CN108801584B - 基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统及速度校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统及速度校正方法，其可准确测定波浪水流速度和速度分布，为标定游泳机泳速显示和评价游泳机性能提供可靠依据。包括动力箱、主流区、分成两路的回流管道，在发射/接收光单元前端安装有带密封窗口的导光管，其透过波浪水面，将激光束照射到主流区形成测量体并能接收测量体的散射光，实现LDV流速测量；测量体反光镜将后向散射光转变为前向散射光，极大提高了接收散射光强度；采用小功率半导体激光器，无需人工添加粒子，也能得到良好的信噪比。本发明可用于具有波浪自由面的流速测量场合，如大型波槽、水洞式游泳机、船舶航行速度等，这是现有其它流速测量技术难以企及的。

Description

基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系 统及速度校正方法

技术领域

本发明属于流体力学水洞、游泳机应用和流速测量技术领域，涉及将激光多普勒测速技术用于测量水洞式游泳机的流速特性；同时，本发明还涉及将激光多普勒测速仪用于具有波浪水面的其它流速测量场合；具体涉及一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统及速度校正方法。

背景技术

流体力学实验水洞广泛用于各种模型实验，如船舰、潜艇和各种形状的物体模型等；用于人体泳姿研究的大型水洞式游泳机也已经在许多国家建造，如日本五十岚公司于1979年生产的水洞式游泳机，水量100立方米，流速0～2.5米/秒，成为训练游泳运动员的重要手段，但是造价高昂。实验水洞的基本原理是通过水力推进器得到以一定速度流动的循环水流，当水流流过物体或人体时，就会产生阻力，如果物体或人体具有前进的动力，并且能够克服这种阻力时，物体或人体就会与水流处于相对平衡的静止状态，因而可以方便地观察和测量绕流物体的流动特性或人体的泳姿。在常规的大型水洞式游泳机中，可以通过试验段两侧和底面的玻璃窗口，应用多种测量仪器如皮托管流速计、热膜风速计、粒子成像测速仪(PIV)等实现流速测量；但是在本发明所述的小型水洞式游泳机中，由于空间和结构上的限制，不可能在两侧和底面设置测量窗口，只能通过水表面进行流速测量，在这种条件下，上述测量技术都难以实现；因此，水洞式游泳机的流速标定是目前存在的重要课题。

北航李岩、王海文、郭辉等将皮托管流速计用于低速水洞流场的速度校测，被测流场的平均速度均匀性和湍流度均为0.5％左右，这种流场的速度稳定均匀，湍流度较低，用皮托管流速计可以得到比较准确的结果。由于国际上对皮托管流速计的标定要求十分严格，规定校正设备测试段的湍流度应低于0.3％；因此，将皮托管流速计用高湍流度流场是不适合的。

美国TSI公司和丹麦DANTEC公司都生产多种型号的热膜风速计，可用于水流速度的测量；由于热膜的非线性特性，必须进行线性化修正和温度误差等补偿，再要通过标准的校正设备进行校正，由于受到校正设备性能指标的限制，热膜风速计一般适用于流速大于0.5m/s和中低湍流度流场。

粒子图像测速仪(PIV)也已被广泛应用于流速测量；它的优点是通过拍摄粒子位移照片和图像分析可以得到瞬时二维流场速度分布；但是，连续拍摄的帧频率较低，不适合测量高湍流度流动；另外，它要求测量对象在两个方向具备透光窗口，这也限制了PIV在小型水洞式游泳机的应用。

激光多普勒测速仪具有非接触测量、线性特性、精度高、动态响应快、测速范围广，以及无需标定等优点，是理想的高湍流复杂流场的测量手段，但是也受到波浪水面的影响；本发明为了克服这一难点，在常规的LDV基础上进行创新和改进，提出了一种克服波浪水面阻碍光线传输的的方法和装置，从而实现了水洞式游泳机的流速测量和游泳机性能标定，使水洞式游泳机成为真正意义上的完整系统。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统、水洞式游泳机系统及速度校正方法，解决了水洞式游泳机的流速标定和流场性能评价问题，使水洞式游泳机成为完整的系统，可以连续调节水流速度，并正确地显示水流的速度分布和整体的流场性能。

