專利名稱：采用跨幀相機(jī)的二維多普勒全場測速方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多普勒全場測速方法，尤其是涉及一種采用跨幀相機(jī)的二維多普勒全場測速方法。
背景技術(shù)：
近些年發(fā)展起來的多普勒全場測速技術(shù)(Doppler Global Velocimetry, DGV)獲 得了相關(guān)部門和研究人員的重視。在國外，美國宇航局的一些研究人員從1991年起開始進(jìn) 行了這方面的研究，并不斷對測量方法進(jìn)行改進(jìn)。從最近幾年的文獻(xiàn)資料來看，美國宇航 局、歐洲風(fēng)洞聯(lián)合會、美國以及歐洲的多所大學(xué)都進(jìn)行了這方面的研究。多普勒全場測速技術(shù)(Doppler Global Velocimetry, DGV)的基本工作原理是測 量運(yùn)動粒子散射光的多普勒頻移。當(dāng)激光被移動粒子散射時(shí)，會產(chǎn)生多普勒頻移，根據(jù)多普 勒頻移公式有 其中， 和/別是接收和發(fā)射光單位矢量，V是流動速度矢量，λ是入射光波長。DGV使用一個(gè)窄線寬激光來照亮流場中的某一平面(如圖1所示)。示蹤粒子散 射光經(jīng)過分子濾波器后由信號相機(jī)采集。同時(shí)該圖像在不經(jīng)過濾波器的情況下被另外一個(gè) 相機(jī)一參考相機(jī)所采集。分子濾波器是一個(gè)兩端開窗的玻璃圓筒，內(nèi)裝吸收分子，該分子具 有能夠和激光光譜相匹配的吸收帶。這就形成了一個(gè)具有有限長度斜邊的透射率曲線(如 圖2所示)，通過濾波器的光譜強(qiáng)度和光的頻率有關(guān)。IvAtlv是分子濾波器的光譜透射率， Iv定義為通過濾波器后的光譜強(qiáng)度(在頻率V處)，Itlv為濾波器之前的光譜強(qiáng)度。通過濾 波器的光譜強(qiáng)度是散射光的光譜強(qiáng)度與濾波器分子吸收線的卷積。信號相機(jī)的每一個(gè)像素 記錄了積分光譜強(qiáng)度，I = / IvdV。參考相機(jī)采集了未通過濾波器的流場圖像，即與未經(jīng)濾 波器的積分光譜強(qiáng)度Ici(It) = / I0vdv)。以積分透射率為自變量，頻移(或頻率函數(shù)ζ )為 因變量繪制頻移_透射率變化曲線(如圖3所示)，實(shí)際測試中，一旦每個(gè)像素點(diǎn)上的透射 率通過兩個(gè)相機(jī)信號對比得到后，多普勒頻移就可以根據(jù)濾波器的頻率函數(shù)計(jì)算出，示蹤 粒子速度(即流動速度)可以由頻移計(jì)算出。DGV技術(shù)有幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)(1)可測大尺度流場。DGV是通過測量光強(qiáng)來間接測量 頻移，測量中單個(gè)粒子散射光不要求很強(qiáng)，因此，可以進(jìn)行大尺度風(fēng)洞流場測量；(2)適合 于高速和超高速流場。由于粒子散射光不要求很強(qiáng)，因而可以采用更小的粒子，在高速流場 中有更好的跟隨性；另一方面，被測流場速度越高，示蹤粒子散射光頻移越大，測量越準(zhǔn)確， 所以DGV在大尺度風(fēng)洞流場測量和高速流場測量方面潛力巨大；(3)可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)全場速度 測量。DGV技術(shù)圖像和數(shù)據(jù)處理簡單，計(jì)算量小，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬態(tài)全場速度測量。DGV技術(shù)在國外已經(jīng)被應(yīng)用到風(fēng)洞測試和發(fā)動機(jī)測試當(dāng)中，并且有公司開發(fā)了采 用這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品，一些研究機(jī)構(gòu)還在不斷完善這項(xiàng)技術(shù)。目前，DGV技術(shù)還存在激光光源 不夠穩(wěn)定、測量誤差大、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜等不足之處。在進(jìn)行多分量速度測量時(shí)，需要多套信號和參考相機(jī)及其光路系統(tǒng)，設(shè)備投入大、實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，光路調(diào)校、相機(jī)調(diào)整、系統(tǒng)標(biāo) 定等都是非常費(fèi)時(shí)、煩瑣的工作。