激光測(cè)速技術(shù)（LDV）誕生50周年啟示

沈 熊

（清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084）

激光測(cè)速技術(shù)（LDV）誕生50周年啟示

沈 熊

（清華大學(xué)工程力學(xué)系，北京 100084）

回顧50年來激光測(cè)速技術(shù)（LDV）的發(fā)展過程，取得的主要成就，科學(xué)家和工程技術(shù)人員作出的重大貢獻(xiàn)。LDV為流體力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究提供了有力的測(cè)試手段，開辟了對(duì)復(fù)雜流動(dòng)精確、定量、動(dòng)態(tài)測(cè)量研究的新篇章。

激光多普勒測(cè)速；相位多普勒；50周年

0 引 言

自從Yeh和Cummins［1］于1964年在實(shí)驗(yàn)室中首次應(yīng)用激光多普勒效應(yīng)測(cè)得一個(gè)圓管管流中的平均速度分布和湍流度以來，至今已有50年的歷史。在這期間，激光測(cè)速技術(shù)（Laser Doppler Velocimetry-LDV）從無到有，發(fā)展壯大，已成為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的重要工具［2-3］，成為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)設(shè)備。

如同固體力學(xué)中的應(yīng)力場(chǎng)一樣，流體力學(xué)中速度場(chǎng)是其主要研究參量。傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，采用應(yīng)變傳感器的電測(cè)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中已經(jīng)很成熟并廣泛應(yīng)用。但是具有三維特性流速場(chǎng)的測(cè)量方法始終處于相對(duì)落后的境地［4］。長期以來，皮托管加U型壓力計(jì)是主要的測(cè)速工具，在此基礎(chǔ)上發(fā)展出三孔、五孔和七孔的皮托管探針可用于二維和三維流速場(chǎng)測(cè)量，但是需要經(jīng)過復(fù)雜的校正過程，不僅耗時(shí)長、精度低，尤其不能響應(yīng)快速變化的脈動(dòng)速度。50年代出現(xiàn)的熱線風(fēng)速計(jì)，解決了脈動(dòng)速度的測(cè)量問題，也可以通過雙線和三線探針測(cè)量二維和三維流速，但是探針對(duì)流場(chǎng)的干擾影響不可避免，還必須進(jìn)行速度校正，限制了它的應(yīng)用范圍。流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究迫切需要新的流速測(cè)量方法，1960年激光器的出現(xiàn)為激光測(cè)速提供了條件。

Yeh和Cummins的成功實(shí)驗(yàn)在流體力學(xué)界引起了強(qiáng)烈的興趣和反響，吸引了眾多的科技工作者參與這一領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。在上世紀(jì)70～90年代，大量LDV研究和應(yīng)用論文在各種知名科技刊物發(fā)表，形成一股巨大的潮流，對(duì)于一種測(cè)量技術(shù)這是罕見的。國際性的學(xué)術(shù)會(huì)議如雨后春筍，紛紛召開。為了便于組織學(xué)術(shù)交流，由歐、美、日等知名教授發(fā)起，在1982年召開了首屆《激光測(cè)速在流體力學(xué)中應(yīng)用國際討論會(huì)》［5］（后更名為《激光技術(shù)在流體力學(xué)中應(yīng)用國際討論會(huì)》），會(huì)議地點(diǎn)固定設(shè)在葡萄牙里斯本，每兩年（逢雙數(shù)年）一次，至今已連續(xù)舉辦了17屆。另一個(gè)有影響的國際性會(huì)議是從1985年召開的《激光測(cè)速進(jìn)展與應(yīng)用國際會(huì)議》［6］，也是每兩年（逢單數(shù)年）輪流在歐美不同城市舉辦，共連續(xù)舉辦了9屆。為便于國內(nèi)學(xué)者參加國際學(xué)術(shù)交流，從1989年至1997年，在北京清華大學(xué)連續(xù)舉辦了3屆《流體動(dòng)態(tài)測(cè)量與應(yīng)用國際會(huì)議》［7］，激光測(cè)速是會(huì)議的主要專題之一。以上國際性學(xué)術(shù)會(huì)議集中反映了激光流體測(cè)量技術(shù)的新進(jìn)展及其應(yīng)用于各種流動(dòng)領(lǐng)域取得的新成果，對(duì)于流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，尤其復(fù)雜湍流流動(dòng)的研究起重要推動(dòng)作用，人們從未像今天這樣可以定量、精確了解各種復(fù)雜流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，同時(shí)，也為數(shù)值模擬的發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和驗(yàn)證。

