CN100458373C - 一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法，即PDA方法，步骤为：建立建筑、城市空间的模拟结构，按比例将其缩小在一固定流场内；向流场内吹入模拟自然风，即示踪粒子；由氩离子激光器，发出混合激光束经由入射光学系统，将激光光束分成两束或者多束光，通过聚焦透镜入射到流场中形成多束光相交的测量控制体；通过接收光学系统，收集示踪粒子通过测量控制体发出的散射光，并将光信号转化为电信号；通过信号处理器将电信号转换成能读的数字信号，采用自相关技术得到粒子的速度。一种实现上述方法的装置，它包括：氩离子激光器、入射光学系统，接收光学系统，多模光纤，光学探头、信号处理器、辅助装置。

Description

一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法

技术领域

本发明涉及一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法，即运用PDA测试技术，对建筑、城市空间进行精确测量，从而对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析，属于建筑、动力机械行业技术领域。

背景技术

激光测速技术自1964年问世以来，由于它具有非接触性测量、不干扰流场、空间分辨率高、动态响应快、测量精度高等诸多优点已经越来越广泛地应用于各种测量领域。激光动态粒子分析(PDA-Particle Dynamic Analyzer)是在激光多普勒测速(LDV)的基础上发展起来的，是目前公认的最有效的同时测量粒子尺寸和速度的仪器。LDV的原理是基于多普勒频与待测粒子通过两束激光相交而成的相交区(测量体)的垂直速度成正比的事实。通过得到多普勒频而反算出粒子的运动速度。

PDA测试技术目前已经成为比较成熟的技术，正广泛地应用于物理、动力等各个行业。PDA的前沿研究为进行一些特殊粒子的测量，如透明粒子等。PDA的应用之一为验证CFD模型的仿真结果和为CFD模型提供边界条件。目前PDA前沿的研究和应用主要为和CFD相结合进行两相流或三相流的研究或联合起来使用来对一些复杂形态的流体进行测试。

但至今尚未有PDA用于对建筑、城市空间进行精确测量的报道。虽然相位多普勒测速(PDA)系统已经发展成为对于球形粒子的尺寸和速度进行测量的、比较完善的技术，但是对于涉及到透明粒子的测量时，仍然存在从原理到具体应用的问题和困难。特别是当粒子的直径超过测量体三分之一时，会出现非常大的粒径测量误差。由于流量和浓度是粒子径的三次方关系，所以此误差更导致通流量和浓度测量时更大的误差。对于这三种对于透明粒子的测量时，存在两种现象：

●轨迹效应——Trajectory Effect(或称高斯光束效应-GaussianBean Effect)；

●狭缝效应——Slit Effect.

针对如何有效的消除上述误差对测量精度的影响，引入了双模PDA的概念。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何运用PDA测试技术，对建筑、城市空间进行精确测量，从而能对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析。

本发明技术方案是，一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法，其特点是，方法步骤为：

1.建立建筑、城市空间的模拟结构，按照比例将其缩小在一固定流场内，流场用来模拟城市空间周围环境状况；

2.通过向流场内吹入模拟自然风，即示踪粒子；

3.由氩离子激光器，发出混合激光束经由光束分离器和发射透镜组成的入射光学系统，通过光束分离器将激光器发出的激光光束分成两束或者多束光，所述的激光光束分成两束或者多束光通过聚焦透镜入射到流场中形成多束光相交的测量控制体；

4.通过由透镜和和光电检测器组成的接收光学系统，收集示踪粒子通过测量控制体发出的散射光，并将光信号转化为电信号；

5.通过信号处理器将复杂的混合各种噪声的电信号转换成能读的数字信号，采用自相关技术得到粒子的速度。

一种实现对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法的装置，它采用双镜头式二维激光粒子动态分析系统，它包括：

1.氩离子激光器，发出混合激光束，经过分光后能分别得到绿光，蓝光和紫光；

2.入射光学系统，包括光束分离器和发射透镜，光束分离器作用是将激光器发出的激光光束按一定要求分成两束或者多束，发射透镜将来自光束分离器的光通过聚焦透镜形成测量体；