本发明所用技术为一种应用激光多普勒测速技术的水洞式游泳机系统包括有：推动水流流动的动力箱；水流由动力箱流出后，在进入后部栅格之前形成主流区；水流经后部栅格后对称分成两路，各经过底部的回流管道流回到动力箱，完成水洞式的水流循环；激光多普勒测速仪的光学探头置于主流区水面上方，用来测量主流区的水流速度，这是游泳机的重要性能数据；激光多普勒测速仪的信号处理器接收光学探头的多普勒电信号，经过信号处理软件得到所需的流速信息；光学探头安装在一台三维坐标移测架上，用来移动测点坐标，得到整个流场的流速分布数据；根据流体力学水洞原理进行游泳机主要部件设计改进，达到游泳机性能的优化；转速调节器用来调节驱动马达和螺旋桨叶转速，从而调节水流速度。

实现上述的系统的技术方案的一个方面是提供一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其包括驱动水流的动力装置、出口水流形成的主流区、回流区、激光多普勒测速仪(LDV)；

激光多普勒测速仪(LDV)包括发射光单元、接受光单元、导光装置、反光装置；

-发射光单元、接收光单元为独立或一体结构；

-在所述激光多普勒测速仪发射光单元和/或接收光单元的第一端，安装有带有密封装置的导光装置，所述导光装置透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光，实现LDV流速测量；

-发射光单元处安装有与导光装置相适应的测量体反光装置，所述测量体反光装置将后向散射光转变为前向散射光，供导光装置接收。

进一步地，所述回流区为回流管道；所述导光装置为安装有带有密封窗口的导光管，所述导光管伸入水面下方，透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光，实现LDV流速测量；所述测量体反光装置为测量体反光镜，其布置用于反射测量体的光给导光管。

进一步地，-所述测量体反光装置位于发射光形成的测量体的前方；

-所述测量体反光装置通过可调节机构固定在发射光单元的导光管上，所述可调节机构对所述测量体反射镜与测量体之间的距离和反射角度进行调节。

进一步地，还包括：

-所述动力装置为联结驱动马达的螺旋桨叶轮、导流片和整流器的动力箱；

-后部整流栅格；

-LDV信号处理器；

-叶轮转速调节器；

-水流通道设置为：所述动力箱推动水流出口形成主流区，进入后部整流栅格；水流分成两路，经过装有导流片的回流管道；水流从底部两侧回流到动力箱；

-所述叶轮转速调节器连接所述动力箱的驱动马达，叶轮转速调节器控制驱动马达的转速，调节叶轮旋转速度改变水流速度；

-所述激光多普勒测速仪通过LDV测速，输出游泳机的速度数据；激光多普勒测速仪设有坐标移位装置，移动LDV测量体位置，得到主流区不同位置的速度分布数据；

-LDV信号处理器，LDV信号处理器包括LDV处理模块，所述LDV处理模块配置为具有可变时间平均采样功能，其输出瞬时速度、平均速度和速度直方图。

进一步地，所述驱动水流的动力箱至少设有两个进水口和一个出水口、进口导流片、出口导流片、连结驱动马达的螺旋桨叶轮和第一、第二整流器；其中进水口设在底部两侧，出水口设在上部前方；

所述进口导流片至少包括对称的两组导流片，即两侧进水口各有一组导流片，引导水流改变方向和减小阻力损失；

进口导流片上方设有与驱动马达联结成一体的螺旋桨叶；螺旋桨叶上方设有第一整流器，其将大涡破碎成小涡；

向上流动的水流再至少经过一组导流片即出口导流片，改变为水平方向流动；

所述动力箱从底部两侧进水口进水，流过所述对称的两组导流片，将水流引导向上，经过螺旋桨叶后，先流过第一整流器，再流过出口导流片，令水流改变方向，再经过第二整流器后，从动力箱上部出口水平流出。

