CN104049105A - 一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，根据气溶胶粒子跟随流场移动(即气溶胶粒子速度＝流场风速)对光纤多普勒测速仪发射的信号光产生多普勒效应，形成该粒子的回波信号，该信号中携带流场风速信息的多普勒频率数值。本发明在自然通风非定常流场、气流不明确情况下，能够简单、方便、有效地测量室内三维风速大小，且能实时反映于建筑信息模型中，更有利于未来在三维能源管理系统中加入实时室内自然通风风速信息。

Description

一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法

技术领域

本发明属于室内环境测试技术领域，尤其涉及一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法。

背景技术

夏季、过渡季利用自然通风可以保证建筑室内获得新鲜空气，并带走多余的热量，又不需要消耗动力，节省能源，节省设备投资和运行费用，因而是一种经济有效的通风方法。自然通风也是绿色建筑与生态建筑常利用手段之一。目前评价室内自然通风情况主要依靠数值模拟方法。现场实时风速测试比较复杂，通常利用风速仪，通过多点测试数据平均或回归法描绘房间整体风速情况。此方法比较适合定常流场，然而对于非定常流场，由于流场始终不同、房间正在使用等情况，多点测试相对来说就比较复杂且不方便。

在空气流场中都分散有固体或液体的气溶胶，气溶胶速度与空气流场速度相对应。由于多普勒效应，散射信号光携带有与被测物体运动速度相关的光频移。因此，通过利用光纤多普勒测气溶胶速度既可推导出空气流场速度。该技术具有不干扰被测流场、空间分辨率高、精度高、频率响应快等特点，并结合扫描仪，将测量点快速扫描流场，可获得沿扫描轨迹的流速分布。根据后期数据处理，链接显示器，能够非常直观的显示房间实时三维自然通风风速大小及分布区域。有利于将自然通风风速结合到建筑信息中，呈现更为全面的建筑信息模型。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，该方法实现了在非定常流场下，获取室内实时三维自然通风风速信息，测试方便、简单，结果能直观呈现。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，由室外直接喷射性气溶胶仪喷射气溶胶粒子于窗外，气溶胶粒子随室外空气流场进入室内；光纤多普勒测速仪中光纤激光器连续发射光纤束于环形器，所述环形器将光纤束分成两束，其中一束光进入耦合器，另一束光通过透镜、扫描器快速扫描室内空气流场，在该束光所扫描轨迹中空气流场内气溶胶粒子产生多普勒效应，并生成回波信号；透镜、扫描器接收所有气溶胶粒子回波信号，并进入耦合器与另一束光进行混频，从而得两者的差频信息△f，经雪崩光电二极管生成电信号，该电信号进入放大器中进行放大处理；模数转化器、数据处理器组合对上述放大器输出的电信号进行数字采集，并通过低通滤波滤除混频输出中的和频，然后进行傅立叶变换得到功率谱信号，计算最终室内风速，并根据时间差别计算出气溶胶粒子区域；显示器输出最终计算结果，利用显示器直观显示室内实时风速大小以及分布区域，用于判断室内自然通风具体情况。

进一步，还包括直接喷射性气溶胶仪；所述直接喷射性气溶胶仪用于增加房间内流场中气溶胶浓度，增强光纤多普勒测速仪测试信号。

进一步，所述的扫描器采用小型两镜扫描镜，扫描方位角范围为0到360°。

进一步，所述的耦合器采用大口径的两级耦合模块。

进一步，所述的数据处理模块采用DSP作数据处理。

进一步，所述的显示器采用PC。

进一步，所述光电探测器为雪崩光电二极管。

有益技术效果：本发明在自然通风非定常流场、气流不明确情况下，能够简单、方便、有效地测量室内三维风速大小，且能实时反映于建筑信息模型中，更有利于未来在三维能源管理系统中加入实时室内自然通风风速信息。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为利用光纤多普勒测室内自然风速方法示意图；

图2为光纤多普勒测速仪的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

由于在大气流场中含有气溶胶，气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒，这些气溶胶粒子跟随流场移动(即气溶胶粒子速度＝流场风速)。当室内自然通风时，移动的气溶胶粒子对光纤多普勒测速仪发射的信号光产生多普勒效应，形成该粒子的回波信号，该信号中携带流场风速信息的多普勒频率数值。