3.接收光学系统，收集粒子通过测量体时发出的散射光，用透镜将接收到的散射光聚集到光电检测器，将光信号转化为电信号；

4.多模光纤，光学探头通过光纤和激光源相连，便于由入射光学系统和接收光学系统组成的光学探头的布置，使得测量装置的机动性能提高；

5.信号处理器；将复杂的混合各种噪声的电信号转换成能读的数字信号，采用互相关技术获得粒子的尺寸，而采用自相关技术得到粒子的速度；

6.辅助装置；包括三维坐标系统和为旋转测量使用的轴编码器，将光学探头装在三维坐标架上，控制光学探头在三维空间的精确定位和移动。

所述的双镜头式二维激光粒子动态分析系统是指互为接收光系统和入射光系统所述的系统；所述的接收光学系统，它置有传统PDA的两个光电检测器和平面PDA的两个光电检测器。

本发明的有益效果，由于本发明是采用双模激光动态分析方法即双模PDA，它是将传统PDA的两个光电检测器和平面PDA的两个光电检测器置于同一个光学接收器内。双模PDA的基本概念是将均接收一级折射光的传统PDA和平面PDA对于各自单独的测量有机的联系到一起。当两种系统接收到一级折射光时，则给出相同的测量结果。如果有任何一种PDA系统接收到了反射光，即产生了轨迹效应和狭缝效应，这样两种PDA将会给出不同的测量结果，也就是说两种PDA无法取得一致。正是利用这种方法，我们可以有效的保证获取与所设定的几何光学模式相一致的散射光，同时也是利用两种PDA测量结果的相互关系作为有效化准则，从而避免轨迹效应和狭缝效应，精确测出建筑、城市空间的模拟结构的固定流场内的示踪粒子的速度，从而能对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析。

附图说明

图1是本发明实施例中的示踪粒子的平面图像信息图；

图2是该实验中b1点与b2点的速度对比图；

图3是该实验中d1点与d2点的速度对比图；

图4是该实验中e1点与e2点的速度对比图；

图5是该实验中f1点与f2点的速度对比图；

图6是空间的模拟结构实验装置原理图；

图7是两种PDA系统接收器布置方式，及在双模PDA中四个接收器的布置位置图；

图8是光强随相位差的变化图；

图9是干涉条纹示意图；

图10是二维速度矢量示意图；

图11是轨迹效应图；

图12是狭缝效应图。

在PDA各测量结果中，横坐标表示测量点位置，数值为距第一个测量点在轴向的高度，单位为毫米，纵坐标表示速度绝对值，单位为米/秒。在速度的表示中，用U代表轴向方向的速度，向下为正，V为径向方向的速度，沿半径方向向外为正，这两个速度可以反映流道内流体速度的变化趋势。

具体实施方式

本发明涉及一种建筑、城市空间与粒子图像测速、运用PDA测试技术，对建筑、城市空间进行精确测量，从而能对整个建筑、城市空间进行有效的设计和分析的粒子

实施例：

根据实验要求，建立一建筑、城市空间的模拟结构，在此以上海同济新村居住小区为实验对象，按照1∶10的比例将其缩小在一固定的实验流场内。

该实验装置系统如图1、图6所示，PDA测试系统装置包括：氩离子激光器1、入射光学系统(包括光束分离器和发射透镜)2、接受光学系统(透镜和光电检测器)3、多模光纤4、信号处理器5和辅助装置6(包括计算机)。通过测试可得出该实验区内建筑、城市空间中的各个需要点的粒子速度值。技术方案中所述的双镜头是指互为接收光系统和入射光系统所组成的系统；实验装置本将入射光学系统与接受光学系统安装在距离实验流场1000mm的位置，水平高度均为1000mm；而且两者相距的距离为300mm。所述的接收光学系统，它置有传统PDA的两个光电检测器和平面PDA的两个光电检测器。

