸光系數ε顯著減低。因此，可以選擇此類物質作為溫度敏感的熒光示蹤物質，用于溫度場測量。

圖4所示是羅丹明B在不同溫度下的激發(fā)-發(fā)射光譜?？梢钥闯?，隨著溫度增加，熒光受到抑制，強度顯著降低。用波長532nm、脈沖能量100mJ、片光厚度0.5mm的綠光作為激發(fā)光，將濃度為47.5×10-3ppm(47.5μg/L)熒光物質羅丹明B加熱到80℃，置于50mm×50mm×200mm的方形有機玻璃容器內進行冷卻，獲得熒光強度隨溫度的變化，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，羅丹明B的熒光強度隨溫度呈線性變化。

圖4 不同溫度條件下羅丹明B的激發(fā)-發(fā)射光譜[3]Fig.4 The excitation-emission spectrums of rhodamine B under different temperature conditions

圖5 羅丹明B的熒光強度隨溫度線性變化[3]Fig.5 Linear change of rhodamine B fluorescence intensity with temperature

設參數H=H(T)=-k1T+k2，保持實驗過程中液池熒光物質的濃度C不變，則式(4)變成

式中：T為溫度；k1、k2為常數；C為濃度；y為激光通過的液池厚度。

在濃度不變的條件下，式(5)反映了液池中任一點的熒光強度F與溫度和路徑的關系，利用該公式可以獲得溫度場，這就是LIF技術測量溫度場的原理。

1.3PLIF技術測量速度場

PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence)技術主要用于測量標量場，包括濃度場、溫度場等，但標量場測量與速度場測量結合起來時，可以獲得流動的更完整信息和計算標量通量。過去，很多學者將PLIF技術與粒子圖像測速儀(Particle Image Velocimetry，PIV)、激光多普勒測速儀(Laser-Droppler Velocimetry，LDV)、粒子追蹤測速儀(Particle Tracking Velocimetry，PTV)、分子標記測速儀(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)結合起來，同時獲得標量場與速度場。

矢量場(流場)和標量場(溫度場與濃度場)的同步測量，目前采用最多的是PLIF結合PIV的測量技術。PIV技術是目前應用較多的流體速度場測量技術之一，其基本原理是將示蹤粒子加入流場中，在脈沖激光片光源的照射下示蹤粒子反射激光，用兩次曝光法記錄同一示蹤粒子在特定時間間隔內的運動軌跡，利用PIV軟件處理獲得流速場信息。相對于PLIF技術而言，PIV技術測量速度場已經比較成熟，成為丹麥Dantec公司、美國TSI公司和德國LaVision公司的主要產品。為了同步測量流場與標量場，將PIV與PLIF技術結合起來，PLIF技術成為PIV設備的附屬升級產品。PLIF結合PIV的測量方法也存在一定缺陷。首先，PIV系統(tǒng)主要采用Nd：YAG脈沖激光器輸出的532nm綠光，國際上大部分PIV定型產品均首選此光源。然而，由于脈沖激光器及其激光波長532nm的選定，熒光物質通常選擇羅丹明B或羅丹明6G，這就限制了PLIF技術的發(fā)展和應用。另一方面，PIV系統(tǒng)使用的片光通常是通過半圓柱透鏡的辦法獲得扇形片光源，在PIV系統(tǒng)基礎上附加的PLIF系統(tǒng)主要是一套處理軟件。由于存在激光片光不均勻等問題，PIV系統(tǒng)附加的PLIF技術多用于流動顯示，如果進行濃度場(溫度場)定量測量，校正十分麻煩和困難，因此精度和應用范圍有限。也有很多學者選擇利用PIV系統(tǒng)的Nd：YAG脈沖激光器來測量速度場，同時用氬(Ar+)離子激光器來測量濃度場。顯然，這是由于PIV和PLIF不能很好融合成一體化設備，通過這種“混搭”的辦法實現(xiàn)濃度場和速度場的同步測量。

1.4發(fā)展歷程(從LIF到3DLIF)

LIF技術應用于流體測量始于20世紀70年代，伴隨著計算機技術、激光技術、數字圖像處理技術等方面的進步，經歷了從定性到定量，從一維(LIF)、二維(PLIF)到三維(3DLIF，Three Dimensional Laser-Induced Fluorescence)測量的發(fā)展歷程，如圖6所示。

1970年代到1980年代，LIF技術主要發(fā)展了一維測量，關鍵技術是圖像采集、處理和光束沿光程衰減校正。

1980年代開始，LIF技術主要發(fā)展了二維測量，即PLIF技術。在PLIF技術基礎上，部分學者開展了三維測量的研究工作，對獲得的圖像進行了校正。在中國，申功炘[4]和黃真理[5-6]等人最早開展了PLIF技術空間流動顯示及測量水體中射流濃度場的研究。PLIF技術在二維測量中的主要難題是激光片光源高斯分布的不均勻性和沿光程衰減對測量范圍和精度的影響，給后期校正帶來麻煩和降低測量精度。

1980年代中期以后，Prasad和Sreenivasan[7]，Dahm等人[8]，Deusch和Dracos[9]，X.D.Tian等人[10]，E.Van Vliet等人[11]，Delo等人[12]，P.Sarathi等人[13]在PLIF技術基礎上發(fā)展3DLIF技術，能夠實現(xiàn)三維測量。

目前，世界上只有丹麥Dantec Dynamics公司、美國TSI公司和德國LaVision公司提供PLIF技術測量水體或氣體的濃度場和溫度場的設備。這3家公司是國際上著名的、專業(yè)從事流動測量儀器研發(fā)的公司，主要研發(fā)PIV系統(tǒng)，為科研單位的實驗室提供流體速度場的測量設備，是國內外PIV系統(tǒng)的主要供應商，PLIF是PIV基礎上的附帶產品。因此，目前國際上只有PLIF測量設備，沒有3DLIF的定型產品。

圖6 激光誘導熒光測量流體技術的發(fā)展過程Fig.6 The development process of LIF techniques

激光誘導熒光(LIF)技術測量設備的發(fā)展趨勢，可以從2個方面歸納：

(1) 三維定量測量(3DLIF技術)的工程化和產業(yè)化

3DLIF技術尚處于實驗室研發(fā)階段，三維測量的工程化和產業(yè)化關鍵是：如何利用激光片光源對測量空間進行掃描，如何同步獲取二維清晰濃度場信息和片光源移動空間位置信息，如何快速標定和校正圖像，重建三維濃度場，形成工程化產品。3DLIF技術三維定量測量系統(tǒng)的工程化和產業(yè)化，是激光誘導熒光技術高端流體測量設備未來的發(fā)展方向。