所述第一、第二整流器栅格的形状是方格形或蜂窝状六边形或正方四边形。

本发明实现上述的系统的技术方案的另一个方面是提供一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统，其采用上述的基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，所述的坐标移位装置具有三维位移装置，所述三维位移装置为机械式或数字控制机械臂式或气动式机构。

进一步地，所述的LDV信号处理器软件具有可变平均时间采样模块：

所述可变平均时间采样模块配置为，其基于游泳机波浪水流的脉动速度振幅、脉动时间尺度的变化自由设置进行可变平均时间下的采样及测量。

进一步地，采用以下设置方案的一个或多个或任意组合：

方案1：所述的出口水流形成的主流区的水流设置为：从游泳机底面到水面的范围内，水流流速方向均为向前，一直流到后部，进入后部栅格，才分成两路，从回流管道内返回；

方案2：所述后部栅格的通孔面积设置为满足系统设定的通过流量，后部栅格的形状为网格状或圆孔状；

方案3：所述的回流管道分成左右两路对称分布，回流管道引导水流改变方向，返回到前部的所述动力箱的两侧进水口；

方案4：所述激光多普勒测速仪无需人工添加示踪粒子；

方案5：所述叶轮转速调节器用来控制主流区的流速；

方案6：所述驱动马达为液压驱动和/或机械驱动和/或电力驱动；

方案7：所述驱动马达的驱动功率由主流区最大流速范围确定。

方案8：所述激光多普勒测速仪采用小功率半导体激光器做光源；

方案9：所述激光多普勒测速仪主要由发射光单元和接收光单元两部分组成或将发射光单元和接收光单元合二为一；

方案10：所述激光多普勒测速仪采用防水密封性能的激光探头。

本发明的技术方案的另一方面是提供一种基于激光多普勒测速技术的水洞式游泳机系统的速度校正方法，其特征在于，

设置动力箱水流通道为：水流由动力箱底部两侧进水口流入；经两组对称导流片引导水流向上；经螺旋桨叶、第一整流器栅格后，漩涡尺度破碎变小；再经过一组导流片和第二整流器栅格后，引导水流由动力箱上方出口水平方向流出；

设置游泳机水流通道为：动力箱出口水流形成的主流区包含了，从游泳机底面到水面范围内，水流流速方向都是向前的，一直流到后部，进入后部栅格，才分成两路，从回流管道内返回到前部动力箱的两侧进水口，形成系统水流的循环；

激光多普勒测速仪光学探头设置在主流区水面上方，在发射光镜头和接收光镜头前端分别安装导光管，导光管前端安装有密封的玻璃窗口；导光管插入水面测量流速；发射光单元导光管前方设置有反射镜，它与导光管固定在一起，并与导光管密封窗口保持距离和角度，它用来反射双光束发射光形成的测量体光点，将后向散射转变为前向散射；

通过LDV测速，得到水洞式游泳机的速度特性数据并进行动力箱的驱动马达转速的校正。

优选地，包括如下步骤：

步骤S1：将所述激光多普勒测速仪安装在具有三维坐标移动功能的位移装置上，移动测量体位置，得到整个主流区的流速分布数据；

步骤S2：通过LDV信号处理器的可变平均时间采样功能模块，得到平均速度数据；

步骤S3：通过叶轮转速调节器，控制驱动马达和螺旋桨叶轮的转速，进而改变主流区的流速；

步骤S4：通过LDV测速，得到水洞式游泳机完整的速度特性数据用以校正。

对本发明的技术方案进一步阐述如下：

推动水流流动的动力箱设有两个进水口和一个出水口，其中进水口设在底部两侧，出水口设在上部前方；两侧进水口各有一组导流片，引导水流改变方向和减小阻力损失；导流片上方设有与驱动马达联结成一体的螺旋桨叶；桨叶上方设有第一整流器，其作用是将大涡破碎成小涡；向上流动的水流再经过一组导流片，改变为水平方向流动；经过第二次整流器后，从动力箱上方出口流出。

