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1、(10)申请公布号 CN 103558412 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103558412 A (21)申请号 201310477264.1 (22)申请日 2013.10.12 G01P 5/26(2006.01) (71)申请人 西北核技术研究所 地址 710024 陕西省西安市灞桥区平峪路 28 号 (72)发明人 邵珺 胡志云 叶景峰 张振荣 李国华 黄梅生 (74)专利代理机构 西安文盛专利代理有限公司 61100 代理人 李中群 (54) 发明名称 用于流场的干涉瑞利散射测速装置 (57) 摘要 本发明公开了一种用于流场的干涉瑞利散射 测速装置， 包括激光。
2、器、 流场交互单元、 散射光收 集单元、 参考单元和探测单元 ； 流场交互单元包 括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透 镜， 探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦 透镜的焦点， 待测量流场流过探测点， 流场方向与 激光出射方向倾斜设置 ； 散射光收集单元为与流 场方向倾斜设置的透镜组 ； 参考单元包括入射分 束镜、 反射镜和出射分束镜， 探测单元包括沿散射 光路设置的法布里- 珀罗标准具和ICCD 相机。 本 发明通过同时测量静止参考光干涉环和流场散射 光干涉斑之间的相对频移， 获得实时频移信号， 消 除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响， 适 用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。。
3、 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103558412 A CN 103558412 A 1/1 页 2 1. 用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 包括激光器 （1） 、 流场交互单元 （2） 、 散射光收集单元 （3） 和探测单元 （4） ； 所述的激光器 （1） 为窄线宽的连续或脉冲激光器 ； 所述的流场交互单元 （2） 包括沿激光器出射光路依次设置的半波片 （6） 和聚焦透镜 （7） ， 所述的探测点 （9） 设。
4、置在激光器 （2） 出射光路上并靠近聚焦透镜 （7） 的焦点， 所述的待 测量流场流过探测点 （9） ， 所述的流场方向与激光出射方向倾斜设置 ； 所述的散射光收集单元 （3） 为与流场方向倾斜设置的透镜组， 用于将散射光收集至 ICCD 相机内 ； 所述的探测单元 （3） 包括沿散射光路设置的法布里 - 珀罗标准具 （13） 和 ICCD 相机 （17） ， 散射光经过法布里 - 珀罗标准具 （13） 入射至 ICCD 相机 （17） ， 所述的 ICCD 相机 （17） 与数据处理用计算机 （18） 连接。 2. 根据权利要求 1 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 还。
5、包括参 考单元 （5） ， 所述的参考单元 （5） 包括入射分束镜 （14） 、 反射镜 （15） 和出射分束镜 （16） ， 所 述的入射分束镜 （14） 设置在流场交互单元 （2） 的半波片 （6） 和聚焦透镜 （7） 之间， 与激光 入射光呈 45夹角 ； 所述的出射分束镜 （16） 设置在探测单元 （3） 的法布里 - 珀罗标准具 （13） 前， 并与散射光呈 45夹角 ； 所述入射分束镜 （14） 将参考光引出经反射镜 （15） 反射 后进入出射分束镜 （16） 。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述 的透镜组包括沿散射光路依。