(2) 利用3DLIF技術直接測量速度場

PLIF技術主要用于測量標量場，包括濃度場、溫度場等，但標量場測量與速度場測量結合起來時，可以獲得流動的更完整信息和計算標量通量。

通過PLIF技術獲取濃度場的三維時空分布，進而利用對流擴散方程反演速度場[14]。今后，PLIF技術最終可能脫離PIV技術，獨自完成流場、溫度場、濃度場、壓力場、密度場的測量。利用3DLIF技術直接測量速度場，也是3DLIF技術的重要發(fā)展方向。

2 關鍵問題

LIF技術測量水體標量場，需要選擇恰當的激光片光源技術。根據溫度場或濃度場測量需求，選擇合適的、相互匹配的激光波長和熒光物質。為了把圖像信號轉換成測量信息，需要進行標定和校正。下文將分別介紹LIF技術測量水體標量場時會碰到的關鍵技術的研究進展。

2.1激光器和片光源

2.1.1激光器類型

激光器是LIF技術的重要設備，是激光誘導熒光的激發(fā)光源。激光器的選擇主要根據測量參量確定，激光輸出波長需要與測量所用熒光染料的激發(fā)光譜相匹配。

國內外LIF技術測量水體標量場研究中，目前采用的都是激光器生產廠商的定型產品，沒有針對LIF技術的專用激光器。主要有2種激光器：第1種是連續(xù)波(CW，Continuous Wave)氬離子(Ar+)激光器，輸出主要波長是488nm和514.5nm，與488nm匹配測量濃度場的熒光物質一般選擇熒光素鈉。第2種是Nd：YAG脈沖固體激光器，波長是532nm綠光，匹配的熒光物質一般選擇羅丹明B(溫度場)和羅丹明6G(濃度場)。當然，針對不同的測量參數，通過選擇適當波長的激光器及其相應的熒光物質，可以滿足火焰OH濃度、氣體紊動、壓力場、密度場等不同測量參數的需求，這也是PLIF技術具有廣泛應用前景之處。

美國科羅拉多大學土木與環(huán)境工程系J.P.Crimaldi[15]綜述了水體中PLIF技術測量濃度場研究工作，認為在流體力學的文獻中，四分之三的PLIF試驗采用氬離子(Ar+)激光器作為激發(fā)光源，熒光素鈉是最常用的熒光物質。氬離子(Ar+)激光器TEM00模式下光強為高斯分布，優(yōu)點是光束質量好、連續(xù)輸出便于流動顯示、輸出功率穩(wěn)定便于簡化校正。Nd：YAG脈沖固體激光器輸出的激光為脈沖式，優(yōu)點是功率大，缺點是光束質量稍差，輸出功率和光強分布容易隨脈沖改變(不穩(wěn)定)。

從流動顯示和激光器功率穩(wěn)定性的角度來看，激光器應該選擇連續(xù)而非脈沖激光器，這樣流動顯示更為方便和直觀。激光器波長包括藍光和綠光，用于測量濃度場和溫度場。其中，典型的搭配方案為：藍光與熒光素鈉搭配測量濃度場，綠光與羅丹明6G搭配測量濃度場，綠光與羅丹明B搭配測量溫度場。

作為3DLIF技術的激發(fā)光源，現(xiàn)有的激光器定型產品都存在某些缺陷和不足。3DLIF技術對激光器有特殊要求，如均勻性好的片光源、穩(wěn)定的光強輸出、激光方向性比較好，與PIV技術對激光器的要求不同。

2.1.2基于傳統(tǒng)激光器的片光源

傳統(tǒng)激光器輸出的激光大都是直徑為毫米量級的圓形光束，通過半圓柱透鏡，使高斯分布的激光束擴展成扇形片光源，如圖7(a)所示，這便是傳統(tǒng)的片光源系統(tǒng)。扇形片光源橫向光強分布仍然為高斯分布，光強沿光程衰減(縱向分布不均勻)。

利用傳統(tǒng)激光器輸出的圓形光束獲得片光源，振鏡(掃描鏡)也是科研中采用的一種方法。把光束照射到振鏡上，通過振鏡高頻轉動，形成橫向光密度分布均勻，但沿光程衰減的扇形片光源，如圖7(b)所示。

圖7 扇形片光源系統(tǒng)示意圖[10]Fig.7 Schematic of fan-type laser-sheet

在片光技術方面，為解決片光源移動的便攜性問題，D.J.Koga等人[16]針對氬離子激光器，利用光導纖維傳輸激光，在光纖末端設計一套便攜式的光學鏡片組合，對光纖輸出的激光進行“整形”和“準直”，最后通過柱面鏡獲得扇形片光源。另一方面，為了解決片光扇形分布帶來的沿程光密度衰減和測量校正的問題，唐靜等[17]研發(fā)了寬度為4.4cm的新型激光片光源系統(tǒng)，用于水下尾流氣泡幕圖像探測。美國TSI公司為PLIF技術研發(fā)了10cm寬度的矩形片光源，用于火焰燃燒測量。

矩形均勻片光源是理想的片光源，利用這樣的片光源系統(tǒng)開展PLIF或3DLIF技術測量，后期校正簡單、方便。從工程應用的角度來看，片光源寬度越大，越有利于應用。但是，大尺寸的片光源，通常需要經過擴束、準直等一系列光學整形，激光的勻化技術也比較復雜，因此，矩形均勻片光源的寬度選擇，需要綜合平衡考慮需求、技術和成本等因素。

2.1.3片光源三維掃描方式

如何讓片光源掃描，獲得多幅二維濃度場，并通過簡單方便的三維重建技術獲得三維濃度場，這是一個一直沒有很好解決、影響設備產業(yè)化的問題。

如圖8所示，X.D.Tian等[10]報道，國際上解決三維濃度場測量的片光源掃描系統(tǒng)有3種方式：(1) 振鏡；(2) 旋轉鼓；(3) 旋轉掃描器。這些片光源掃描解決方案，有這樣幾個特點：(1) 振鏡方案簡單、快速，容易實現(xiàn)，是采用最多的技術。旋轉鼓和旋轉掃描器方案，獲得的是平行片光，此為優(yōu)勢；但三維截面是固定的，截面數量有限，此為劣勢。(2) 3種方案均為科研實驗探索，未能進入設備生產和產業(yè)化階段。(3)沒有進行片光的均勻化整形。因此，在測量范圍較小時才能保證精度，同時增加了后期校正的難度。(4) 振鏡方案，扇形掃描的片光源之間不平行，帶來水槽對片光的反射不同，對測量精度和校正影響較大。因此，使片光源盡可能平行掃描測量區(qū)域，對測量精度和后期三維重建是必要的。

