激光多普勒测速仪产品研发与应用

牛洪涛，王连泽，沈 熊，2

（1．清华大学工程力学系，北京 100084；2．北京飞骊佳科技服务有限公司，北京 100084）

激光多普勒测速仪产品研发与应用

牛洪涛1，王连泽1，沈 熊1，2

（1．清华大学工程力学系，北京 100084；2．北京飞骊佳科技服务有限公司，北京 100084）

总结了10多年来，将激光测速技术科研成果转化为产品过程中解决的几个重要技术关键问题，研发出可靠实用的一维和二维激光测速以及相位多普勒粒径测速实验仪器，成功应用于多种流动测量的教学和科研，为培养高水平的创新型人才和提供多样化的市场选择做出了有益的贡献。

实验流体力学；激光测速仪；相位多普勒粒径测速仪

1964年首次出现的激光多普勒测速技术［1］（laser doppler velocimetry，LDV）给流速场的非接触测量带来了希望，国内外许多学者和工程技术人员积极参与研究和应用。迄今为止已有50年的历史，激光测速技术从无到有，发展壮大，取得了巨大进展，已成为流体力学实验室的常规设备［2］。其具有高精度、高空间分辨率和时间分辨率以及非接触测量的特点，研究人员可以详尽地了解流场参数和特性，为流体力学发展和科技创新提供了重要测量手段［3］。

上世纪八九十年代，受改革开放推动，国内高校和科研院所掀起了一股LDV研究热。当时，作为商售型的产品只局限于少数几家国外企业，由于售价高昂（通常需十几万至二十几万美元），一般使用单位很难问津。此外，进口产品使用操作复杂、耗电耗水量大，培训维修成本高，被调侃“买得起，却修不起”。当时，为解决这一问题，国家科技部门积极给予经费支持，科技研究人员意气风发，埋头苦干，相继出现了一批研究成果。学术交流会如雨后春笋，不少论文中所用的LDV都是自制的，这在很大程度上缓解了国家外汇短缺之困。但是，随着改革开放和经济条件的好转，以及一些老科技工作者退出在职岗位，大多数科技成果没有得到继承和发展，没有转化成为成熟的产品，这是十分可惜的，也是当前我国科技发展的软肋。

清华大学工程力学系是国内率先开展激光测速研究的单位之一，先后研制成功我国第一台激光流速计［4］、第一台二维和三维频移型激光测速仪和计算机数字信号处理器，获得了国家和部委的各种奖励［5］。为了将这一新技术成果转化成为产品，满足国内科研和教学的市场需求，10多年来锲而不舍，与以清华退休教师为主体的北京飞骊佳科技服务有限公司合作，坚持技术创新，改进结构工艺，研发出个性化、多品种、有中国特色的LDV产品，用户已遍及国内30多所高校和研究机构。在实验教学改革方面，坚持以流体近代测量技术、力学实验技术、实验流体力学等课程为平台，不断改进和充实LDV教学实验，编写新教材［6］，为推广这一新技术，培养学生掌握基本原理，提高实验能力创造了有利条件。

1 激光测速实验系统

一台激光多普勒测速仪主要由激光器、发射光部件、接收光部件、光电转换部件、信号处理器部件和系统软件等组成，见图1。

图1 激光测速实验系统

虽然原理性的问题在科研成果中已经解决［7］，但作为商品化的仪器，必须在高性能、可靠性、通用性、易操作性、个性化、低价格以及安全节能等方面综合实现，才能为市场所接受。为此，在研发产品化过程中解决了几个重要的技术关键问题。

2 采用半导体激光器实现发射光部件一体化

激光器是LDV中的重要部件。为了得到良好的相干性，过去都采用能连续发光的气体激光器，如大功率的氩离子激光器和小功率的氦氖激光器，前者为多谱线，可测量多维速度，但是价格高、机体庞大、耗能耗水成本高；后者为单谱线，体积也大，极易破损，运输困难，出光不稳，且需高电压，使用调节不便，如果激光器出现问题，用户就一筹莫展。

为了解决“光源”这个困扰多年的老大难问题，我们率先在国内采用了高性能的半导体激光器，虽然成本有所增加，但是对仪器产品化有突破性意义。图2是气体氦氖激光器和半导体固态激光器外形比较，半导体激光器不仅体积大大缩小了，发射光部件实现了一体化和小型化，整个仪器的稳定性、易操作性、信噪比以及使用寿命都有很大提高。

图2 氦氖激光器和半导体激光器

图3为应用一维LDV新产品于实验室进行雾霾研究。由于强电场的作用，室内雾霾粒子随时间逐渐消散。从雾霾粒子散射光的光电流可以获得雾霾浓度变化，从粒子散射光的频率则可以计算得到粒子的迁移速度。

图3 小型化LDV用于雾霾实验研究

图4表示了粒子的多普勒信号和速度直方图，测得粒子的平均迁移速度为0．21m／s，精确测量到这样的速度量级，用其他方法是难以做到的。

图4 雾霾粒子速度信号和测量结果

3 采用光散射有利方向特性提高光能利用率

米散射理论表明［8］，微米量级球形粒子的光散射特性具有极强的方向性，即散射角为0o的前向散射光强为散射角为180o后向散射光强的100倍以上（见图5），而作为LDV示踪粒子的粒径正好落在此范围内。因此，尽量利用前向散射接收可以极大提高激光器的光能利用率。而国外的商售LDV系统都采用几瓦功率的大功率激光器和后向散射光路，虽然对于有些不能透光的模型是有利的，但是令系统的复杂性和成本大大提高了。