图1为利用光纤多普勒测室内自然风速方法示意图；图2为光纤多普勒测速仪的结构示意图，如图所示，本发明提供一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，该方法具体为：由室外直接喷射性气溶胶仪1喷射气溶胶粒子于窗外，气溶胶粒子随室外空气流场进入室内；光纤多普勒测速仪2中光纤激光器连续发射光纤束于环形器，将其分成两束，其中一束光进入耦合器，另一束光通过透镜、扫描器快速扫描室内空气流场，在该束光所扫描轨迹中空气流场内气溶胶粒子产生多普勒效应，并生成回波信号；透镜、扫描器接收所有气溶胶粒子回波信号，并进入耦合器与另一束光进行混频，从而得两者的差频信息△f，经雪崩光电二极管生成电信号，该电信号进入放大器中进行放大处理；模数转化器、数据处理器组合对上述放大器输出的电信号进行数字采集，并通过低通滤波滤除混频输出中的和频，然后进行傅立叶变换得到功率谱信号，计算最终室内风速，并根据时间差别计算出气溶胶粒子区域；显示器输出最终计算结果，利用显示器直观显示室内实时风速大小以及分布区域，用于判断室内自然通风具体情况。

光纤多普勒测速仪的选择主要参考：波长、功率、体积、光电转化率以及其它环节耦合的方便程度等，由于房间空间较小、测试范围有限，相对于传统的气候光纤多普勒测速雷达系统，对应光纤激光器的功率、透镜和扫描器的体积将远远缩小，从而适用于普通房间内的风速测试。

所述的扫描器采用小型两镜扫描镜，扫描方位角范围为0到360°；所述的耦合器采用大口径的两级耦合模块；所述的数据处理模块采用DSP作数据处理，进行低通滤波、傅立叶运算等；所述的数据输出(显示器)采用电脑(PC)，所述光电探测器为雪崩光电二极管。

如获得三维室内风速情况，利用扫描器将测量点快速扫描室内空气流场，以获得沿扫描轨迹的流速分布数据，该方法是以牺牲空气流场速度在时域上的信息而换取在空间上的信息，从而达到在流场中多点准同时测量效果。

该方法在自然通风非定常流场、气流不明确情况下，能够简单、方便、有效地测量室内三维风速大小，且能实时反映于建筑信息模型中，更有利于未来在三维能源管理系统中加入实时室内自然通风风速信息。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：由室外直接喷射性气溶胶仪喷射气溶胶粒子于窗外，气溶胶粒子随室外空气流场进入室内；光纤多普勒测速仪中光纤激光器连续发射光纤束于环形器，所述环形器将光纤束分成两束，其中一束光进入耦合器，另一束光通过透镜、扫描器快速扫描室内空气流场，在该束光所扫描轨迹中空气流场内气溶胶粒子产生多普勒效应，并生成回波信号；透镜、扫描器接收所有气溶胶粒子回波信号，并进入耦合器与另一束光进行混频，从而得两者的差频信息△f，经雪崩光电二极管生成电信号，该电信号进入放大器中进行放大处理；模数转化器、数据处理器组合对上述放大器输出的电信号进行数字采集，并通过低通滤波滤除混频输出中的和频，然后进行傅立叶变换得到功率谱信号，计算最终室内风速，并根据时间差别计算出气溶胶粒子区域；显示器输出最终计算结果，利用显示器直观显示室内实时风速大小以及分布区域，用于判断室内自然通风具体情况。

2.根据权利要求1所述的利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：所述的扫描器采用小型两镜扫描镜，扫描方位角范围为0到360°。

3.根据权利要求1所述的利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：所述的耦合器采用大口径的两级耦合模块。

4.根据权利要求1所述的利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：所述的数据处理模块采用DSP作数据处理。

5.根据权利要求1所述的利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：所述的显示器采用PC。

6.根据权利要求1所述的利用光纤多普勒测室内自然风速的方法，其特征在于：所述光电探测器为雪崩光电二极管。