圖8 3種片光源掃描系統(tǒng)[15]Fig.8 Three light-scanning systems

圖9所示為X.D.Tian等采用3DLIF技術測量三維濃度場示意圖，用2個相互垂直的快速振鏡來完成三維空間掃描，在水槽前用一個250mm直徑的凸透鏡來準直。E.Van Vliet等[11]采用類似圖8(a)振鏡加圓柱透鏡的方案，利用凸透鏡對片光進行準直獲得170mm(光強1/e寬度)高斯分布的片光。由于測量寬度為25mm，因此認為高斯分布片光在測量區(qū)域是均勻的。也就是說，用大尺寸高斯分布片光源測量小尺寸區(qū)域流動，忽略片光高斯分布的影響。這種測量裝置可用于科研，不宜產業(yè)化，因為這種分離式的測量裝置調試很困難，也不具備便捷性、安全性和可維修性。

圖9 雙振鏡3DLIF測量示意[10]Fig.9 Schematic of 3DLIF measurement with double vibrating mirrors

2.2熒光物質

2.2.1常用熒光物質

LIF技術中，作為示蹤劑的熒光物質選擇需要綜合考慮多種因素：

(1) 根據激光波長來選擇，相互匹配。不同的熒光物質有不同的激發(fā)波長，應盡量使激發(fā)光譜的峰值與激光波長接近。同時，激發(fā)譜和發(fā)射譜重疊較少，使截止濾光片對熒光光強的阻隔影響小。

(2) 可溶于水(試驗中一般使用普通自來水運行)且其水溶液呈無色或淺色，不影響熒光的透過。

(3) 具有適中的量子產率和吸光系數。量子產率高，熒光強，這對測量有利。而吸光系數太大，使光線穿過的光程太短，從而限制了測量范圍。

(4) 對外界自然條件如溫度的敏感性要小。否則，試驗現(xiàn)場溫度的變化使試驗結果容易失去可比性。如果測量溫度場，則需選擇對溫度敏感的物質，而對其他因素的敏感性要差。

(5) 對人體無害，如無致癌作用。

根據已有文獻和我們的經驗，在水體測量中，可用藍光與熒光素鈉相匹配來測量濃度場，綠光與羅丹明B相匹配來測量溫度場。如何選擇藍光和綠光的波長？換句話說，激光器的波長如何與熒光物質匹配？這取決于所選熒光物質的激發(fā)和發(fā)射光譜。下面從熒光素鈉、羅丹明6G和羅丹明B的光譜特點出發(fā)，分析這3種常見的熒光物質所適用的激發(fā)光波長范圍。

熒光素鈉：常用于測量濃度場，分子式C20H10O5Na2，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖1所示。熒光素鈉的優(yōu)點是：量子產率高，對pH值敏感而且熒光波長隨pH值變化，無毒或低毒。文獻[18]介紹，熒光素鈉對溫度的敏感度受激發(fā)波長的影響很大，在488nm激發(fā)狀態(tài)下，溫度變化-0.2%/℃，在 514.5nm激發(fā)狀態(tài)下，溫度變化+2.5%/℃。

羅丹明6G：常用于測量濃度場，分子式C28H31N2O3Cl，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖10(a)所示。羅丹明6G的優(yōu)點是：量子產率很高，對溫度不敏感，也不受pH值的影響。缺點是有毒性。

羅丹明B：常用于測量溫度場，分子式C28H31ClN2O3，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖10(b)所示。羅丹明B的優(yōu)點是：量子產率高，易溶于水，化學穩(wěn)定性好，對溫度和pH值敏感。羅丹明B接觸皮膚或眼睛具有毒性。

根據3種常見熒光物質在水體中的激發(fā)譜，可以發(fā)現(xiàn)，熒光素鈉在藍光波長460～500nm之間時量子產率相對較高，489nm是激發(fā)譜峰值(量子產率最高)。小于460nm或大于500nm，常溫下量子產率較低，熒光信號弱，不便于測量。因此，與熒光素鈉相匹配的激光波長最好在藍光460～500nm之間。同樣，羅丹明6G適宜的激光波長在500～550nm之間。羅丹明B適宜的波長在525～575nm之間。這樣，熒光量子產率相對較高，測量效果和精度易于保證。

圖10 羅丹明6G和羅丹明B的激發(fā)-發(fā)射光譜Fig.10 Excitation-emission spectrums of Rh6G and RhB

綜上所述，選擇上述3種常見的熒光物質(熒光素鈉、羅丹明6G和羅丹明B)測量濃度場和溫度場，研發(fā)專用激光器適宜激光波長范圍如表1所示。

表1 3種常見熒光物質的適宜激發(fā)波長Table 1 Matched excitation wavelengths of three common fluorescent materials

2.2.2新型熒光物質的篩選

目前使用的3種主要熒光物質中，羅丹明B和羅丹明6G都具有一定的毒性，長期接觸對人體健康不利。由于分子探針等熒光標記技術的發(fā)展，新型合成熒光物質大量涌現(xiàn)，篩選更好的熒光物質是PLIF技術定量測量濃度場(溫度場)的基礎工作。

Karasso和Mungal[1]研究了一種濃度場測量用的新型熒光示蹤劑——5(6)-羧基-2′，7′-二氯熒光素(不溶于水，溶于甲醇)，英文名：5(6)-Carboxy-2′，7′-dichlorofluorescein(分子式：C21H10Cl2O7，分子量：445)，對比研究了Nd:YAG/熒光素鈉、Nd:YAG/二氯熒光素、銅蒸汽激光器/熒光素鈉3種組合測量濃度場的適應性。研究表明：熒光素鈉與氬離子激光器或銅蒸汽激光器組合適用于濃度場測量，與脈沖的Nd:YAG激光器組合不適合濃度場測量，因為發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象導致熒光光強和濃度之間呈現(xiàn)非線性。

J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同熒光染料組合測量pH值和溫度場的比值技術(Ratiometric Technique)——雙激發(fā)激光誘導熒光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)，研究了9種水溶性熒光染料的光譜特性和不同熒光染料組合測量pH值和濃度場的適應性。

根據文獻資料，已有10多種新型熒光物質用于PLIF技術測量濃度場和溫度場的實驗研究，如表2所示。這些熒光物質，與不同的激發(fā)波長和不同的溶劑組合在一起，或者2種不同發(fā)射波長和環(huán)境(pH值、溫度和濃度)敏感性的熒光物質組合在一起，實現(xiàn)二維或三維測量濃度場和溫度場的目標，拓寬了熒光物質選擇的思路。今后，需要在研發(fā)3DLIF技術時進一步開展新型熒光物質光譜特性和影響因素研究。