6、次设置的大 F 数非球面透镜 （10） 、 小 F 数非球面透镜 （11） 和凹 透镜 （12） ， 所述大 F 数非球面透镜 （10） 的焦点与探测点 （9） 重合， 所述小 F 数非球面透镜 （11） 的焦点与凹透镜 （12） 的虚焦点重合。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述 的法布里 - 珀罗标准具 （13） 为固体标准具。 5. 根据权利要求 1 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述的激 光器 （1） 的出射光束经过探测点 （9） 后被吸收阱 （8） 吸收。 6. 根据权利要求 2 所述的用于流场的干涉。
7、瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述的入 射分束镜 （14） 、 出射分束镜 （16） 的透反比为 100-1000:1。 7. 根据权利要求 2 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述的入 射分束镜 （14） 、 出射分束镜 （16） 的透反比为 500:1。 8. 根据权利要求 1 所述的用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 其特征在于 ： 所述散射 光收集方向、 激光出射方向和流场方向均在同一个平面， 激光出射方向与流场方向夹角为 45， 散射光收集方向与流场方向夹角为 45。 权 利 要 求 书 CN 103558412 A 2 1/4 页 3 用于流场的干涉瑞利。
8、散射测速装置 技术领域 0001 本发明涉及是一种流场速度测量装置， 尤其是适用于发动机、 风洞等高速流场速 度测量的光学测量装置。 背景技术 0002 采用基于激光的非接触光学诊断技术诊断航空发动机、 内燃机等多种发动机的燃 烧流场， 获得流场各种参量信息， 对发动机的优化设计和仿真模型的验证， 燃烧效率和发动 机性能的提升以及污染物排放控制等方面具有十分重要的科学意义和实用价值。 0003 在发动机燃烧流场诊断参量中， 温度和速度是两个最基本的参量， 通过流场静温 和速度的测量， 可以计算流场总温， 提供发动机燃烧效率等信息。在流场速度测量方面， 绝 大多数测量技术， 如粒子图像测速 （P。
9、IV） 技术、 分子示踪测速 （MTV） 技术、 多普勒全场测速 （DGV） 技术等， 测量时需要示踪粒子， 示踪粒子在本身活性、 耐温性、 流场跟随性等方面的限 制， 会影响这些技术在发动机流场诊断时的适用范围和可靠性。 那么， 发展一种适用范围较 宽、 可信度较高的速度测量技术， 对发动机流场的诊断测试具有重要意义。 0004 瑞利散射 （RS） 技术是基于流场本身分子弹性散射的光学测量方法， 它是利用流场 分子产生的散射光来测量流场参量。一束激光与流场分子作用后， 其瑞利散射光谱则包含 了流场的温度、 密度和速度等信息。 其中， 瑞利散射光和入射激光的中心波长的偏移则反映 了流场的速度信。
10、息。这种偏移是由于多普勒频移效应引起的， 散射光的多普勒频移偏移量 较小 （GHz 量级） ， 需要采用高分辨干涉分光仪器来检测， 其中法布里 - 珀罗标准具因其结构 简单、 适用方便、 高分辨而被采用。通过标准具测量散射光的多普勒频移， 再通过多普勒频 移与流场速度的关系公式计算得到流场一个方向上的速度。 0005 法布里 - 珀罗标准具是一种高分辨干涉分光仪器， 可用于塞曼效应、 超精细结构、 激光模式、 谱线轮廓等多种实验现象的观测研究。 早期研究者采用了空气隙的标准具， 空气 隙标准具优点是测量精度高， 缺点是对环境温度变化和振动非常敏感， 限制了工程应用。 0006 另外采用标准具进。
11、行速度测量时， 如果实验前先测量入射激光的输出波长， 实验 时单一将散射光引入到标准具中形成干涉环来测量其中心波长， 通过两者的差值计算频 移， 那么在这一过程中激光器本身输出波长的抖动， 会影响频移计算的准确性， 给测量结果 带来误差。如何在光路设计上消除入射激光输出波长的抖动对测量的影响， 也是工程应用 需要解决的问题。 发明内容 0007 本发明要解决的技术问题是在瑞利散射技术基础上， 发展一种基于干涉法检测散 射光多普勒频移的测速装置， 解决工程应用中的信号弱、 振动影响、 激光器输出波长抖动等 问题。 0008 本发明的技术方案为 ： 0009 用于流场的干涉瑞利散射测速装置， 包括。