操作时，首先，要向实验流场内吹入模拟自然风，即示踪粒子；打开氩离子激光器1，向固定的实验流场内发出混合激光光束，经由光束分离器和发射透镜组成的入射光系统2，通过光束分离器将激光器发出的激光光束分成两束或者多束光，并通过聚焦透镜入射到实验流场中，形成多束光相交的测量该实验的模拟控制体；然后，通过由透镜和光电检测器组成的接收光学系统3，由于本发明是用双模PDA，它是将传统PDA的两个光电检测器和平面PDA的两个光电检测器置于同一个光学接收器内。收集激光光束通过测量体时发出的散射光通过多模光纤4聚集到光电检测器，通过光电转换将光信号转化为电信号。由于得到的电信号为复杂的混合各种噪声的电信号，则需要通过信号处理器5将其转换成能读的数字信号。再将其得到的数字信号传给计算机进行数据分析，从而得出相应的实验数据。在固定的实验流场内测得的各点的轴向速度和径向速度是不相同的，具体可见图2-图5。

PDA测量系统原理

1.LDV光学原理

LDV的工作原理涉及到几何光学和波动光学这两部分的光学原理。光的干涉属于波动光学范畴。电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量

(电场强度)和

(磁场强度)来表征，而

和

又与电磁波的传播方向相垂直。光波是电磁波的一种特例，能产生感光作用的是电场强度

，所以通常把

的振动代表光的振动。

设电场矢量

为余弦函数，固定的实验流场内空间某点示踪粒子P参与下述两个光振动：

$E_1=E_{10}\cos ({\mathrm{\ω}}_1^t+{\mathrm{\φ}}_1)---\left(1\right)$

$E_2=E_{20}\cos ({\mathrm{\ω}}_1^t+{\mathrm{\φ}}_2)---\left(2\right)$

并为它们的振动方向相同，则合成振动的振幅为：

$E_0=\sqrt{{E_{10}}^2+{E_{20}}^2+2E_{10}{E}_{20}\cos [{({\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_1)}^t+({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)]}---\left(3\right)$

我们只对光强度感兴趣，设光强度I与振幅E₀为平方关系

$I={E_0}^2---\left(4\right)$

于是，

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos \mathrm{\Δ\φ}---\left(5\right)$

式中Δφ＝(ω₂-ω₁)^t+(φ₂-φ₁)

当ω₁＝ω₂时，即两个光波来自于同一个光源，则

Δφ＝φ₂-φ₁，P点的合成强度为

$I=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos ({\mathrm{\φ}}_2-{\mathrm{\φ}}_1)---\left(6\right)$

对给定光源，相位差只与P点的位置有关。若I₁＝I₂，上式为

$I={2I}_1(1+\cos \mathrm{\Δ\φ})=4I_1{\left(\cos \frac{\mathrm{\Δ\φ}}{2}\right)}^2---\left(7\right)$

当 $\mathrm{\Δ\φ}=2\mathrm{k\π}_{-}^{+}(k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·)$ 时，合成光强度最大；

当 $\mathrm{\Δ\φ}=(2k+1)\mathrm{\π}(k=\mathrm{0,1,2}\·\·\·)_{-}^{+}$ 时，合成光强度为0，光强随相位变化情况如下图8所示：当两束光满足干涉条件后，在相互交叉处就形成如图9所示的干涉条纹：这个相交区为测量控制体，因为激光束的光强是高斯分布的，这个相交区的光强呈现成椭球形状。只要光的波长λ、两激光束相交后形成的半夹角k确定后，测量体中的干涉条纹之间的间距就能通过下式确定：

$d_f=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin k}---\left(8\right)$

当流动的粒子以速度v_p垂直于条纹穿过测量体时，就向空间任意方向产生散射光信号，由光电接收器接收并转换成电信号。

其振幅与频率和测量体的条纹光强相对应，信号幅度高的时刻就对应于粒子处于测量体光强强的地方，信号幅度弱的时刻就对应于粒子处于条纹的光强弱的地方。信号的频率与粒子通过测量体的垂直速度成正比，计算公式如下：

$f_D=\frac{\left|v_p\right|}{d_f}=\frac{2\sin k}{\mathrm{\λ}}\left|v_p\right|---\left(9\right)$