表2 新型熒光物質Table 2 New fluorescent materials

2.3校正方法

不同的片光源技術和測量方案，有不同的校正技術，目的是提高測量精度。利用PLIF技術獲得的二維圖像信息，由于片光源的光強不均勻和沿光程衰減的影響，往往需要對獲得的湍流圖像進行了校正，才能保證測量精度。廣泛應用的PLIF校正方法是：先在測量空間獲取背景圖像和均勻濃度的熒光圖像，然后再進行濃度測量，獲得測量圖像，利用下式獲得校正圖像：

黃真理[5]提出二維數字校正技術解決了片光源的光強高斯分布和沿程衰減問題。J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同熒光染料組合測量pH值和溫度場的比值技術——雙激發(fā)激光誘導熒光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)。Sakakibara and Adrian[25]，Hishida and Sakakibara[26]，Kim et al[27]提出雙色/雙染料技術(Two-color/Two-dye Techniques)提高測量精度。具體做法是：選擇2種熒光物質，羅丹明B和羅丹明110(Rhodamine 110)，一種(羅丹明B)對溫度很敏感，一種(羅丹明110)對溫度不敏感。2種熒光物質的光譜差別較大，可以通過光學儀器將發(fā)射譜分開，由2臺相機采集。這樣，校正圖像如下：

Lavieille et al，Matthias Bruchhausen et al，S.A.Kaiser和M.B.Long提出雙色/單染料技術(Two-color/Single-dye Technique)測量二維溫度場[28-29]，該方法與雙色/雙染料技術不同之處就是，熒光物質為羅丹明B一種，將羅丹明B的發(fā)射譜分成對溫度敏感性完全不同的2個光譜帶，短波長為“藍色”，長波長為“紅色”，形象稱為雙色。分光后分別由2臺相機收集，2個光譜帶圖像的比值為校正圖像。

在圖像處理過程中，片光光強校正是一個非常重要的步驟，包括片光由于熒光物質吸收沿光程的衰減、片光光強在橫向分布不均勻等，因此，根據需要對片光光強進行校正，以提高測量精度。

(1) 片光光強不均勻和沿程衰減校正

激光片光通過熒光液池時沿光程方向光強呈指數衰減。當使用矩形均勻片光時，如圖11所示，只需進行沿光程的衰減校正。如果使用傳統(tǒng)的扇形高斯分布的片光源，如圖12所示，進行二維數字校正[5]。

(2) 熒光效應影響因素校正

熒光物質的熒光效應受到很多環(huán)境因素的影響，包括熒光物質濃度、激光功率、溶液pH值和溫度等[30]。這些因素如果在測量過程中發(fā)生變化，對熒光光強會產生影響，需要根據實際影響的大小決定是否需要校正。

圖11 矩形均勻片光光強分布示意Fig.11 Rectangular uniform light-sheet intensity distribution

圖12 扇形高斯分布片光源Fig.12 The fan-type light-sheet with Gaussian intensity distribution

3 3DLIF測量儀器設備研制

PLIF技術，又稱平面激光誘導熒光技術，是通過采用激光片光源，能實時獲得二維分布信息的實驗方法。3DLIF技術，中文叫“三維激光誘導熒光技術”，是在PLIF技術基礎上發(fā)展起來的新型流體測量技術。移動激光片光源掃描測量空間，同步控制片光源掃描、相機和激光器運行，采集多截面二維信息和位置信息，通過標定和校正以及三維重建技術，獲得流動的三維結構和三維濃度(溫度)場。

目前，國內外尚沒有3DLIF測量系統(tǒng)的定型產品和設備。一方面是由于PLIF設備是在國外公司的成熟產品——PIV設備基礎上發(fā)展起來的，屬于PIV附加的功能，這一技術路線影響了3DLIF設備研發(fā)。另一方面，以喬治亞理工學院[10]為代表的研究團隊開發(fā)的3DLIF測量設備，由于片光源及其掃描技術的限制，這種分離式的測量裝置調試很困難，也不具備便捷性、安全性和可維修性，使3DLIF測量設備很難走向工程化和產業(yè)化。因此，研制水體3DLIF測量系統(tǒng)，需要在設計思想和技術路線上進行創(chuàng)新，在片光源及其掃描方式的關鍵技術上取得突破，才能形成便捷、安全和可維修的3DLIF測量儀器。

根據國內外的研究成果，從工程化和產業(yè)化的需求出發(fā)，我們開展了基于3DLIF技術的水體三維標量場測量設備研究，研發(fā)兼顧工程應用和基礎研究、滿足大尺度范圍、高頻脈動和非恒定流動測量需求的三維濃度場和溫度場測量設備。

3.1技術路線

圖13所示為基于新型激光片光技術三維濃度場(溫度場)測量項目設備的技術路線。要研制測量流體三維濃度(溫度)場設備，首先需要研制新型矩形均勻片狀光系統(tǒng)，激光波長為473nm(藍光)和532nm(綠光)，輸出功率分別在2W以上。

圖13 3DLIF技術測量三維濃度(溫度)場技術路線圖Fig.13 Roadmap of three dimensional scalar fields measurement by 3DLIF

有了矩形均勻片光源，利用矩形均勻片光源照射測量區(qū)域，可以獲得二維圖像。為了提高測量精度，采用校正測量裝置和校正測量軟件對二維圖像進行校正。通過標定和校正，獲得二維濃度(溫度)場。

為了完成三維測量，需要研制片光源掃描系統(tǒng)，以完成測量空間的三維掃描，與相機同步采樣相配合，獲得三維濃度(溫度)分布(包括時均和瞬時場)。

圖像采集裝置是指相機在計算機軟件系統(tǒng)的精確同步控制下采集和存儲測量區(qū)域的熒光圖像。因此，相機需要具有快速采集和存儲圖像的功能和較高的動態(tài)響應。考慮到非恒定流動和湍流高頻率脈動測量的需要，選擇高速相機及配套的圖像采集卡(相機速度越高，相應的成像技術難度越高)。同步控制主要針對片光源掃描平臺運動、高速相機快門和激光器運行，要求同步完成圖像采集信號控制、片光源位置信息、激光器相關參數獲取。

3.2總體技術方案

3DLIF技術類似于醫(yī)療上使用CT掃描技術，通過用激光片光對測量流動空間進行斷面掃描，得到多個截面的二維圖像信息，通過標定和校正以及三維重建技術，獲得精細三維濃度(溫度)場。3DLIF技術測量和顯示流體三維濃度(溫度)場系統(tǒng)，是一項集光機電為一體的復雜系統(tǒng)，分7個分系統(tǒng)進行研發(fā)，如圖14所示。

