[科普中国]-激光诱导荧光流动显示测量

简介

在风洞试验中激光测速仪解决了速度场的无接触测量，但做绕流流场测量时耗时很多，限制了它在跨声速风洞中的应用。粒子图像测速技术虽能提供二维流场的测量，但主要适用于水洞或低速风洞。高速流动的二维流场测量是一个正在探索解决的难题。随着现代激光技术、低噪声光电阵列探测器和图像增强技术的发展，使近年来发展起来的激光诱发荧光技术有可能较好地解决这一难题。

激光诱导荧光技术是一种利用某些物质分子或原子在激光的照射下能激发荧光的特性来显示并测量流动特性的技术。它具有测定气流的密度、温度、速度、压力和混合物的光分子数的能力。它是以分子或原子作示踪粒子，该技术的关键是选择合适的物质与特定波长的激光光源相匹配，并产生足够强度的荧光信号为探测器所接收。目前发现具有激光荧光特性的分子或原子有氢氧根(OH )，碳氢根(HC )，二氧化氮，氧分子，氧原子(O)，丁二酮分子，碘分子，一氧化碳等。在液体中可掺人荧光染料(例如氯单明)用于液体中激光荧光显示。每种物质需不同波长的激光器，例如碘分子与氢离子激光器（波长514.5mm）匹配，氧分子或氧原子、CO、CH等与各种染料激光器匹配，它们是以YAG激光作泵的外激光器，选用不同染料，产生不同波长的紫外激光，例如丁二酮与氟化氨激光器匹配（波长315mm）。

由于许多具有激光荧光特性的物质是在高温燃烧或化学反应过程中产生的，它们不适用于风洞流场的显示与测量。目前在风洞中有较大发展潜力的是以碘分子为示踪粒子的激光荧光技术，它可以测定流场二维速度场及压力场。1

基本原理速度测最基本原理在激光片光源平面内二维速度矢量为u、v，当激光照射方向与速度u或v同方向时，由于速度u或v引起的多普勒效应，使激光产生频率改变△v，它使碘分子吸收原来频率为 的激光变成吸收频率为 ，的激光，于是

或

式中c为光速; 为激光波长。依据碘分子吸收函数，若测出了无频移激光和多普勒频移激光。两状态时荧光强度，可得到多普勒频移量△v，从而求得速度u或v因此可以说，碘分子吸收函数是激光诱发荧光测速法中校准函数。通过对碘分子吸收函数测定表明，在某一频率区间内它是准线性函数，如图所示，可作线性函数处理，因而简化了该技术的使用。由于吸收函数g与气流中碘分压、温度等因素有关，它很难精确计算决定，通常在测速时实时测定校准函数。其方法是:激光以频率为参考频率从某一方向照射流场，并测出该时荧光强度信号，随后用声光调制器或激光器中频率调谐器使照射激光频率有一标准偏移量，并从同一方向照射相同流场，依据两次测量的荧光强度信号差以及频移量△v，可获得实时校准函数。

压力场测量原理实验表明，温度变化范围不太大时，温度对碘分子激光荧光信号影响较小。雨压力对它有很大影响，当压力低时，激光诱发的荧光强，压力高时荧光弱。换言之，压力对碘分子吸收函数g有较大影响，由于该函数是近似线性的，因此压力主要影响吸收函数斜率的大小，利用激光荧光的这一特性可定量测量流场压力。通常通过实验先获得不同压力条件下激光诱发荧光信号随激光频率的变化曲线，并从中求得相应荧光亮度随频率变化的线性斜率。

实验系统的构成激光诱导荧光测速系统的基本实验装置如图，它由如下四个基本部分组成。

第一部分是激光照明光源系统。以碘分子为示踪粒子的激光荧光测速测压技术选用可调谐单模氢离子激光器，它的波长为514.5mm，为了提高测量精度，要求激光器频率稳定。另外，为了实时获得碘分子校准函数斜率，激光光源应产生一个频率移动量。可用声光调制器(利用声波改变激光频率)或用激光器中的干涉调谐器改变激光光源频率，获取可标定的激光源频移量。声光调制器的优点是频率稳定，它的缺点是频移量小，通常商用的声光调制器的频移量约为60~150MHz，它只能满足低速度的测量要求。而干涉调谐器的优点是频移量大，约为1000MHz，它可满足高速测量需要，它的缺点是频率稳定性较差。

激光源通过光学组件形成片光源最终照射待测流场。对它的设计要求是片光源很薄且光强均匀性好。通常该光学组件是由一组球面透镜与圆柱透镜组成的圆筒形装置，它使点激光进行准直并形成片光，达到光强度均匀。通常片光厚度约为0.6~0.8mm，测量区域为矩形。

第二部分是形成激光不同方向照射流场的分光系统。它是由棱镜组成的激光分光光学部件，它的作用是把发自激光器的光源依次分成三束功率相等的激光束，每束激光与片光光学装置相接形成互相独立的三个片光源，并按一定角度从三个不同方向互相重叠照射同一流场区域。每束激光用一个遮光器来选择片光照射流场的次序。第四束激光照射方向与三束激光中任一束方向相同，但它的频率需通过声光调制器或激光腔中调谐器偏移一标准值。

第三部分是由滤光片、聚光镜、图像增强器和光电阵列探测器以及相应的电子控制部分组成的荧光图像接收系统，它接收片光源中流场荧光信号。荧光信号首先通过滤光片，随后经过普通成像透镜把流场荧光图像成像于图像增强器，通过它增强信号强度并转至光电阵列探测器接收。当信号足够强时也可把荧光图像直接成像于光电阵列探测器。

第四部分是风洞_t碘分子引人装置。实验时要在气流中引人碘蒸气，通常将碘结晶体放置于常温常压容器中，为了防止碘氧化，通常用氮气把碘蒸气引人实验装置。

测速数据处理激光诱导荧光测量技术的数据处理实际上是对实时记录图像的处理，因此可应用常规的图像处理方法和软件对荧光图像灰度信号进行一些预处理消除噪声，使流动显示图像更清晰，或者按前述测速与测压方法对图像之间灰度信号进行必要的运算，求得速度场和压力场。

为了提高测量精度，消除片光强度分布不均的背景光影响，实验过程中需记录三类图像以便数据处理。

（1）实验流动数据图像四幅，即从三个不同方向照射流场，并且在某一方向改变激光频率一次。为了提高精度，每幅图像取多次拍摄的平均值。

（2）三个方向多幅静态碘蒸气荧光图像拍摄，并取平均值，以便修正激光强度分布不均匀影响。拍摄时实验区应保持实验时压力。

（3）三个方向多幅背景光图像拍摄，并取平均值，以便修正背景光的影响。拍摄时实验区充满氮气并保持实验时的压力。

从实验流动数据图像的平均值图像中分别扣除(2)、(3)两类图像的数据，可得到流动荧光图像，并应用图像处理软件再按前述速度与压力测量方法进行运算，就可求得速度场与压力场。2