其中f_D—为多普勒频移(HZ)

v_p—粒子速度(m/s)

λ—光的波长(m)

k—散射角

由上式就能计算得出粒子垂直于条纹的运动速度v_p。测量体的条纹数决定了多普勒波群信号中的周期数，在作信号处理时，通常需要足够多的周期数，才能与噪声区分开来，得到较为精确的测量结果。

2、LDV二维速度的确定

蓝色和绿色由于是通过同一光学探头，在硬件上严格保证聚在同一点上。为保证紫色光也通过同一点，将一个0.2mm的小孔放置在该交点上，然后调节紫色光通过该交点，即保证测量点在同一点上，也是符合信号处理的采样要求，三色信号必须在限定的时间窗内同时出现，否则采集的数据无效。轴向速度和周向速度可以直接测量获得，径向速度可以由LDV非正交系统所测量得到的轴向速度和切向速度计算得各矢量示意图如图10所示：图中，w＝v₁                                (10)

                  v＝v₂/sinφ-v₁/tanφ                       (11)

式中w轴向速度，v径向速度，v₁蓝光测量得到的速度分量，v₂紫光测量得到的速度分量，φ为蓝光和紫光光束的角平分线夹角。

3、双模PDA简介

激光多普勒测速(LDV)技术是多普勒原理的直接应用，相位多普勒测速(PDA)系统则在LDV的基础上安装了两个光探测器。当粒子穿过测量体时，两个光探测器接收同频率的多普勒信号，但是由于探测器的位置不同，所接收的信号具有不同的相位，而粒子的直径与相位差之间存在线性关系，因此可以根据相位差计算得到粒子的直径，计算公式如下：

式中，Δφ为相位差，n₁为散射介质折射率，D为粒子直径，β为几何参数，跟探测器的位置和散射方式有关，λ为激光在真空中的波长。

虽然相位多普勒测速(PDA)系统已经发展成为对于球形粒子的尺寸和速度进行测量的、比较完善的技术，但是对于涉及到透明粒子的测量时，仍然存在从原理到具体应用的问题和困难。特别是当粒子的直径超过测量体三分之一时，会出现非常大的粒径测量误差。由于流量和浓度是粒子径的三次方关系，所以此误差更导致通流量和浓度测量时更大的误差。

当一束光照射到透明粒子上时，会出现三重主要的散射光：反射光、一级散射光和二级散射光。当然还存在更高级的折射光，但由于光强已很弱，所以可忽略不计。每一种散射光模式对应一个几何光学系数，不同的光学系数具有不同的表达式。对于这三种对于透明粒子的测量时，存在两种现象：

●轨迹效应——Trajectory Effect(或称高斯光束效应-Gaussian BeanEffect)；

●狭缝效应——Slit Effect。

轨迹效应(如图11所示)可以定义为在测量体内高斯光强分布的非一致性。在图12中，测量体积是由将接收光强位于接收一级折射光条件下来定义的，在此体积内会出现由于高斯光强的分布不同，使得粒子的反射光很强，特别是Y轴的负方向，而我们所需要的一级折射光却很弱；而在某一方向上(如Y轴的正方向)，反射光很弱，而折射光却很强。我们将这种现象称之为“轨迹效应”。由于这种现象的产生，会使得原来是按照折射光的模式所确定的几何光学模式及相位与粒径的关系产生了极大的偏差，从而导致很大的测量误差。这种情况对于大粒子来说影响更加严重。

由于在接收探头内要定义一个小狭缝，那么在狭缝的两边会出现与轨迹效应相同的现象。为了进行通流量的测量，需要定义一个很合适的横截面来对通过测量体的粒子进行计数。这个横截面的长度由光学接收器前面所定义的狭缝来确定。当一个粒子通过狭缝的某一边时，不满足用折射光模式定义的相位与粒径关系的折射光成为了最主要的光而被接收，这样也同样会使得测量结果产生极大的误差。