12、激光器、 流场交互单元、 散射光收集单元 说 明 书 CN 103558412 A 3 2/4 页 4 和探测单元 ； 0010 激光器为窄线宽的连续或脉冲激光器 ； 0011 流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜， 探测点设置 在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点， 待测量流场流过探测点， 流场方向与激光出 射方向倾斜设置 ； 0012 散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组， 用于将散射光收集至 ICCD 相 机内 ； 0013 探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机， 散射光经过法 布里 - 珀罗标准具入射至 ICCD 相机， ICCD 。
13、相机与数据处理用计算机连接。 0014 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 还包括参考单元， 参考单元包括入射 分束镜、 反射镜和出射分束镜， 入射分束镜设置在流场交互单元的半波片和聚焦透镜之间， 与激光入射光呈 45夹角 ； 出射分束镜设置在探测单元的法布里 - 珀罗标准具前， 并与散 射光呈 45夹角 ； 入射分束镜将参考光引出经反射镜反射后进入出射分束镜。 0015 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 透镜组包括沿散射光路依次设置的大 F 数非球面透镜、 小 F 数非球面透镜和凹透镜， 大 F 数非球面透镜的焦点与探测点重合， 小 F 数非球面透镜的焦点与凹透镜的虚焦点重合。 0。
14、016 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 法布里 - 珀罗标准具为固体标准具。 0017 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 激光器的出射光束经过探测点后被吸 收阱吸收。 0018 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 入射分束镜、 出射分束镜的透反比为 100-1000:1。 0019 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 入射分束镜、 出射分束镜的透反比为 500:1。 0020 上述用于流场的干涉瑞利散射测速装置中， 散射光收集方向、 激光出射方向和流 场方向均在同一个平面， 激光出射方向与流场方向夹角为 45， 散射光收集方向与流场方 向夹角为 45。 0021 本发明具。
15、有的技术效果如下 ： 0022 1、 本发明基于分子散射光原理检测， 适用于大多数诊断流场， 尤其是燃烧流场 ； 0023 2、 现有瑞利散射技术是在无流场情况下事先测量得到本底干涉环， 并与流场下的 频移干涉环进行比较得到频率信息， 而本发明在实施中增加了参考光路单元， 静止区域的 参考光和流场区域的散射光同时耦合进法布里-珀罗标准具， 并由ICCD记录其形成的干涉 环和干涉斑图像， 通过同时测量干涉环和干涉斑之间的频移差， 获得实时频移信号， 进而计 算得到流场速度， 从而消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响， 提高了测量精度。 0024 3、 本发明采用大 F 数非球面透镜和小 F 。
16、数非球面透镜组成的非球面透镜组， 增加 散射光的接收角度， 提高了信号强度 ； 0025 4、 本发明采用固体标准具替代空气隙， 提高了系统的抗振性能和环境适应性 ； 0026 5、 本发明采用高灵敏度的 ICCD 进行图像记录， 用于弱光检测， 提高信噪比 ； 0027 6、 采用该测速装置测量的速度结果， 可为发动机设计及模拟仿真提供参考。 说 明 书 CN 103558412 A 4 3/4 页 5 附图说明 0028 图 1 为本发明干涉瑞利散射测速装置原理图 ； 0029 图 2 为本发明流场方向、 激光入射方向、 散射光方向布局示意图 ； 0030 图 3 为本发明 ICCD 上获。