由动力箱出口水流形成的主流区是游泳机的主要游泳区域，为了流速均匀平稳，并且一致向前，尽量减小回流和涡流，这就要依靠后部栅格所起的吸引作用；在保证足够强度下，栅格的通孔面积应尽量大，阻力尽量小，栅格孔形可以是圆形的，也可以网格形的。

引导水流回流的回流管道分成左右两路对称分布；回流管道的面积应足够大，以保证最大水流量通过时减少能量损失；这样做的目的，使主流和回流互相隔离，不会引起水流冲突，造成能量损失；同时又能获得良好的主流区流速特性。

本发明使用的激光多普勒测速仪是一种特殊设计的LDV测速仪，专门用来测量具有波浪水面下的流速，具有非接触测量、精度高、动态响应快和无需标定等优点；该LDV测速仪采用小功率半导体激光器做光源，由发射光单元和接收光单元两部分组成；也可以将发射光单元和接收光单元合二为一，或设计具有防水密封性能的激光探头，但是散射效率更低，成本也很高；为了克服波浪水面对导光的影响，在发射光镜头和接收光镜头前分别安装了一个导光管，导光管前端安装有密封的玻璃窗口；当导光管插入水面测量流速时，淹没的密封窗口不会影响光线的传播，从而避开了波浪自由面的阻挡；发射光单元导光管前方有一个反射镜，它与导光管固定在一起，并与导光管密封窗口保持一定距离和角度，它用来反射双光束发射光形成的测量体光点，将后向散射转变为前向散射，从而极大地提高了接收散射光强度和信噪比；可以在无需人工添加示踪粒子的条件下，顺利实现LDV测量。

本发明使用的LDV信号处理器模块可以为软件，其具有可变平均时间采样功能；由于游泳机波浪水流的脉动速度振幅较大，脉动时间尺度较长，根据统计理论，测量的采样数愈多，采样时间愈长，则均值的可信度和精确度愈高，LDV应用可变时间平均采样软件可以得到正确的平均速度，对于保证游泳机流速显示器的精确度有重要作用。

为了改变测量点位置，将激光测速仪光学探头，安装在一台三维坐标位移装置上；可以方便地移动测量体位置，得到整个主流区的流速分布；三维位移装置可以是机械式的；也可以是数字控制机械臂式的，后者体积小、操作方便，但成本较高。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1为本发明激光多普勒测速水洞式游泳机系统整体结构的一个实施例的俯视图示意图；

图2为本发明的水洞式游泳机系统的整体结构的一个实施例的侧视图示意图；

图1、2中：1-动力箱；2-主流区；3-整流栅格；4-回流管道；5-发射光单元；6-接收光单元；7-三维移测架；8-支撑导轨；9-信号处理器；10-转速调节器；

图3为本发明的水洞式游泳机系统的整体结构的一个实施例的动力箱的结构示意图；

图3中标记如下：31-进水口；32-进口导流片；33-驱动马达；34-螺旋桨叶轮；35-第一整流器；36-出口导流片；37-第二整流器；38-出水口；

图4为本发明的水洞式游泳机系统的激光多普勒测速仪的一个实施例的布置示意图。

图4中标记如下：41-发射光单元；42-接收光单元；43-导光管；44-反光镜；45-测量体；46-三维位移架；47-支撑导轨；4 8-主流区水面。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。