狭缝效应所带来的负面影响力对于小粒子也是非常严重的，而不单单对于较大粒子，所以它也同样对质量通流量会产生极大的影响。

这两种现象的存在对于透明粒子的测量会造成极大的测量误差，采用传统或Standard PDA在很多情况下其性能和测量无法令人满意。这主要是由于传统PDA系统是无法正确接收所需要的光学模式，而是将所有的散射光均进行接收，首先从物理上造成了运用几何光学系数的无法确定，继而无法进行信号处理而导致了误差的产生。

在介绍双模PDA原理之前，先介绍一下平面PDA的原理及特点。

平面PDA是将两个探测器置于两相交光束组成的平面内，同时两束光的偏执方向也同样在这一平面内。在这一平面内激光束照射到粒子上身产生的反射光、一次折射光是顺序发生的，而不是像在传统PDA所位于接收平面内反射光是同时发生的。或者说平面PDA对于轨迹效应和狭缝效应非常不敏感。这样我们就可以利用平面PDA的这种特性来实现只接收一次折射光的要求。同时经过研究发现平面PDA在散射角为20至40度之间时具有最高的灵敏度。

针对如何有效的消除上述两种效应对测量精度的影响，引入了双模PDA的概念。双模PDA是将传统PDA的两个探测器和平面PDA的两个探测器置于同一个光学接收器内。双模PDA的基本概念是将均接收一级折射光的传统PDA和平面PDA对于各自单独的测量有机的联系到一起。当两种系统接收到一级折射光时，则给出相同的测量结果。如果有任何一种PDA系统接收到了反射光，即产生了轨迹效应和狭缝效应，这样两种PDA将会给出不同的测量结果，也就是说两种PDA无法取得一致。正是利用这种方法，我们可以有效的保证获取与所设定的几何光学模式相一致的散射光，同时也是利用两种PDA测量结果的相互关系作为有效化准则，从而避免轨迹效应和狭缝效应。图7为两种PDA系统接收器的布置方式，及在双模PDA中四个接收器的布置位置。

Claims (3)

1.一种对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法，其特征在于，方法步骤为：

1)建立建筑、城市空间的模拟结构，按照比例将其缩小在一固定流场内，流场用来模拟城市空间周围环境状况；

2)通过向流场内吹入模拟自然风，即示踪粒子；

3)由氩离子激光器，发出混合激光束经由光束分离器和发射透镜组成的入射光学系统，通过光束分离器将激光器发出的激光光束分成两束或者多束光，所述的激光光束分成两束或者多束光通过聚焦透镜入射到流场中形成多束光相交的测量控制体；

4)通过由透镜和和光电检测器组成的接收光学系统，收集示踪粒子通过测量控制体发出的散射光，并将光信号转化为电信号；

5)通过信号处理器将复杂的混合各种噪声的电信号转换成能读的数字信号，采用自相关技术得到粒子的速度。

2.一种实现对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法的装置，其特征在于，它采用双镜头式二维激光粒子动态分析系统，它包括：

1)氩离子激光器，发出混合激光束，经过分光后能分别得到绿光，蓝光和紫光；

2)入射光学系统，包括光束分离器和发射透镜，光束分离器作用是将激光器发出的激光光束按一定要求分成两束或者多束，发射透镜将来自光束分离器的光通过聚焦透镜形成测量体；

3)接收光学系统，收集粒子通过测量体时发出的散射光，用透镜将接收到的散射光聚集到光电检测器，将光信号转化为电信号，

4)多模光纤，光学探头通过光纤和激光源相连，便于光学探头的布置，使得测量装置的机动性能提高；

5)信号处理器；将复杂的混合各种噪声的电信号转换成能读的数字信号，采用互相关技术获得粒子的尺寸，而采用自相关技术得到粒子的速度；

6)辅助装置；包括三维坐标系统和为旋转测量使用的轴编码器，将光学探头装在三维坐标架上，控制光学探头在三维空间的精确定位和移动。

3.根据权利要求2所述的一种实现对建筑、城市空间进行精确测量的激光动态分析方法的装置，其特征再于，所述双镜头式二维激光粒子动态分析系统是指互为接收光系统和入射光系统，所述的接收光学系统，它置有传统PDA的两个光电检测器和平面PDA的两个光电检测器。

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