鑒于光科學(xué)技術(shù)對(duì)人類文明和廣泛領(lǐng)域的影響和重要性，聯(lián)合國已宣布2015年為國際光年［8］，將舉辦一系列的重要紀(jì)念活動(dòng)。作為從事流體激光測(cè)量的科技工作者，在2014這個(gè)有紀(jì)念意義的年份，回顧激光測(cè)速發(fā)展的歷史過程和重要進(jìn)展，也是對(duì)聯(lián)合國倡議的積極響應(yīng)。

1 激光測(cè)速的主要成就

一種新技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)生、發(fā)展到成熟，除了具備造就的歷史條件外，更要有一批優(yōu)秀的有創(chuàng)造性的學(xué)者和研究人員進(jìn)行堅(jiān)忍不拔的鉆研和實(shí)踐，不僅首先要解決原理性問題，也同樣需要解決實(shí)際應(yīng)用性難題，才能得到推廣。激光測(cè)速發(fā)展過程中出現(xiàn)的種種問題、不足到成功解決，成為實(shí)用的產(chǎn)品并不斷創(chuàng)新，頗具典型性和啟示性。

1.1 理論性問題的解決

雖然激光多普勒測(cè)速原理是正確的，但是利用示蹤粒子來代表流體還是存在質(zhì)疑。主要有兩個(gè)理論性問題：粒子跟隨性和多普勒頻率加寬問題。經(jīng)過眾多學(xué)者嚴(yán)格的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論表明，空氣中微米量級(jí)的粒子，在保證粒子速度與流體速度之比為0.99的條件下，可以跟隨的脈動(dòng)頻率可達(dá)10KHz。這個(gè)頻率對(duì)于大多數(shù)湍流測(cè)量是足夠的［9］。

多普勒加寬主要來源于粒子通過測(cè)量體的渡越時(shí)間，稱為渡越加寬。對(duì)于速度梯度較大的場(chǎng)合，如剪切層、邊界層，還存在梯度加寬，此外，還有速度脈動(dòng)加寬和儀器加寬等［2，10］。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在大多數(shù)情況下，各種加寬的總和不超過脈動(dòng)速度的百分之幾，視具體條件而定。因此，加寬對(duì)于平均速度影響不大，但是，對(duì)于低湍流度的研究是有影響的。對(duì)于大多數(shù)流動(dòng)，脈動(dòng)速度的測(cè)量誤差要比平均速度的誤差大，約為百分之幾。因此，LDV用于高湍流度和有回流的流動(dòng)比較有利，因?yàn)槠渌鼫y(cè)量方法難以勝任。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)的突破——雙光束光路［2-3］

光線作為一種電磁波具有多普勒效應(yīng)，但只有在能提供單一波長、相干性好、能量集中的激光束以后這一原理才有可能被利用。在激光測(cè)速出現(xiàn)初期，人們從原理出發(fā)很自然地想到并采用相當(dāng)于光譜儀的參考光模式光路（圖1），將激光束照射流體中的運(yùn)動(dòng)粒子，將粒子的散射光與來自同一光源的參考光進(jìn)行合成，得到對(duì)應(yīng)于粒子速度的多普勒頻移，就能得到速度。這種模式在某些特定場(chǎng)合有其優(yōu)點(diǎn)，也能夠?qū)崿F(xiàn)流速的測(cè)量，首次完成激光測(cè)速實(shí)驗(yàn)的論文采用的就是這種光路。但由于其光效率低，光學(xué)零件的調(diào)準(zhǔn)度要求很高，使用起來難度很大，實(shí)驗(yàn)甚至要在遮光的室內(nèi)才能進(jìn)行，這樣的條件和要求顯然是不利于推廣應(yīng)用的。