首先，参照图1-图4来描述用于实现本发明实施例的示例。

实施例1

本发明提供了一种基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统，其核心技术为采用特殊设计改进的激光多普勒测速仪测量和校正水洞式游泳机的速度特性，实现了水洞式游泳机的完整性和创新性。如图1的激光多普勒测速水洞式游泳机系统整体结构示意图所示，水洞式游泳机系统包括有：推动水流流动的动力箱；水流由动力箱流出后，在进入后部栅格之前形成主流区；水流经后部栅格后对称分成两路，各经过底部的回流管道流回到动力箱，完成水洞式的水流循环；动力箱是整个水洞式游泳机使水流循环流动的动力来源，一般都采用螺旋桨叶轮来推动水流，通过转速调节器调节带动螺旋桨旋转的驱动马达转速，就可以连续改变水流速度；具体的结构如图2的动力箱结构示意图所示；水洞式游泳机性能的主要技术指标就是主流区水流速度的精确性和均匀性，由于水洞式游泳机结构上的限制和水面的波浪特征，现有的流速测量技术均难以实现对水洞式游泳机流速的精确测量；常规的LDV系统虽然适用于测量高湍流度流场，但也无法克服波浪水面的阻碍；本发明设计改进了LDV光学探头，安装在一台三维坐标位移架上，可以伸入水面，探测水面下的水流速度，还可以移动测量位置得到整个主流区流场的速度分布，为了得到正确的平均速度值，在LDV信号处理方面采用了采样数据可变时间平均功能软件；具体的光学装置结构如图4的LDV流速测量装置光机布置示意图所示。

请参见图1-2，本发明提供的一种基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统包括有：推动水流流动的动力箱1，水流由动力箱流出后，形成主流区2，再经过后部栅格3，然后进入回流管道4，流回到动力箱。本实施例中后部栅格采用圆孔形，也可采用网格形。激光多普勒测速仪的发射光单元5和接收光单元6，置于主流区水面上方，用来测量主流区的水流速度。整个光学部分安装在一台三维坐标移测架7和支撑导轨8上，用来移动测点位置，这部分另有附图说明。激光多普勒测速仪的信号处理器9，用来接收多普勒电信号，通过可变时间平均采样功能软件，可以得到完整的流速信息。转速调节器10用来调节驱动马达和螺旋桨叶的转速，从而调节水流速度。本实施例中采用液压驱动马达和液压转速调节器，也可以采用机械驱动或电力驱动。

请参见图3，本发明提供的一种基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统中所述的动力箱结构包括：底部两侧进水口31，进口导流片32，联结驱动马达33的螺旋桨叶轮34，第一整流器35，出口导流片36，第二整流器37和出水口38。导流片的作用在改变水流方向时可以降低阻力和能量损失；螺旋桨叶依靠驱动马达旋转，推动水流流动，本实施例中采用液压驱动马达，也可采用机械或电力驱动；整流器的作用将大脉动的大涡水流破碎成小脉动的小涡水流，使出水口水流变得平稳均匀。本实施例中整流器采用方形栅格，也可以采用六角形的蜂窝栅格；导流片采用翼型设计，其效果较好。

请参见图4，本发明提供的基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统中所述的特殊设计的光学探头由发射光单元41,和接收光单元42组成，也可以将两者合二而一，或采用防水密封设计，但是散射效率会更低，代价很高；本实施例中，采用安装导光管43的方式，导光管前端安装有密封性玻璃窗口，具有灵活易行、简便低价的优点；反光镜44位于发射光形成的测量体前方，并固定在发射光单元的导光管上，反射镜与测量体之间的距离和反射角度可以调节，以得到最佳的接收效果；整个LDV光学部分安装在一台三维坐标位移架46和支撑导轨47上，本实施例采用常规数控机械式位移架，也可以采用数控机械臂式位移架，后者体积小，操作方便，但是价格高；整个LDV测量装置安装在主流区水面48上方。

本发明提供的一种基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统实施例的具体流速校正过程如下：首先水流由动力箱底部两侧吸入，经过进口导流片后改变方向向上，经过螺旋桨叶轮和第一整流器，再经过出口导流片和第二整流器，以水平方向从动力箱上部出口流出，形成主流区；水流再进入后部栅格，然后分成两路，对称流入两侧的回流管道；水流经过回流管道回到动力箱底部的两侧进水口，实现水流的循环；特殊设计改进的激光多普勒测速仪光学探头位于主流区水面上方，被安装在一台三维坐标位移架上，光学探头的发射光单元和接收光单元前面各安装有导光管，导光管前面安装有密封镜片的窗口，因而可以伸入水面，测量水面下的流速；通过三维坐标位移架可以移动测量位置，得到整个流场的速度分布；LDV信号处理器处理接收光单元接收到的多普勒电信号，再通过专门的可变时间平均采样功能软件得到波浪水流完整的速度信息和正确的平均速度值；转速调节器用来调节液压驱动马达和螺旋桨叶的转速，从而改变主流区水流速度，得到完整的水洞式游泳机速度特性。