因此，當(dāng)前的很多研究是針對測試方法改進(jìn)，特別是設(shè)法 減少CXD相機(jī)數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對當(dāng)前多普勒全場測速技術(shù)的這些不足，本發(fā)明的目的在于提供一種采用跨幀 相機(jī)的二維多普勒全場測速方法，在實(shí)現(xiàn)二維流場測量的同時(shí)，提供一種能夠減少CCD相 機(jī)數(shù)量的方法，以便簡化系統(tǒng)，降低操作復(fù)雜程度。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是 采用第一、第二窄線寬激光器產(chǎn)生時(shí)間上間隔為0. 2-20微秒的兩束脈沖激光，第 一窄線寬激光器產(chǎn)生的激光經(jīng)第一片光透鏡組形成一個(gè)片光，第二窄線寬激光器產(chǎn)生的激 光經(jīng)第二片光透鏡組形成另一個(gè)片光，兩個(gè)片光從不同方向但相互重合地照射同一流場測 試區(qū)域，流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)分光鏡分為兩路，一路經(jīng)分子濾波器后進(jìn)入信號相機(jī)，另 一路經(jīng)平面反射鏡反射后進(jìn)入?yún)⒖枷鄼C(jī)，對應(yīng)于兩個(gè)激光脈沖的圖像分別由信號相機(jī)和參 考相機(jī)順序采集，所采集的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)；第一窄線寬激光器、第二窄線 寬激光器、信號相機(jī)和參考相機(jī)均由控制計(jì)算機(jī)和同步控制單元控制。所述的信號相機(jī)和參考相機(jī)均為跨幀CCD相機(jī)，其最小跨幀時(shí)間為0. 2微秒。本發(fā)明具有的有益的效果是1、采用一對跨幀相機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二維多普勒全場測速技術(shù)中兩對相機(jī)，簡化了系 統(tǒng)，能夠降低系統(tǒng)造價(jià)，同時(shí)降低了測量時(shí)操作的復(fù)雜程度，減小了不同速度分量測量的空 間點(diǎn)對正誤差。2、盡管從原理上講由于兩對圖像不是同時(shí)測量，但由于兩幀圖像時(shí)間間隔非常 短，在流場流速不是特別高的情況下可以認(rèn)為測量的是瞬時(shí)速度場。


圖1是DGV光路系統(tǒng)示意圖。圖2是濾波器透射率曲線圖。圖3是濾波器多普勒頻移函數(shù)曲線圖。圖4是激光脈沖和相機(jī)曝光的時(shí)間分配示意圖。圖5是片光和接收相機(jī)布置示意圖。圖6是本發(fā)明的測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、第一窄線寬激光器，2、第二窄線寬激光器，3、第一片光透鏡組，4、第二片 光透鏡組，5、分光鏡，6、平面反射鏡，7、分子濾波器，8、信號相機(jī)，9、參考相機(jī)，10、控制計(jì)算 機(jī)，11、同步控制單元，12、流場測試區(qū)域。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖6所示，采用第一、第二窄線寬激光器1、2產(chǎn)生時(shí)間上間隔為At = 0.2-20 微秒的兩束脈沖激光(參見圖4)，第一窄線寬激光器1產(chǎn)生的激光經(jīng)第一片光透鏡組3形成一個(gè)片光，第二窄線寬激光器2產(chǎn)生的激光經(jīng)第二片光透鏡組4形成另一個(gè)片光，兩個(gè)片光從不同方向但相互重合地照射同一流場測試區(qū)域12(參見圖5)，流場測試區(qū)域中示蹤粒 子的散射光經(jīng)分光鏡5分為兩路，一路經(jīng)分子濾波器7后進(jìn)入信號相機(jī)8，另一路經(jīng)平面反 射鏡6反射后進(jìn)入?yún)⒖枷鄼C(jī)9，對應(yīng)于兩個(gè)激光脈沖的圖像分別由信號相機(jī)8和參考相機(jī)9 順序采集，信號相機(jī)8和參考相機(jī)9采集的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)10 ；第一窄線 寬激光器1、第二窄線寬激光器2、信號相機(jī)8和參考相機(jī)9均由控制計(jì)算機(jī)10和同步控制 單元11控制。