激光多普勒測速儀產品研發與應用

牛洪濤，王連澤，沈 熊，2

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

激光多普勒測速儀產品研發與應用

牛洪濤1，王連澤1，沈 熊1，2

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

總結了10多年來，將激光測速技術科研成果轉化為產品過程中解決的幾個重要技術關鍵問題，研發出可靠實用的一維和二維激光測速以及相位多普勒粒徑測速實驗儀器，成功應用于多種流動測量的教學和科研，為培養高水平的創新型人才和提供多樣化的市場選擇做出了有益的貢獻。

實驗流體力學；激光測速儀；相位多普勒粒徑測速儀

1964年首次出現的激光多普勒測速技術［1］（laser doppler velocimetry，LDV）給流速場的非接觸測量帶來了希望，國內外許多學者和工程技術人員積極參與研究和應用。迄今為止已有50年的歷史，激光測速技術從無到有，發展壯大，取得了巨大進展，已成為流體力學實驗室的常規設備［2］。其具有高精度、高空間分辨率和時間分辨率以及非接觸測量的特點，研究人員可以詳盡地了解流場參數和特性，為流體力學發展和科技創新提供了重要測量手段［3］。

上世紀八九十年代，受改革開放推動，國內高校和科研院所掀起了一股LDV研究熱。當時，作為商售型的產品只局限于少數幾家國外企業，由于售價高昂（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，進口產品使用操作復雜、耗電耗水量大，培訓維修成本高，被調侃“買得起，卻修不起”。當時，為解決這一問題，國家科技部門積極給予經費支持，科技研究人員意氣風發，埋頭苦干，相繼出現了一批研究成果。學術交流會如雨后春筍，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家外匯短缺之困。但是，隨著改革開放和經濟條件的好轉，以及一些老科技工作者退出在職崗位，大多數科技成果沒有得到繼承和發展，沒有轉化成為成熟的產品，這是十分可惜的，也是當前我國科技發展的軟肋。

清華大學工程力學系是國內率先開展激光測速研究的單位之一，先后研制成功我國第一臺激光流速計［4］、第一臺二維和三維頻移型激光測速儀和計算機數字信號處理器，獲得了國家和部委的各種獎勵［5］。為了將這一新技術成果轉化成為產品，滿足國內科研和教學的市場需求，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有限公司合作，堅持技術創新，改進結構工藝，研發出個性化、多品種、有中國特色的LDV產品，用戶已遍及國內30多所高校和研究機構。在實驗教學改革方面，堅持以流體近代測量技術、力學實驗技術、實驗流體力學等課程為平臺，不斷改進和充實LDV教學實驗，編寫新教材［6］，為推廣這一新技術，培養學生掌握基本原理，提高實驗能力創造了有利條件。

1 激光測速實驗系統

一臺激光多普勒測速儀主要由激光器、發射光部件、接收光部件、光電轉換部件、信號處理器部件和系統軟件等組成，見圖1。

圖1 激光測速實驗系統

雖然原理性的問題在科研成果中已經解決［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、個性化、低價格以及安全節能等方面綜合實現，才能為市場所接受。為此，在研發產品化過程中解決了幾個重要的技術關鍵問題。

2 采用半導體激光器實現發射光部件一體化

激光器是LDV中的重要部件。為了得到良好的相干性，過去都采用能連續發光的氣體激光器，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，可測量多維速度，但是價格高、機體龐大、耗能耗水成本高；后者為單譜線，體積也大，極易破損，運輸困難，出光不穩，且需高電壓，使用調節不便，如果激光器出現問題，用戶就一籌莫展。

為了解決“光源”這個困擾多年的老大難問題，我們率先在國內采用了高性能的半導體激光器，雖然成本有所增加，但是對儀器產品化有突破性意義。圖2是氣體氦氖激光器和半導體固態激光器外形比較，半導體激光器不僅體積大大縮小了，發射光部件實現了一體化和小型化，整個儀器的穩定性、易操作性、信噪比以及使用壽命都有很大提高。

圖2 氦氖激光器和半導體激光器

圖3為應用一維LDV新產品于實驗室進行霧霾研究。由于強電場的作用，室內霧霾粒子隨時間逐漸消散。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算得到粒子的遷移速度。

圖3 小型化LDV用于霧霾實驗研究

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

圖4 霧霾粒子速度信號和測量結果

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］，微米量級球形粒子的光散射特性具有極強的方向性，即散射角為0o的前向散射光強為散射角為180o后向散射光強的100倍以上（見圖5），而作為LDV示蹤粒子的粒徑正好落在此范圍內。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。而國外的商售LDV系統都采用幾瓦功率的大功率激光器和后向散射光路，雖然對于有些不能透光的模型是有利的，但是令系統的復雜性和成本大大提高了。

