专利名称：采用跨帧相机的二维多普勒全场测速方法
技术领域：
本发明涉及多普勒全场测速方法，尤其是涉及一种采用跨帧相机的二维多普勒全场测速方法。
背景技术：
近些年发展起来的多普勒全场测速技术(Doppler Global Velocimetry, DGV)获 得了相关部门和研究人员的重视。在国外，美国宇航局的一些研究人员从1991年起开始进 行了这方面的研究，并不断对测量方法进行改进。从最近几年的文献资料来看，美国宇航 局、欧洲风洞联合会、美国以及欧洲的多所大学都进行了这方面的研究。多普勒全场测速技术(Doppler Global Velocimetry, 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 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(如图1所示)。示踪粒子散 射光经过分子滤波器后由信号相机采集。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。分子滤波器是一个两端开窗的玻璃圆筒，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2所示)，通过滤波器的光谱强度和光的频率有关。IvAtlv是分子滤波器的光谱透射率， Iv定义为通过滤波器后的光谱强度(在频率V处)，Itlv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 = / IvdV。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Ici(It) = / I0vdv)。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3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。DGV技术有几个突出优点(1)可测大尺度流场。DGV是通过测量光强来间接测量 频移，测量中单个粒子散射光不要求很强，因此，可以进行大尺度风洞流场测量；(2)适合 于高速和超高速流场。由于粒子散射光不要求很强，因而可以采用更小的粒子，在高速流场 中有更好的跟随性；另一方面，被测流场速度越高，示踪粒子散射光频移越大，测量越准确， 所以DGV在大尺度风洞流场测量和高速流场测量方面潜力巨大；(3)可实现瞬态全场速度 测量。DGV技术图像和数据处理简单，计算量小，能够实现瞬态全场速度测量。DGV技术在国外已经被应用到风洞测试和发动机测试当中，并且有公司开发了采 用这项技术的产品，一些研究机构还在不断完善这项技术。目前，DGV技术还存在激光光源 不够稳定、测量误差大、设备昂贵、操作复杂等不足之处。在进行多分量速度测量时，需要多套信号和参考相机及其光路系统，设备投入大、实验操作复杂，光路调校、相机调整、系统标 定等都是非常费时、烦琐的工作。因此，当前的很多研究是针对测试方法改进，特别是设法 减少CXD相机数量。

发明内容
针对当前多普勒全场测速技术的这些不足，本发明的目的在于提供一种采用跨帧 相机的二维多普勒全场测速方法，在实现二维流场测量的同时，提供一种能够减少CCD相 机数量的方法，以便简化系统，降低操作复杂程度。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 采用第一、第二窄线宽激光器产生时间上间隔为0. 2-20微秒的两束脉冲激光，第 一窄线宽激光器产生的激光经第一片光透镜组形成一个片光，第二窄线宽激光器产生的激 光经第二片光透镜组形成另一个片光，两个片光从不同方向但相互重合地照射同一流场测 试区域，流场测试区域的散射光经分光镜分为两路，一路经分子滤波器后进入信号相机，另 一路经平面反射镜反射后进入参考相机，对应于两个激光脉冲的图像分别由信号相机和参 考相机顺序采集，所采集的图像经数据线传输到控制计算机；第一窄线宽激光器、第二窄线 宽激光器、信号相机和参考相机均由控制计算机和同步控制单元控制。所述的信号相机和参考相机均为跨帧CCD相机，其最小跨帧时间为0. 2微秒。本发明具有的有益的效果是1、采用一对跨帧相机代替传统的二维多普勒全场测速技术中两对相机，简化了系 统，能够降低系统造价，同时降低了测量时操作的复杂程度，减小了不同速度分量测量的空 间点对正误差。2、尽管从原理上讲由于两对图像不是同时测量，但由于两帧图像时间间隔非常 短，在流场流速不是特别高的情况下可以认为测量的是瞬时速度场。