分子濾波器7內(nèi)裝吸收分子，該分子具有能夠和窄線寬激光光譜相匹配的吸收 帶，通過分子濾波器的光強(qiáng)和激光頻率有關(guān)。對比信號相機(jī)8和參考相機(jī)9圖像的強(qiáng)度，可 以得到散射光多普勒頻移，從而得到示蹤粒子(即流場)運(yùn)動速度。根據(jù)入射角度不同的 兩束激光所對應(yīng)的兩對圖像，可以獲得流場測試區(qū)域各點(diǎn)的兩個(gè)速度分量，即實(shí)現(xiàn)二維速 度場測量。圖5描述了激光入射方向^ J2，CCD相機(jī)接收方向<5，以及所測得兩個(gè)速度分量 \、\的方向。本發(fā)明中的信號相機(jī)8和參考相機(jī)9均為跨幀CCD相機(jī)。如圖4所示，本發(fā)明中 使用的跨幀CCD相機(jī)，其最小跨幀時(shí)間為0. 2微秒，而兩個(gè)激光脈沖間隔時(shí)間Δ t也可以短 至0. 2微秒，因此使用兩個(gè)跨幀相機(jī)配合雙脈沖激光可以實(shí)現(xiàn)在1微秒之內(nèi)連續(xù)采集對應(yīng) 于兩個(gè)激光脈沖的兩對圖像。在如此短的時(shí)間間隔內(nèi)，被測流場中流體只移動了非常短的 距離(例如流速1000m/S時(shí)，流體在1微秒時(shí)間內(nèi)運(yùn)動Imm)，因此，可以近似認(rèn)為兩個(gè)速 度分量實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測量。
權(quán)利要求
一種采用跨幀相機(jī)的二維多普勒全場測速方法，其特征在于采用第一、第二窄線寬激光器(1、2)產(chǎn)生時(shí)間上間隔為0.2-20微秒的兩束脈沖激光，第一窄線寬激光器(1)產(chǎn)生的激光經(jīng)第一片光透鏡組(3)形成一個(gè)片光，第二窄線寬激光器(2)產(chǎn)生的激光經(jīng)第二片光透鏡組(4)形成另一個(gè)片光，兩個(gè)片光從不同方向但相互重合地照射同一流場測試區(qū)域(12)，流場測試區(qū)域(12)的散射光經(jīng)分光鏡(5)分為兩路，一路經(jīng)分子濾波器(7)后進(jìn)入信號相機(jī)(8)，另一路經(jīng)平面反射鏡(6)反射后進(jìn)入?yún)⒖枷鄼C(jī)(9)，對應(yīng)于兩個(gè)激光脈沖的圖像分別由信號相機(jī)(8)和參考相機(jī)(9)順序采集，所采集的圖像經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)(10)；第一窄線寬激光器(1)、第二窄線寬激光器(2)、信號相機(jī)(8)和參考相機(jī)(9)均由控制計(jì)算機(jī)(10)和同步控制單元(11)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用跨幀相機(jī)的二維多普勒全場測速方法，其特征在 于所述的信號相機(jī)(8)和參考相機(jī)(9)均為跨幀CCD相機(jī)，其最小跨幀時(shí)間為0. 2微秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用跨幀相機(jī)的二維多普勒全場測速方法。采用兩個(gè)窄線寬激光器產(chǎn)生時(shí)間上間隔很短的兩束脈沖激光，經(jīng)片光透鏡組形成兩個(gè)激光片光，兩個(gè)片光從不同方向但相互重合地照射同一流場測試區(qū)域，來自流場測試區(qū)域的散射光經(jīng)分光鏡分為兩路，一路經(jīng)分子濾波器后進(jìn)入信號相機(jī)-信號圖像，另一路經(jīng)平面反射鏡反射后進(jìn)入?yún)⒖枷鄼C(jī)-參考圖像，對應(yīng)于兩個(gè)激光脈沖的信號圖像和參考圖像被順序采集。對比信號圖像和參考圖像對應(yīng)像素點(diǎn)的光強(qiáng)，可得到散射光多普勒頻移，此頻移與流速成正比，因入射光來自兩個(gè)方向，可以測得兩個(gè)速度分量。本發(fā)明采用一對跨幀相機(jī)，可以簡化系統(tǒng)，降低操作的復(fù)雜程度，同時(shí)減小測量的空間點(diǎn)對正誤差。
文檔編號G01P5/26GK101871949SQ20101018877
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者何春生, 張洪軍, 趙曉東 申請人:中國計(jì)量學(xué)院