圖1 參考光模式Fig.1 Reference mode

圖2 雙光束模式Fig.2 Dual-beam mode

經(jīng)過研究人員多年的研究和改進(jìn)，出現(xiàn)了一種雙光束模式光路（圖2），即將一束激光分成兩束等光強(qiáng)的平行光束，經(jīng)過一個(gè)透鏡匯聚相交，經(jīng)過交點(diǎn)的粒子散射光由一個(gè)接收透鏡接收，直接經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)于速度的多普勒頻移。這種模式聚焦測(cè)量點(diǎn)的光能很強(qiáng)，接收透鏡可以放在任意方向，而且可以使用大口徑光闌，因而光效率大大提高，即使在陽光下也能做實(shí)驗(yàn)。更重要的是發(fā)射光單元和接收光單元都可以集成化，使用操作十分方便。這一突破性進(jìn)展使儀器的商品化得以實(shí)現(xiàn)。迄今為止，由于光學(xué)部件產(chǎn)生了許多重要的進(jìn)展，如光纖和半導(dǎo)體激光器的使用，基于光學(xué)或電子頻移的二維、三維測(cè)速光路等，使LDV的光學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了巨大變化。過去常用的體積龐大的氦氖和氬離子氣體激光器大部分已經(jīng)被高性能的固態(tài)激光器所代替，由于固態(tài)激光器體積小、壽命長、功耗低，使用維護(hù)十分方便，隨著其品種的增多和功率的增大，將來必定會(huì)在LDV系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用。

1.3 信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)展［2-3］

基于多普勒電信號(hào)的特點(diǎn)（圖3，4），人們一開始就設(shè)想能否用計(jì)算機(jī)通過軟件計(jì)算直接得到單個(gè)粒子的頻率（即速度），也有人做過嘗試，但是沒有成功，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)速度太慢。

隨著數(shù)字信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，LDV信號(hào)處理器也不斷更新?lián)Q代，用新技術(shù)取代老技術(shù)。從模擬時(shí)代的頻譜分析儀、頻率跟蹤器到數(shù)字時(shí)代的計(jì)數(shù)式處理器、數(shù)字相關(guān)器和數(shù)字快速傅立葉變換（FFT）等，處理器的集成度越來越高，速度越來越快，體積越來越小，現(xiàn)在還可以通過無線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，使探頭與主機(jī)分離，給使用帶來極大方便。

圖3 測(cè)量體中光強(qiáng)分布Fig.3 Light intensity in measuring volume

圖4 多普勒波群的電流波形Fig.4 Wave form of Doppler burst

由于粒子信息處理的復(fù)雜性，要完全依靠軟件計(jì)算是難以實(shí)現(xiàn)的。即使現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的速度已經(jīng)很高，可以完成一些重要的數(shù)學(xué)處理，如數(shù)字濾波、數(shù)字相關(guān)、FFT、DSP處理等，但仍有一部分特殊的處理工作，如對(duì)多普勒信號(hào)包絡(luò)的波群檢測(cè)等功能需要通過硬件?？梢灶A(yù)期，LDV信號(hào)處理器的數(shù)字化、高速化和自動(dòng)化將是發(fā)展的大趨勢(shì)。

1.4 同時(shí)測(cè)量速度和粒徑的相位多普勒技術(shù)［3］

激光測(cè)速發(fā)展初期人們就關(guān)注能否從多普勒波群同時(shí)獲取粒徑信息，依據(jù)是波群的包絡(luò)形態(tài)（光強(qiáng)可見度）與粒徑有關(guān)，這對(duì)于噴霧、兩相流等研究很有用。經(jīng)過多年的努力和嘗試，也發(fā)表過不少論文，這一目標(biāo)沒有能夠?qū)崿F(xiàn)，因?yàn)橛绊懥降囊蛩睾芏?，難以得到確定性的粒徑關(guān)系式。

1975年，德國Durst教授等首先發(fā)表論文［11-12］，證明在不同方向設(shè)置的兩個(gè)光接收器接收到的信號(hào)頻率相同，但是信號(hào)的相位差同通過測(cè)量體的粒徑成正比（圖5，6），這就是著名的相位-多普勒（Phase-Doppler）原理。這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)為同時(shí)獲得速度和粒徑成為可能。遺憾的是研究沒有繼續(xù)進(jìn)行，而是停頓了6年，被稱為“黑暗時(shí)期（Dark A-ges）”。原因可能是當(dāng)時(shí)作者認(rèn)為這種方法只適合測(cè)量粒徑變化，大于2π的相差會(huì)造成模糊問題；此外，作者不認(rèn)為能用于實(shí)際測(cè)量，也還不清楚通過什么途徑去實(shí)現(xiàn)一臺(tái)實(shí)用的測(cè)量儀器［11］。