事實上，有相當大部分的測量對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，從而降低儀器的價格，在抗環境噪聲方面也優于后向散射。例如，用前向散射做近壁測量時，模型壁面光點對測量的影響比后散射要小得多，從圖6測量水槽流速時可見，由于水流比較渾濁，后向散射光難以穿透較寬的水體，而前向散射測量則沒有困難。

圖5 球形粒子的光散射特性

對于氣固兩相高速粒子流的測量，前向散射的效果也很好。圖7顯示了采用100mW半導體激光器的前向散射一維LDV系統，測量100m／s的沙粒速度時可以得到良好的信號。

圖7 高速沙粒速度測量

4 采用偏振光雙差動頻移技術實現二維速度分離

流速場是向量場，為了實現二維測量，國外都采用多譜線大功率的氣體激光器，雖然可以實現三維測量，但是實用效果有限，原因在于雙鏡頭的三維系統難以用于液流測量，而單鏡頭的三維系統則軸向速度精度相當低［3］。對于二維LDV來說，采用單波長的激光器，關鍵在于如何分離二維速度信息。采用偏振光技術可以成功解決這一難題。圖8表示了偏振分離二維LDV系統的發射光和接收光路原理。這是一種單鏡頭的二維LDV系統，使用起來十分方便。

二維測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。國外產品大都采用光電子混合式聲光調制頻移技術，雖然具有量程較寬的優點，但是對性噪比和抗干擾要求較高。我們采用雙調制器直接光混頻的雙差動頻移技術［9］（見圖9），具有性噪比高、干擾小的優點，雖然頻移量程不能太寬，但是對于大多數測量是足夠的。

圖8 偏振分離三光束二維LDV光路

圖9 雙差動聲光頻移二維光路

圖10為應用二維頻移LDV測量攪拌器液體漩渦流場。可以準確測得從正到負的切向速度分布，以及軸向速度的二次渦特性。

圖10 二維頻移LDV測量漩渦流動

5 數字相關處理相位－多普勒粒徑速度信息

在激光多普勒測速技術的基礎上發展起來的相位多普勒（Phase Doppler）技術，具有同時測量球形粒子的速度和粒徑的功能。理論和實驗證明，在空間不同位置設置的2個光接收器，它們接收到的信號頻率相同，但相位不同，其相位差與粒徑成線性關系（見圖11）。

因此，只要在原有LDV基礎上設置一對光接收器和一套相位差檢測軟件，就能擴展成一臺相位多普勒粒徑／速度測量系統（PDSA）見圖12。

應用數字相關技術可以同時得到多普勒信號的頻率（即速度）和相位差（即粒徑）。信號的頻率通過自相關處理得到。

圖11 相位多普勒粒徑測速儀原理

圖12 相位多普勒粒徑／速度測量系統

信號f（t）的自相關函數為

由自相關函數可得到多普勒頻率：

式中，C為相關函數的過零次數，D為第一個和最后一個過零點之間延時數之差，Sp為采樣周期。

兩組信號x（t）和y（t）的互相關函數一般形式為

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

式中B為對應最大值的延時采樣間隔數，τm＝B·Sp。

應用PDSA實測了一臺超聲加濕器噴出的水霧粒子速度和粒徑。實驗裝置布置見圖13所示。

圖13 應用PDSA測量超聲加濕器粒徑和速度分布

測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，結果是合理的。

6 結束語

在科研成果的基礎上，研發出具有實用價值的激光多普勒測速儀系列化產品［10］，即一維、二維以及相位多普勒粒徑測速儀。產品投放市場10多年來，為許多高校和研究機構提供了高性價比的教學和科研設備，填補了國內空白，并節約了大量外匯。

圖14 PDSA測量結果

鑒于LDV在原理和使用操作方面有一定的復雜性，總結了多年來LDV的使用經驗，編制和開發了多種視頻和幻燈片教學軟件［11－12］，為培訓學生和實驗工作人員提供了有利的學習條件，推動了這項新技術的推廣和應用。

（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．流速測量技術［M］．北京：北京大學出版社，1987．

［3］沈熊．激光多普勒測速技術及應用［M］．北京：清華大學出版社，2004．

［4］研制成功我國第一臺激光流速計［N／OL］．寧夏日報，1980－07－22（1）．

［5］SCD－2雙差動聲光頻移二維激光多普勒測速儀：國家發明四等獎［Z］．1992．

［6］王連澤．清華大學LDV課程教材［Z］．北京：清華大學，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．光學原理（下冊）［M］．北京：科學出版社，1988．

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

［10］沈熊．激光測速技術（LDV）誕生50周年啟示［J］．實驗流體力學，2014，28（6）：51－55．

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

［12］北京飛驪佳科技服務有限公司．激光多普勒測速儀使用調整方法［Z］．北京：北京飛馬驪佳科技服務公司，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，研究方向為流體力學實驗技術

沈熊（1935—），男，上海，教授，研究方向為實驗流體力學與激光測量．