圖15為硬件系統(tǒng)示意圖，由7個分系統(tǒng)組成。

圖14 3DLIF標量場測量設備總體框架Fig.14 Overall framework of 3DLIF equipment

圖15 3DLIF標量場測量設備硬件系統(tǒng)示意圖Fig.15 Schematic of 3DLIF hardware system

(1) 激光器和片光源分系統(tǒng)，研制測量所需要的大尺寸矩形均勻片光源。激光器的激發(fā)波長考慮藍光473nm和綠光532nm。

(2) 掃描運動平臺分系統(tǒng)。用于搭載片光源掃描，搭載相機同步運動采集三維信息。

(3) 圖像采集存儲分系統(tǒng)。解決熒光信號采集和存儲問題。

(4) 同步控制分系統(tǒng)?？刂茠呙杵脚_運行、高速相機曝光和對焦、激光器運行。

(5) 計算機和圖像處理軟件分系統(tǒng)。是測量系器控制掃描平臺運行、高速相機曝光和對焦、激光器運行，采集、存儲信號，把采集到的圖像信息進行處理和校正，計算出斷面的瞬時和時均標量信息，并將多個斷面的標量信息轉換成三維標量場。

(6) 標定與校正分系統(tǒng)。設計快捷、方便、簡單的標定與校正裝置(校正盒)，以獲得濃度-灰度曲線，以及熒光光強在測量區(qū)域的分布，用于熒光信號校正和熒光信號與濃度(溫度)場的轉換。校正軟件對噪音、片光沿光程衰減、片光光強分布不均勻、激光功率變化、光學畸變等因素校正。

(7) 系統(tǒng)集成。將上述6個分系統(tǒng)各個模塊進行有機集成，形成一個安全、穩(wěn)定、方便、實用的示范樣機。

3.3儀器總體技術指標

儀器總體技術指標如表3所示。

表3 儀器總體技術指標Table 3 Overall technical indicators of 3DLIF equipment

3.43DLIF關鍵技術

3DLIF技術三維測量需要解決的問題是：如何利用激光片光源對測量空間進行掃描，如何同步獲取二維清晰濃度場信息和片光源移動空間位置信息，如何快速標定和校正圖像，重建三維標量場。3DLIF技術三維測量涉及的關鍵技術解決方案分述如下：

3.4.1總體設計與系統(tǒng)集成技術

3DLIF項目涉及激光光學、精密儀器、自動控制、圖像處理、水力學和流體力學等多學科的交叉。基于3DLIF技術研制流體三維標量場高端測量設備，在國內尚屬首次。

從PLIF技術發(fā)展到3DLIF技術用于三維濃度測量時，系統(tǒng)集成更加復雜，涉及眾多軟件與硬件分系統(tǒng)，比如激光器、片光源、掃描平臺、高速CMOS相機、高速存儲系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、二維圖像處理，三維重構、測量校正裝置、測量校正軟件等。如何將各分系統(tǒng)高效集成，使之成為有機整體，并且形成產業(yè)化，是研發(fā)測量設備的關鍵。

3.4.2大尺寸矩形均勻片光源技術

作為激發(fā)光的矩形均勻片光源，直接關系到熒光光強轉化為測量物理量(溫度、濃度等)的精度。片光源通常包括激光器和光學整形系統(tǒng)。

目前，PLIF技術或3DLIF技術主要有2類激光器：一是脈沖激光器，比如Nd：YAG激光器；二是連續(xù)光激光器，比如Ar+激光器。Ar+激光器主波長為488nm和514.5nm，光束質量好，可連續(xù)輸出，在TEM00模式下，輸出光強滿足高斯分布，輸出功率穩(wěn)定。Nd：YAG激光器輸出脈沖光，功率大，但光束質量稍差，輸出光強與功率變化較大。從流動顯示的直觀性角度來看，應該采用連續(xù)激光器。

現(xiàn)有的激光器定型產品，通常產生點狀光束，簡單利用柱面鏡擴展為扇形片光源。目前采用的片光源形狀大部分為扇形。從光強分布的均勻性來看，扇形片光源光強的橫向分布(垂直于光程方向)為不均勻的高斯分布，光密度沿光程衰減。因此，由于激光器功率、光強分布的不均勻和沿程衰減等因素的影響，扇形片光源的測量范圍常常受限，給后期校正帶來很多困難。為了解決片光不均勻(高斯分布)對測量精度的影響，美國TSI公司研制了寬度為10cm的矩形均勻片光系統(tǒng)，該片光系統(tǒng)基本能滿足火焰燃燒等小尺度問題，但對于水力學或流體力學中1m左右寬度的水槽實驗流動環(huán)境來說，10cm寬度的片光源遠不能滿足要求，沒有工程應用價值。因此，研發(fā)大尺度的均勻片光源是應用 3DLIF技術進行三維測量的關鍵技術之一，對測量精度、便捷性和工程應用都有十分重要的價值。

片光源需要通過搭載平臺實現(xiàn)對測量區(qū)域的掃描。從激光器的體積、重量、冷卻方式考慮，要獲得3DLIF技術所用片光源，固體激光器有顯著的優(yōu)勢。因此，推薦將研發(fā)的重點放在473nm和532nm的固體激光器上，采用半導體端面泵浦Nd:YVO4腔內倍頻激光技術實現(xiàn)片狀的532 nm綠光和473nm藍光的輸出。通過合色棱鏡使藍綠2束激光在空間上完全重合，實現(xiàn)雙波長的共光路輸出；而后通過擴束準直系統(tǒng)分別實現(xiàn)激光光束子午和弧矢方向的不等比例擴束，最終形成均勻性>90%，在測量范圍內光斑尺寸為500mm×2.0mm的片狀激光光束。矩形均勻片光系統(tǒng)結構如圖16所示。

新型激光片光技術的關鍵技術如下：

(1) 基于陣列化結構的片狀光激光光源

不同于單點激光輸出后采用復雜的擴展整形方式，采用多點半導體激光bar泵浦的陣列化的扁平式固體激光器結構，能夠直接實現(xiàn)片狀激光的輸出，從而大幅降低激光光束準直整形難度。

(2) 片狀光泵浦勻化技術

點狀陣列激光光束輸出后再進行整形勻化將增加光束的光學擴展量，增加系統(tǒng)復雜度，從而降低激光光束的準直性。因此，在激光器中加入光波導正對半導體激光bar的輸出光束整形，實現(xiàn)將離散的泵浦光束勻化為片狀勻化光束，從而能夠直接得到勻化的片狀輸出光束，大幅簡化勻化整形結構，并由于不增加擴展量從而提高了光束準直度。

(3) 高效率小型化的片狀473nm藍光激光器

473nm藍光激光器的基頻光946nm激發(fā)屬準三能級結構，下能級布局一定的粒子數，因此存在較嚴重的重吸收問題。重吸收主要由泵浦功率、基態(tài)粒子數和晶體溫度決定，因此，在激光器的YAG晶體采用Nd離子中部摻雜的波導結構，通過泵浦光束在波導內的多次反射提高晶體內部的泵浦功率密度，而且波導結構能夠更易控制晶體溫度，從而提高基頻光的轉化效率，實現(xiàn)小型化、高功率的473nm藍光輸出。