圖5 雙檢測(cè)器相位多普勒光路Fig.5 Dual-detector PDSA geometry

圖6 PDSA粒徑-相位特性Fig.6 Phase-diameter diagram of PDSA

直到1980年代初，在歐洲和美國同時(shí)引起了研究者的注意，繼而出現(xiàn)了兩種商品化的儀器，在里斯本國際會(huì)議展出。一種是將3個(gè)光接收器安裝在一個(gè)框架上［13］；另一種只有一個(gè)接收器，在接收透鏡后面集中安裝了3個(gè)光接收器［14］。前者雖然原理上可行，也已有產(chǎn)品出售，但是調(diào)整使用十分困難，大多數(shù)使用者難以掌握，買來后只能將儀器束之高閣。后者操作使用十分方便，與普通的激光測(cè)速儀無異，因而得到迅速推廣。由于此產(chǎn)品有諸多技術(shù)稱謂，如PDA、PDPA、APV等，這里采用了Hirleman教授在PDA 20周年紀(jì)念會(huì)上受委托發(fā)表的評(píng)論文章中的稱謂：相位-多普勒粒徑測(cè)速儀（Phase-Doppler Sizing Anemometer-PDSA），只要在常規(guī)的LDV系統(tǒng)上增加一個(gè)粒徑擴(kuò)展接收器，就能同時(shí)測(cè)量粒子的速度和直徑，基本上利用了原有的光學(xué)和信號(hào)處理系統(tǒng)，使儀器的性價(jià)比大為提高，成為現(xiàn)代功能最強(qiáng)的激光測(cè)速系統(tǒng)。

1.5 多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)［3］

眾所周知，LDV主要用于流場(chǎng)的單點(diǎn)測(cè)量。曾有不少研究人員致力于研發(fā)同時(shí)多點(diǎn)測(cè)量的LDV系統(tǒng)，都因系統(tǒng)過于復(fù)雜，調(diào)整困難，未能得到推廣。20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了一種應(yīng)用多普勒頻移原理測(cè)量流場(chǎng)速度的新方法，它能像圖像測(cè)速技術(shù)（Particle Image Velocimetry-PIV）那樣同時(shí)測(cè)量一個(gè)平面流場(chǎng)中的一維速度分布。變更不同的光學(xué)配置，就能得到該平面場(chǎng)的三維速度，被稱為多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)（Doppler Grobal Velocimetry-DGV）。

DGV的基本系統(tǒng)如圖7所示。當(dāng)流場(chǎng)中的粒子通過照射的激光片時(shí)，粒子的散射光中都包含著多普勒頻移。但是，迄今為止，還沒有辦法把所有粒子的散射光頻移同時(shí)精確地測(cè)量出來。DGV的關(guān)鍵部件是一個(gè)碘蒸氣盒（也可用其它吸收物質(zhì)，如銫），它的吸收特性與激光頻率有關(guān)，當(dāng)散射光通過時(shí)，在一定的頻段內(nèi)，出射光強(qiáng)與光頻成線性關(guān)系，這樣就把光頻檢測(cè)問題轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)檢測(cè)問題，于是，就可以采用目前已經(jīng)發(fā)展很成熟的CCD圖像采集和處理技術(shù)。利用未經(jīng)吸收的參考光圖像與吸收光圖像比較可以抵消光片光強(qiáng)的高斯分布、粒子濃度的不均勻性以及光學(xué)部件的不穩(wěn)定性和不完善性等因素的影響。限于吸收盒頻率-光強(qiáng)轉(zhuǎn)換特性的線性度、穩(wěn)定性以及分辨率等條件，DGV的測(cè)速精度要低于常規(guī)的LDV系統(tǒng)。由于DGV對(duì)粒子的濃度和分布條件要求較低，可以大大降低粒子添加的難度，因而比較適用于測(cè)量高速大流場(chǎng)氣體流動(dòng)。

圖7 DGV的基本系統(tǒng)Fig.7 Principle and basic optics of DGV

經(jīng)過多年的發(fā)展，DGV的性能已經(jīng)得到很大提高。采用激光頻率調(diào)制和雪崩二極管（APD）陣列接收器技術(shù)，可以在風(fēng)洞幾十m／s風(fēng)速下達(dá)到1%以下的測(cè)量精度［15］。