图1是DGV光路系统示意图。图2是滤波器透射率曲线图。图3是滤波器多普勒频移函数曲线图。图4是激光脉冲和相机曝光的时间分配示意图。图5是片光和接收相机布置示意图。图6是本发明的测速系统结构示意图。图中1、第一窄线宽激光器，2、第二窄线宽激光器，3、第一片光透镜组，4、第二片 光透镜组，5、分光镜，6、平面反射镜，7、分子滤波器，8、信号相机，9、参考相机，10、控制计算 机，11、同步控制单元，12、流场测试区域。
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。如图6所示，采用第一、第二窄线宽激光器1、2产生时间上间隔为At = 0.2-20 微秒的两束脉冲激光(参见图4)，第一窄线宽激光器1产生的激光经第一片光透镜组3形成一个片光，第二窄线宽激光器2产生的激光经第二片光透镜组4形成另一个片光，两个片光从不同方向但相互重合地照射同一流场测试区域12(参见图5)，流场测试区域中示踪粒 子的散射光经分光镜5分为两路，一路经分子滤波器7后进入信号相机8，另一路经平面反 射镜6反射后进入参考相机9，对应于两个激光脉冲的图像分别由信号相机8和参考相机9 顺序采集，信号相机8和参考相机9采集的图像经数据线传输到控制计算机10 ；第一窄线 宽激光器1、第二窄线宽激光器2、信号相机8和参考相机9均由控制计算机10和同步控制 单元11控制。分子滤波器7内装吸收分子，该分子具有能够和窄线宽激光光谱相匹配的吸收 带，通过分子滤波器的光强和激光频率有关。对比信号相机8和参考相机9图像的强度，可 以得到散射光多普勒频移，从而得到示踪粒子(即流场)运动速度。根据入射角度不同的 两束激光所对应的两对图像，可以获得流场测试区域各点的两个速度分量，即实现二维速 度场测量。图5描述了激光入射方向^ J2，CCD相机接收方向<5，以及所测得两个速度分量 \、\的方向。本发明中的信号相机8和参考相机9均为跨帧CCD相机。如图4所示，本发明中 使用的跨帧CCD相机，其最小跨帧时间为0. 2微秒，而两个激光脉冲间隔时间Δ t也可以短 至0. 2微秒，因此使用两个跨帧相机配合双脉冲激光可以实现在1微秒之内连续采集对应 于两个激光脉冲的两对图像。在如此短的时间间隔内，被测流场中流体只移动了非常短的 距离(例如流速1000m/S时，流体在1微秒时间内运动Imm)，因此，可以近似认为两个速 度分量实现了同时测量。
权利要求
一种采用跨帧相机的二维多普勒全场测速方法，其特征在于采用第一、第二窄线宽激光器(1、2)产生时间上间隔为0.2-20微秒的两束脉冲激光，第一窄线宽激光器(1)产生的激光经第一片光透镜组(3)形成一个片光，第二窄线宽激光器(2)产生的激光经第二片光透镜组(4)形成另一个片光，两个片光从不同方向但相互重合地照射同一流场测试区域(12)，流场测试区域(12)的散射光经分光镜(5)分为两路，一路经分子滤波器(7)后进入信号相机(8)，另一路经平面反射镜(6)反射后进入参考相机(9)，对应于两个激光脉冲的图像分别由信号相机(8)和参考相机(9)顺序采集，所采集的图像经数据线传输到控制计算机(10)；第一窄线宽激光器(1)、第二窄线宽激光器(2)、信号相机(8)和参考相机(9)均由控制计算机(10)和同步控制单元(11)控制。
2.根据权利要求1所述的一种采用跨帧相机的二维多普勒全场测速方法，其特征在 于所述的信号相机(8)和参考相机(9)均为跨帧CCD相机，其最小跨帧时间为0. 2微秒。
全文摘要
本发明公开了一种采用跨帧相机的二维多普勒全场测速方法。采用两个窄线宽激光器产生时间上间隔很短的两束脉冲激光，经片光透镜组形成两个激光片光，两个片光从不同方向但相互重合地照射同一流场测试区域，来自流场测试区域的散射光经分光镜分为两路，一路经分子滤波器后进入信号相机-信号图像，另一路经平面反射镜反射后进入参考相机-参考图像，对应于两个激光脉冲的信号图像和参考图像被顺序采集。对比信号图像和参考图像对应像素点的光强，可得到散射光多普勒频移，此频移与流速成正比，因入射光来自两个方向，可以测得两个速度分量。本发明采用一对跨帧相机，可以简化系统，降低操作的复杂程度，同时减小测量的空间点对正误差。
文档编号G01P5/26GK101871949SQ20101018877
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月1日 优先权日2010年6月1日
发明者何春生, 张洪军, 赵晓东 申请人:中国计量学院