17、得的干涉环示意图。 0031 附图标记如下 ： 0032 1激光器 ； 2流场交互单元 ； 3散射光收集单元 ； 4探测单元 ； 5参考单元 ； 6半波片 ： 7聚焦透镜 ； 8吸光阱 ； 9 探测点 ； 10大 F 数非球面透镜 ； 11小 F 数非球 面透镜 ； 12凹透镜 ； 13法布里 - 珀罗标准具 ； 14入射分束镜 ； 15反射镜 ； 16 出射分 束镜 ； 17ICCD 相机 ； 18计算机 ； 19ICCD 镜头 ； 20ICCD 感光面 ； 21入射激光干涉 环 ； 22散射频移光干涉斑 ； 23频移量。 具体实施方式 0033 图 1 为测速装置的系统组成图。测速系统包括。
18、激光器 1、 流场交互单元 2、 散射光 收集单元 3、 探测单元 4 和参考单元 5 组成。 0034 激光器1采用窄线宽连续或脉冲激光器， 可采用种子注入锁定的可调谐Nd:YAG激 光器， 其二倍频 532nm 激光作为入射光。 0035 流场交互单元 2 包括半波片 6 和聚焦透镜 7， 激光经半波片 6 调节偏振方向后， 经 聚焦透镜 7 聚焦到探测点 9 附近， 探测点 9 越靠近焦点其获得的信号就越强， 出射激光最后 由吸收阱 8 吸收。 0036 散射光收集单元 3 与激光入射方向成一定倾斜角度的透镜组， 散射光收集单元 3 采用短焦大 F 数非球面透镜 10 收集大视角流场分子。
19、的散射光， 通过长焦小 F 数非球面透镜 11 重新聚焦， 再经过一个凹透镜 12 压缩整形为口径较小的平行光， 进入法布里 - 珀罗标准 具 13 中进行检测。其中大 F 数非球面透镜 10 用来增加接收角度， 小 F 数非球面透镜 11 和 凹透镜 12 对散射光进行缩束， 整形好的平行光进入法布里 - 珀罗标准具 13 形成干涉条纹， 这种透镜组合可以增加散射光的接收角度， 提高了信号强度。 0037 探测单元 4 包括 ICCD17 和计算机 18， 干涉环通过 ICCD 镜头 19 成像到 ICCD 的感 光面 20 上， 图像最后由计算机记录。 0038 参考单元 5 采用入射分束。
20、镜 14 从入射光源分出一小部分激光， 经过反射镜 15， 再 通过出射分束镜 16 与整形为平行光的散射光耦合到一起， 进入法布里 - 珀罗标准具 13 中。 分束镜的分束比可根据现场情况而定， 确保 ICCD 上散射光斑和参考光干涉环均能清楚显 示即可， 通常可选择分束镜透反比为 100-1000 ： 1， 本发明优选 500 ： 1。 0039 增加光路单元的优点是， 将静止区域参考光引起的干涉环和流场区域的散射光引 起的散射斑由 ICCD 同时记录， 通过实时测量二者的相对频移， 获得流场速度， 消除了激光 器输出波长抖动对检测频移的影响， 提高了测量精度。 0040 如图 2 所示，。
21、 作为一种优选方式， 激光束在水平面方向与流场速度方向 成 45 斜入射进入流场， 与流场相互作用， 入射光波矢方向为 e0， 散射光收集波矢方向为 es， 散射 光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个平面， 收集方向与流场方向成 45。在 实际应用中散射光收集方向与激光出射方向根据需要设置， 只要保证出射方向、 流场方法 和散射光收集方向不是两两垂直即可满足要求。 说 明 书 CN 103558412 A 5 4/4 页 6 0041 如图 3 所示， 参考光经反射镜 15， 通过出射分束镜 16 与整形为平行光的散射光耦 合到一起， 进入法布里 - 珀罗标准具 13 中形成多个干涉环， 而散射光则形成靠近干涉环的 干涉斑， 最后同时通过ICCD镜头19成像到ICCD感光面20上， 由计算机18记录和处理。 根 据瑞利散射测速原理， 当流场流速为零时， 干涉斑的中心则位于干涉环顶点的圆圈线上， 并 随着流场流速的增大向圆圈线的外部偏移， 故通过测量其中一只干涉斑中心和干涉环顶点 圆圈线的偏移量， 就可得到该干涉环对应的入射激光和散射光的频移量 ， 进而通过理 论计算得到流经该处的流场流速。 说 明 书 CN 103558412 A 6 1/1 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103558412 A 7 。