圖16 激光片光系統(tǒng)和關鍵部件Fig.16 Laser-sheet system and its key parts

(4) 高精度擴束準直系統(tǒng)

在本方案準直系統(tǒng)中，大口徑準直光束的均勻性和片光源厚度方向的準直度是主要設計難點，在本方案中通過光學設計將激光腰斑位于測量應用范圍之間兼顧前后兩端的片光厚度，從而降低了對光束準直度的要求；在優(yōu)化光束均勻性的過程中，把鏡頭的殘余畸變優(yōu)化成桶形畸變，可有效消除鏡頭邊緣光線的不均勻性，保證照度均勻性大于90%。

3.4.3片光源掃描技術

片光源掃描可分為有垂向和橫向掃描。對不同的實驗室環(huán)境條件和不同流動形態(tài)，有的適宜垂向掃描，有的適宜橫向掃描。片光源掃描平臺提供連續(xù)勻速運動和間歇式運動2種運動模式。連續(xù)勻速運動是指片光源以均勻速度掃描，相機同步記錄拍攝，計算機記錄下每幀圖像的空間坐標位置。間歇運動方式是指片光源在控制時間內，對掃描空間取若干固定斷面進行掃描，獲得固定截面的熒光圖像和坐標位置。

如何設計一個運動裝置，帶動矩形均勻片光源完成對測量空間的掃描？為此，我們設計了2個可行技術方案。一是掃描運動平臺方案，如圖17(a)所示；二是平行反射鏡掃描方案，如圖17(b)所示。

圖17 片光源掃描系統(tǒng)設計方案示意圖Fig.17 Schematic of laser-sheet scanningsystem design

(1) 掃描運動平臺。是為片光源提供安裝及掃描運動機構，為圖像采集系統(tǒng)提供安裝和移動機構，保證2套平臺同步運動，能夠實現(xiàn)2套運動平臺之間的位置關系調節(jié)，實現(xiàn)空間運動方向一致，能夠調節(jié)運動平臺與水槽之間的位置關系，以測量相應的位置。設計電控柜，用于放置圖像存儲系統(tǒng)、同步控制箱、電源和計算機等。

掃描運動平臺組成：片光源運動機構、相機運動機構、位置調節(jié)裝置、平行性調節(jié)與測量裝置、機柜。機柜用于安裝計算機、圖像存儲單元、控制箱、電源及相關附件等，操作者可以實時進行控制和操作。

3DLIF項目采用片光源掃描運動機構與相機運動機構同步運動方案，可避免物距變化或者快速調焦對圖像清晰度的影響，解決了相機對焦和視場統(tǒng)一的問題。因此，在總體設計中，將片光源掃描運動機構與相機運動機構進行一體化設計，集成在一個“移動平臺集成箱”中。

(2)平行反射鏡掃描儀。是利用一組平行反射鏡同步轉動來完成片光對測量空間的三維掃描。圖17(b)所示是一組相互平行的反射鏡組合，O1、O2分別為反射鏡1和2的轉動軸心。入射光的入射點O1固定不變。當反射鏡1和2與水平面成45°角，光線從右入射通過O2反射到達反射鏡2的軸心O2，反射后水平入射加入水槽。當反射鏡組合順時針同步轉動，獲得平行、連續(xù)的掃描片光，使片光從上到下平行移動，對水槽進行掃描。把O1O2反射鏡組合稱為平行反射鏡掃描儀，采用聯(lián)動機構連接，保證2個反射鏡的平行和旋轉的同步。

平行反射鏡掃描儀是利用一組平行反射鏡同步轉動來完成垂直方向的三維掃描。與掃描運動平臺方案相比，平行反射鏡掃描儀方案具有造價低、結構組成和同步控制簡單的特點，但是也存在片光移動速度和反射鏡角速度之間非線性的問題，需要對伺服電機運動進行非線性控制。

3.4.4圖像同步高速采集與存儲技術

基于3DLIF技術的三維標量場測量，需要利用片光源掃描測量空間，把時間序列的平面信息融合成三維立體信息，相關的圖像高速同步采集與存儲涉及2個關鍵問題：一是同步問題；二是高速掃描帶來的穩(wěn)定性和成像質量問題。圖像同步采集與存儲涉及到片光源機械運動與圖像采集的同步控制。圖像高速采集與存儲主要是為解決流動的非恒定性(隨時間變化)和湍流脈動機理研究提出的要求。目前已有高速相機可滿足高速采集、傳輸和存儲的要求。此外，片光源在高速掃描時，對掃描平臺的穩(wěn)定性(尤其是初始加速段與末端減速段)、精度、壽命提出了很高要求。三維濃度(溫度)場測量，數據量特別大，對數據的讀寫速度要求很高，基于固化硬盤與機械硬盤的綜合存儲模式是一種可行性較高的解決方案。關鍵技術如下：

(1) 同步控制技術

3DLIF項目的同步控制，主要針對掃描運動平臺、相機和激光器。實現(xiàn)掃描平臺與照相平臺的準確同步運行，是實現(xiàn)掃描位置與圖像精確匹配的關鍵。同時，同步控制器還要監(jiān)控激光器的運行狀態(tài)，擬采用DSP28335設計同步控制器。DSP28335內部集成了振蕩器OSC和基于鎖相環(huán)PLL的時鐘模塊，外部晶振提供的時鐘信號經過預先設置過的倍頻和分頻系數等時鐘管理模塊處理后才提供給DSP系統(tǒng)，既保證了系統(tǒng)時鐘的可靠性，又具有了實時配置外設時鐘的靈活性。DSP28335內部具有3個32位的CPU定時器以及4個通用定時器，資源非常豐富， CPU最高工作時鐘150MHz，時鐘最大分辨率可達10-8s。利用其定時器對GPIO特定管腳進行信號的周期翻轉，即可實現(xiàn)同步時鐘的準確輸出。

(2) 高速、高清晰圖像采集系統(tǒng)

系統(tǒng)須滿足在平臺快速運動過程中完成圖像采集，同時保持足夠的圖像清晰度，避免水面波動和快速運動對圖像采集的影響，這對片光源設計、平臺運動模式和圖像采集帶來了很大挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)采用光源從水槽底部垂直向上照射，相機從側面獲取圖像的方式，避免了水表面波紋對圖像質量的影響，采用防抖高速相機(幀頻大、曝光時間短)，避免了運動過程中的抖動影響圖像的清晰度。同時采用片光源掃描運動機構與相機運動機構同步運動，可避免物距變化或者快速調焦對圖像清晰度的影響，解決了相機對焦和視場統(tǒng)一的問題。