叶轮转速调节器用来控制驱动马达和螺旋桨叶轮的转速，也即改变主流区的流速；驱动马达可以是液压驱动、机械驱动或电力驱动；驱动功率由主流区最大流速范围确定。

实施例2

说明一种基于激光多普勒测速技术(LDV)的水洞式游泳机系统的速度校正方法，所述方法包括如下步骤：

步骤SS1、水流由动力箱底部两侧进水口流入；经两组对称导流片引导水流向上；经螺旋桨叶、第一整流器栅格后，漩涡被破碎尺度变小；再经过一组导流片和第二整流器栅格后，改变水流方向由动力箱上方出口水平流出。

步骤SS2、动力箱出口水流形成的主流区包含了，从游泳机底面到水面的范围内，水流流速方向都是向前的，一直流到后部，进入后部栅格，才分成两路，从回流管道内返回到前部动力箱的两侧进水口，形成了系统水流的循环。

步骤SS3、特殊设计的激光多普勒测速仪光学探头设置在主流区水面上方，为了克服波浪水面对导光的影响，在发射光镜头和接收光镜头前分别安装了一个导光管，导光管前端安装有密封的玻璃窗口；当导光管插入水面测量流速时，淹没的密封窗口不会影响光线的传播，从而避开了波浪自由面的阻挡；发射光单元导光管前方有一个反射镜，它与导光管固定在一起，并与导光管密封窗口保持一定距离和角度，它用来反射双光束形成的测量体光点，将后向散射转变为前向散射，从而极大地提高了接收散射光强度和信噪比；可以在无需人工添加示踪粒子的条件下顺利实现流速测量。

步骤SS4、通过LDV信号处理器的可变平均时间采样功能软件，可以在游泳机波浪水流脉动速度振幅较大的情况下，得到正确的平均速度，游泳机流速显示器的精确度起到重要作用。

步骤SS5、LDV光学探头安装在具有三维坐标移动功能的位移装置上，可以方便地移动测量体位置，得到整个主流区的流速分布。

步骤SS6、通过叶轮转速调节器，控制驱动马达和螺旋桨。

本发明通过LDV测速，得到游泳机的速度特性；再由坐标移位装置，移动LDV测量体位置，可以得到主流区不同位置的速度分布，这是评价游泳机性能的重要指标；由于波浪水流的大尺度脉动和高湍流度特征，LDV信号处理器软件具有可变时间平均采样功能，可以得到准确的瞬时速度、平均速度和速度直方图，完整地描述了流场的速度特征。本发明提出的速度校正装置和方法，具有简便易行、成本低等优点；也可推广用于其它具有波浪自由面的流速测量场合，如大型波槽、大型水洞式游泳机、船舶航行速度等，这是现有其它流速测量技术难以企及的。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该本发明的的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如相应的权利要求书所反映的那样，其发明点在于可以用少于某个公开的单个实施例的所有特征的特征来解决相应的技术问题。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域的技术人员可以理解，除了特征之间相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的物品分析设备中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，

包括驱动水流的动力装置；出口水流形成的主流区；回流区；激光多普勒测速仪LDV；

激光多普勒测速仪LDV包括发射光单元、接受光单元、导光装置、反光装置；

发射光单元、接收光单元为独立或一体结构；

在所述激光多普勒测速仪发射光单元和接收光单元的第一端，安装有带有密封装置的导光装置，所述导光装置透过波浪水面，将激光束照射到主流区的测量体，同时接收测量体的散射光，实现LDV流速测量；