近年來還出現(xiàn)一種具有像素鎖定功能的陣列檢測(cè)器，可以將兩幅相干圖像的對(duì)應(yīng)像素進(jìn)行外差，在50k Hz的激光調(diào)制頻率下，得到對(duì)應(yīng)粒子速度的多普勒頻移，并且測(cè)得了幾十mm／s的速度場(chǎng)。這種摒棄了吸收盒的外差全場(chǎng)多普勒測(cè)速儀（HDGV）提出了新的發(fā)展方向［16］。

總的說來，DGV尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，目前還未見有商品化儀器。

2 啟示與展望

激光測(cè)速技術(shù)50年的發(fā)展歷程表明，一種新技術(shù)的出現(xiàn)，必定基于實(shí)際需要和客觀條件的具備，同時(shí)也是眾多科學(xué)家和工程技術(shù)人員的創(chuàng)造性實(shí)踐和整體科技發(fā)展的結(jié)果。應(yīng)當(dāng)感謝在此領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)的科學(xué)先驅(qū)，尤其是里斯本會(huì)議的組織者［17］。30多年來，他們堅(jiān)持不懈地組織了17屆國際會(huì)議，為年輕科技工作者提供了發(fā)表和交流研究成果的平臺(tái)，使流體激光測(cè)量技術(shù)不斷推陳出新、后繼有人。

回顧國內(nèi)，上世紀(jì)80～90年代，為了擺脫對(duì)進(jìn)口儀器的依賴，節(jié)約外匯，國家科技部門在經(jīng)費(fèi)上支持測(cè)試新技術(shù)的研發(fā)，有許多高校和研究機(jī)構(gòu)（如中科院、航空部和教育部的多所重點(diǎn)高校）積極投入LDV的研究和應(yīng)用，并取得了許多成果，有的還轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品。有關(guān)測(cè)量技術(shù)研究和應(yīng)用的學(xué)術(shù)會(huì)議經(jīng)常召開，學(xué)術(shù)氣氛十分活躍，不少論文中實(shí)驗(yàn)所用的儀器都是自制的。有些高校還開設(shè)了LDV實(shí)驗(yàn)課程，成為實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的重要組成部分。但是，進(jìn)入21世紀(jì)，這種自力更生、堅(jiān)持研發(fā)創(chuàng)新精神沒有得到承繼發(fā)揚(yáng)，致使像LDV、PIV和DGV等這類新型流體測(cè)試技術(shù)與國外的差距拉大了，對(duì)進(jìn)口儀器的依賴沒有得到根本性改變。當(dāng)務(wù)之急，應(yīng)當(dāng)從教育實(shí)踐、科研規(guī)劃和政策鼓勵(lì)等多方面采取措施，改變現(xiàn)狀，不斷提高研究水平和培養(yǎng)創(chuàng)新人才。

科學(xué)始于測(cè)量。新的測(cè)量方法標(biāo)志著科技真正的進(jìn)步。這是先輩科學(xué)家的至理名言。在即將迎來2015國際光年之際，愿以此文與有志于測(cè)量技術(shù)研究的青年科技工作者共勉。愿出現(xiàn)更多、更新、更好的流速測(cè)量技術(shù)為流體力學(xué)的教學(xué)和科研服務(wù)。

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［17］The 17thInternational Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，7-10 of July，Lisbon，Portugel，2014.

A historical review for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry

Shen Xiong
（Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

A historical review has been presented for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry.Main successes developed in this period are pointed out in memory with the important contributions from a number of scientists and engineers.It is noticed that the new age has already been opened up for the complex turbulent flow research with the accurate，quantitative and dynamical measurements.

laser Doppler velocimetry；phase Doppler；50thanniversary

O353.5+4

：A

1672-9897（2014）06-0051-05doi：10.11729／syltlx20140011

（編輯：張巧蕓）

2014-01-14；

：2014-04-21

ShenX.Ahistoricalreviewforthe50thanniversaryoflaserDopplervelocimetry.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：51-55.沈 熊.激光測(cè)速技術(shù)（LDV）誕生50周年啟示.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2014，28（6）：51-55.

沈 熊（1935-），男，上海市人，教授。研究方向：實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，激光測(cè)量。通訊地址：北京清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系（100084）。E-mail：shenx＠tsinghua.edu.cn