(3) 高速、大容量存儲系統(tǒng)

針對系統(tǒng)單次1小時不間斷測量的特定要求和長期保存原始數據的應用需求，采用快速固態(tài)硬盤與大容量機械硬盤組合的存儲方式，開發(fā)專用調度軟件，實現(xiàn)高速大容量圖像存儲。

3.4.5標定和校正以及三維重構技術

對于定量的科學與工程研究而言，不僅需要直觀地展示濃度(溫度)的演化過程，而且需要知道濃度(溫度)在時間和空間上的準確分布。PLIF技術屬于二維測量，通過標定和校正獲得的是二維濃度(溫度)場。3DLIF技術測量三維濃度(溫度)場，需要把片光源掃描獲得的多個截面二維濃度(溫度)場通過三維重構來實現(xiàn)，直觀展現(xiàn)流體的三維結構。濃度(溫度)場標定的難點在于如何快速、準確地將CCD/CMOS相機所采集的熒光光強轉換成濃度值。校正的難點涉及激光片光源不均勻性、熒光沿光程衰減、相機和試驗環(huán)境可變性等問題。濃度(溫度)場三維重構的難點在于坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一、采集圖像與空間位置的精確匹配以及圖像清晰度等方面。

(1) 濃度(溫度)場標定和校正技術

激光誘導熒光技術是通過測量熒光光強(灰度)來實現(xiàn)濃度(溫度)場的測量。因此，需要通過標定曲線來建立熒光光強(灰度)與測量物理量(濃度、溫度)之間的關系。

通常需要在每次測量之前先進行標定。但是由于熒光效應的影響因素很多，給開展標定工作帶來困難，特別是作為產業(yè)化的儀器設備，需要滿足實際應用中快速簡便的要求。因此，擬對影響熒光物質熒光效應的各種因素進行全面的實驗和測試，給出標定參數的數據庫，指導儀器使用者實現(xiàn)快速、簡便標定的目的。

另一方面，由于激光沿光程衰減、片光源不均勻性、相機和試驗環(huán)境可變性等問題，往往需要對采集的圖像進行校正，消除試驗過程中和數據采集過程中的誤差，以便提高測量精度。因此，為了方便校正，需要對影響測量精度的各種因素進行全面實驗和測試，給出校正參數的數據庫，供儀器使用者參考。

(2) 標定和校正的智能識別技術

要保證測量的精度，需要在每次測量前進行標定和校正。為了使標定和校正更加便捷，本項目專門研發(fā)標定和校正裝置，通過智能識別技術，實現(xiàn)圖像采集和分析系統(tǒng)對標定和校正裝置的自動識別、判讀、信息提取和分析，獲得標定和校正的所需參數。因此，需要將人工智能識別與標定(校正)裝置的設計制造結合起來，形成一套標定和校正的智能識別技術。

(3) 計算機圖像處理和三維重建技術

本項目采用的計算機，一臺作為上位機，一臺用于同步控制以及圖像的采集、傳輸和存儲。上位機包括圖像處理和三維重建2個功能，完成圖像預處理、標定、校正和三維濃度(溫度)場重建等工作。

圖像處理主要根據標定和校正分系統(tǒng)提供的灰度-濃度計算公式實現(xiàn)圖像灰度到濃度的轉換，將圖像中的像素點坐標轉換為空間三維坐標。

濃度(溫度)場的三維重構通過插值算法對原始數據場進行插值，然后通過構網算法實現(xiàn)數據場點云的網格化，網格化后的數據通過計算每個數據點的顏色值，并根據著色模式的設置進行空間體(或空間面)的著色，最后實現(xiàn)濃度(溫度)場的重構。關鍵技術在于優(yōu)化算法，實現(xiàn)測量過程中的實時重構技術。

三維數據重構支持2種重構模式：面重構和體重構。面重構是指單獨對計算機和圖像處理軟件系統(tǒng)輸出的各個平面上的數據進行單獨重構，如圖18(a)所示。體重構是指由多個平面上的數據組合成一個數據場后，通過體重構的方式進行重構表現(xiàn)，如圖18(b)所示。

圖18 三維重構示意圖Fig.18 Schematic of 3D reconstruction

4 結 語

LIF技術應用于流動測量始于20世紀70年代，伴隨著計算機技術、激光技術、數字圖像處理技術等方面的進步，經歷了從定性到定量，從一維(LIF)、二維(PLIF)到三維(3DLIF)測量的發(fā)展歷程,在環(huán)境水力學和湍流基礎研究等方面得到了廣泛利用。

本文介紹了LIF技術應用于水體濃度場、溫度場和速度場測量的基本原理，綜述了激光誘導熒光(LIF)技術測量水體場的關鍵技術，包括激光器和片光源技術、熒光物質選擇和校正技術。從工程化和產業(yè)化的需求出發(fā)，提出了基于3DLIF技術的水體三維標量場測量儀器的總體技術方案、技術路線和總體技術指標，并給出了3DLIF項目的關鍵技術及其解決方案。

[1]Karasso P S,Mungal M G.PLIF measurements in aqueous flows using the Nd:YAG laser[J].Experiments in Fluids,1997,23(5):382-387.

[2]陳國珍.熒光分析法[M].北京:科學出版社,1990.Chen G Z.Fluorescence analysis[M].Beijing:Science Press,1990.

[3]杜閏萍,劉喆,程易,等.平面激光誘導熒光技術用于快速液-液混合過程溫度場測量[J].過程工程學報,2007,7(5):859-864.Du R P,Liu Z,Cheng Y,et al.Planar laser induced fluorescence technique for rapid liquid-liquid mixing process temperature field measurement[J].Journal of Process Engineering,2007,7(5):859-864.

[4]申功炘,晉健.LIF噴流混合流濃度場定量測量[J].力學學報,1992,24(4):488-492.Shen G X,Jin J.LIF jet mixing flow concentration field quantitative measurement[J].Journal of Mechanics,1992,24(4):488-492.

[5]黃真理,李玉梁,余常昭.PLIF技術測量濃度場及其二維數字校正[J].力學學報,1994,26(5):616-624.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z.PLIF technique to measure the concentration field and the two-dimensional digital correction[J].Journal of Mechanics,1994,26(5):616-624.

[6]黃真理,李玉梁,余常昭.平面激光誘導熒光技術測量橫流中射流濃度場的研究[J].水利學報,1994,(11):1-7.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z.Planar laser induced fluorescence technique measure transverse jet concentration field in the study[J].Journal of Hydraulic Engineering,1994,(11):1-7.

[7]Prasad R R,Sreenivasan K R.Quantitative three-dimensional imaging and the structure of passive scalar fields in fully turbulent flows[J].J Fluid Mech,1990,216:1-34.