事实上，有相当大部分的测量对象是可以或有条件使用高效的前向散射接收的，这样不仅能大幅度降低激光器功率，从而降低仪器的价格，在抗环境噪声方面也优于后向散射。例如，用前向散射做近壁测量时，模型壁面光点对测量的影响比后散射要小得多，从图6测量水槽流速时可见，由于水流比较浑浊，后向散射光难以穿透较宽的水体，而前向散射测量则没有困难。

图5 球形粒子的光散射特性

对于气固两相高速粒子流的测量，前向散射的效果也很好。图7显示了采用100mW半导体激光器的前向散射一维LDV系统，测量100m／s的沙粒速度时可以得到良好的信号。

图7 高速沙粒速度测量

4 采用偏振光双差动频移技术实现二维速度分离

流速场是向量场，为了实现二维测量，国外都采用多谱线大功率的气体激光器，虽然可以实现三维测量，但是实用效果有限，原因在于双镜头的三维系统难以用于液流测量，而单镜头的三维系统则轴向速度精度相当低［3］。对于二维LDV来说，采用单波长的激光器，关键在于如何分离二维速度信息。采用偏振光技术可以成功解决这一难题。图8表示了偏振分离二维LDV系统的发射光和接收光路原理。这是一种单镜头的二维LDV系统，使用起来十分方便。

二维测量还必须解决流向判别问题，否则，二维速度合成就没有意义。国外产品大都采用光电子混合式声光调制频移技术，虽然具有量程较宽的优点，但是对性噪比和抗干扰要求较高。我们采用双调制器直接光混频的双差动频移技术［9］（见图9），具有性噪比高、干扰小的优点，虽然频移量程不能太宽，但是对于大多数测量是足够的。

图8 偏振分离三光束二维LDV光路

图9 双差动声光频移二维光路

图10为应用二维频移LDV测量搅拌器液体漩涡流场。可以准确测得从正到负的切向速度分布，以及轴向速度的二次涡特性。

图10 二维频移LDV测量漩涡流动

5 数字相关处理相位－多普勒粒径速度信息

在激光多普勒测速技术的基础上发展起来的相位多普勒（Phase Doppler）技术，具有同时测量球形粒子的速度和粒径的功能。理论和实验证明，在空间不同位置设置的2个光接收器，它们接收到的信号频率相同，但相位不同，其相位差与粒径成线性关系（见图11）。

因此，只要在原有LDV基础上设置一对光接收器和一套相位差检测软件，就能扩展成一台相位多普勒粒径／速度测量系统（PDSA）见图12。

应用数字相关技术可以同时得到多普勒信号的频率（即速度）和相位差（即粒径）。信号的频率通过自相关处理得到。

图11 相位多普勒粒径测速仪原理

图12 相位多普勒粒径／速度测量系统

信号f（t）的自相关函数为

由自相关函数可得到多普勒频率：

式中，C为相关函数的过零次数，D为第一个和最后一个过零点之间延时数之差，Sp为采样周期。

两组信号x（t）和y（t）的互相关函数一般形式为

互相关函数的周期也同样代表原始信号的周期（即多普勒频率）。同时，可以从下式得到相位差Φ：

式中B为对应最大值的延时采样间隔数，τm＝B·Sp。

应用PDSA实测了一台超声加湿器喷出的水雾粒子速度和粒径。实验装置布置见图13所示。

图13 应用PDSA测量超声加湿器粒径和速度分布

测量得到的速度和粒径直方图见图14所示，平均速度为0．528m／s，平均粒径为20．24μm，结果是合理的。

6 结束语

在科研成果的基础上，研发出具有实用价值的激光多普勒测速仪系列化产品［10］，即一维、二维以及相位多普勒粒径测速仪。产品投放市场10多年来，为许多高校和研究机构提供了高性价比的教学和科研设备，填补了国内空白，并节约了大量外汇。

图14 PDSA测量结果

鉴于LDV在原理和使用操作方面有一定的复杂性，总结了多年来LDV的使用经验，编制和开发了多种视频和幻灯片教学软件［11－12］，为培训学生和实验工作人员提供了有利的学习条件，推动了这项新技术的推广和应用。

（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，舒玮．流速测量技术［M］．北京：北京大学出版社，1987．

［3］沈熊．激光多普勒测速技术及应用［M］．北京：清华大学出版社，2004．

［4］研制成功我国第一台激光流速计［N／OL］．宁夏日报，1980－07－22（1）．

［5］SCD－2双差动声光频移二维激光多普勒测速仪：国家发明四等奖［Z］．1992．

［6］王连泽．清华大学LDV课程教材［Z］．北京：清华大学，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．光学原理（下册）［M］．北京：科学出版社，1988．

［9］北京飞骊佳科技服务有限公司．SCD－23二维频移激光多普勒测速仪使用说明书［Z］．2010．

［10］沈熊．激光测速技术（LDV）诞生50周年启示［J］．实验流体力学，2014，28（6）：51－55．

［11］北京飞骊佳科技服务有限公司．激光多普勒测速仪使用教程［Z］．北京：北京飞马骊佳科技服务公司，2013．

［12］北京飞骊佳科技服务有限公司．激光多普勒测速仪使用调整方法［Z］．北京：北京飞马骊佳科技服务公司，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

牛洪涛（1970—），女，北京，硕士，工程师，研究方向为流体力学实验技术

沈熊（1935—），男，上海，教授，研究方向为实验流体力学与激光测量．