[8]Dahm W J A,Southerland K B,Buch K A.Direct,high resolution,four-dimensional measurements of the fine scale structure of Sc?1 molecular mixing in turbulent flows[J].Physics of Fluids A,1991,3(5):1115-1127.

[9]Deusch S,Dracos T.Time resolved 3D passive scalarconcentration-field imaging by laser induced fluorescence(LIF)in moving liquids[J].Meas Sci Technol,2001,12(2):188-200.

[10]Tian X D,Roberts P J W.A 3D LIF system for turbulent buoyant jet flows[J].Experiments in Fluids,2003,35(6):636-647.

[11]Van Vliet E,Van Bergen S M,Derksen J J,et al.Time-resolved,3D,laser-induced fluorescence measurements of fine-structure passive scalar mixing in atubular reactor[J].Experiments in Fluids,2004,37(1):1-21.

[12]Delo C J,Kelso R M,Smits A J.Three-dimensional structure of a low-Reynolds-number turbulent boundary layer[J].J Fluid Mech,2004,512:47-83.

[13]Sarathi P.A calibration scheme for quantitative concentration measurements using simultaneous PIV and 3DLIF[J].Experiments in Fluids,2012,52:247-259.Doi:10.1007/s00348-011-1219-7.

[14]Dahm W J A,Su L K,Southerland K B.A scalar imaging velocimetry technique for fully resolved four-dimensional vector velocity field measurements in turbulent flows[J].Physics of Fluids A,1992,4(10):2191-2206.

[15]Crimaldi J P.Planar laser induced fluorescence in aqueous flows[J].Experiments in Fluids,2008,44:851-863.Doi:10.1007/s00348-008-0496-2.

[16]Koga D J,Abrahamson S D,Eaton J K.Development of a portable laser sheet[J].Experiments in Fluids,1987,5:215-216.

[17]唐靜,謝正茂,何俊華,等.用于尾流探測的新型片光源[J].光電子·激光,2012,23(2):408-412.Tang J,Xie Z M,He J H,et al.New light source to detect wake flow[J].Journal of Optoelectronics,Lasers,2012,23(2):408-412.

[18]唐洪武.現(xiàn)代流動測試技術及應用[M].北京:科學出版社,2009.Tang H W.Modern flow measurement technology and application[M].Beijing:Science Press,2009.

[19]夏國朝,陶慧林.羅丹明6G的三維熒光和共振散射光譜[J].光譜實驗室,2008,25(5):773-777.Xia G C,Tao H L.Three-dimensional fluorescence and resonance scattering spectral of rhodamine 6G[J].Journal of Spectroscopy Laboratory,2008,25(5):773-777.

[20]Sakakibara J,Hishida K,Maeda M.Measurements of thermally stratified pipe flow using image-processing techniques[J].Experiments in Fluids,1993,16:82-96.

[21]Arcoumanis C,McGuirk J J,Palma J M L.On the use of fluorescent dyes for concentration measurements in water flows[J].Experiments in Fluids,1990,10:177-180.

[22]Coppeta J,Rogers C.Dual emission laser induced fluorescence for direct planar scalar behavior measurements[J].Experiments in Fluids,1998,25:1-15.

[23]Cowen E A,Chang K A,Liao Q.A single-camera coupled PTV-LIF technique[J].Experiments in Fluids,2001,31:63-73.

[24]Nataliya P V,Rosaria P H,Janell B S,et al.Alexa dyes,a series of new fluorescent dyes that yield exceptionally bright,photostable conjugates[J].J Histochem Cytochem,1999,47(9):1179-1188.

[25]Sakakibara J,Adrian R.Whole field measurement of temperature in water using two-color laser-induced fluorescence[J].Experiments in Fluids,1999,26:7-15.

[26]Hishida K,Sakakibara J.Combined planar laser-induced fluorescence and particle image velocimetry technique for velocity and temperature fields[J].Experiments in Fluids,2000,29:S129-S140.

[27]Kim K S,Choi M S,Lee C H,et al.In-cylinder fuel distribution measurements using PLIF in a SI engine[C].SAE Special Publications,Detroit,MI,USA,1997.

[28]Matthias B,Fabrice G,Fabrice L.Instant aneous measurement of two-dimensional temperature distributions by means of two-color planar laser induced fluorescence (PLIF)[J].Experiments in Fluids,2005,38:123-131.Doi:10.1007/s00348-004-0911-2.

[29]Kaiser S A,Long M B.Quantitative planar laser-induced fluorescence of naphthalenes as fuel tracers[J].Proc of the Combustion Institute,2005,30:1555-1563.

[30]黃真理,李玉梁,余常昭,等.LIF技術測量濃度場的影響因素分析[J].實驗力學,1994,9(3):232-240.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z,et al.Factors influencing the concentration field of LIF technology measurement[J].Journal of Experimental Mechanics,1994,9(3):232-240.

黃真理(1966-)，男，貴州平壩人，博士，教授級高級工程師。研究方向：水力學與河流動力學(環(huán)境與生態(tài)水力學)、水利工程生態(tài)與環(huán)境保護。通信地址：北京市海淀區(qū)復興路甲1號A座1226(100038)。E-mail:zhlhuang@263.net

(編輯：張巧蕓)

Studyonthreedimensionallaser-inducedfluorescence(3DLIF)techniquesanditsinstrument

Huang Zhenli1,*,Zhou Weihu2,Qu Zhaosong3

(1.China Institute of Water Conservancy and Hydropower,Beijing 100038,China;2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;3.Beijing Sinfotek Company,Beijing 100085,China)

This paper introduces the principle of the LIF technique to measure the water concentration,temperature and velocity fields，summarizes the LIF technology development from 1D to 3D,reviews the key issues of LIF to measure the scalar field in water,including laser and light-sheet sources,fluorescence material selections and calibration methods,and finally reviews various correction methods of PLIF and 3DLIF.Based on the 3DLIF techniques,this paper proposes an overall technical scheme,technical route and overall technical indicators of 3DLIF instrument,and then provides solutions of 3DLIF key techniques to meet the demand of engineering and industrialization.

three dimensional laser-induced fluorescence (3DLIF);water body;the scalar field measurement

TV149.3

A

1672-9897(2017)05-0001-14

10.11729/syltlx20160173

2016-11-14;

2017-05-19

國家自然科學基金重大科研儀器研制項目(51427808)

*通信作者 E-mail:zhlhuang@263.net

HuangZL,ZhouWH,QuZS.Studyonthreedimensionallaser-inducedfluorescence(3DLIF)techniquesanditsinstrument.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2017,31(5):1-14.黃真理,周維虎,曲兆松.三維激光誘導熒光(3DLIF)技術及測量水體標量場設備研究.實驗流體力學,2017,31(5):1-14.