发射光单元处安装有与导光装置相适应的测量体反光装置，所述测量体反光装置将后向散射光转变为前向散射光，供导光装置接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，

所述回流区为回流管道；

所述导光装置为安装有带有密封窗口的导光管；

所述测量体反光装置为测量体反光镜，其布置用于反射测量体的光给导光管。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，

所述测量体反光装置位于发射光形成的测量体的前方；

所述测量体反光装置通过可调节机构固定在发射光单元的导光管上，所述可调节机构对所述测量体反射镜与测量体之间的距离和反射角度进行调节。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，还包括：

所述动力装置为联结驱动马达的螺旋桨叶轮、导流片和整流器的动力箱；

后部整流栅格；

LDV信号处理器；

叶轮转速调节器；

水流通道设置为：所述动力箱推动水流出口形成主流区，进入后部整流栅格；水流分成两路，经过装有导流片的回流管道；水流从底部两侧回流到动力箱；

所述叶轮转速调节器连接所述动力箱的驱动马达，叶轮转速调节器控制驱动马达的转速，调节叶轮旋转速度改变水流速度；

所述激光多普勒测速仪通过LDV测速，输出游泳机的速度数据；激光多普勒测速仪设有坐标移位装置，移动LDV测量体位置，得到主流区不同位置的速度分布数据；

LDV信号处理器，LDV信号处理器包括LDV处理模块，所述LDV处理模块配置为具有可变时间平均采样功能，其输出瞬时速度、平均速度和速度直方图。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光多普勒测速的波流流速测量系统，其特征在于，

所述驱动水流的动力箱至少设有两个进水口和一个出水口、进口导流片、出口导流片、连结驱动马达的螺旋桨叶轮和第一、第二整流器；其中进水口设在底部两侧，出水口设在上部前方；

所述进口导流片至少包括对称的两组导流片，即两侧进水口各有一组导流片，引导水流改变方向和减小阻力损失；

进口导流片上方设有与驱动马达联结成一体的螺旋桨叶；螺旋桨叶上方设有第一整流器，其将大涡破碎成小涡；

向上流动的水流再至少经过一组导流片即出口导流片，改变为水平方向流动；

所述动力箱从底部两侧进水口进水，流过所述对称的两组导流片，将水流引导向上，经过螺旋桨叶后，先流过第一整流器，再流过出口导流片，令水流改变方向，再经过第二整流器后，从动力箱上部出口水平流出；

所述第一、第二整流器栅格的形状是方格形或蜂窝状六边形或正方四边形。

6.一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统，其特征在于，采用上述权利要求4或5所述的一种基于激光多普勒测速技术的波流流速测量系统，所述的坐标移位装置具有三维位移装置，所述三维位移装置为机械式或数字控制机械臂式或气动式机构。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统，其特征在于，

所述的LDV信号处理器软件具有可变平均时间采样模块：

所述可变平均时间采样模块配置为，其基于游泳机波浪水流的脉动速度振幅、脉动时间尺度的变化自由设置进行可变平均时间下的采样及测量。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统，其特征在于，采用以下设置方案的一个或多个或任意组合：

方案1：所述的出口水流形成的主流区的水流设置为：从游泳机底面到水面的范围内，水流流速方向均为向前，一直流到后部，进入后部栅格，才分成两路，从回流管道内返回；

方案2：设有后部栅格，所述后部栅格的通孔面积设置为满足系统设定的通过流量，后部栅格的形状为网格状或圆孔状；

方案3：所述的回流管道分成左右两路对称分布，回流管道引导水流改变方向，返回到前部的所述动力箱的两侧进水口；

方案4：所述激光多普勒测速仪无需人工添加示踪粒子；

方案5：所述叶轮转速调节器用来控制主流区的流速；

方案6：所述驱动马达为液压驱动和/或机械驱动和/或电力驱动；

方案7：所述驱动马达的驱动功率由主流区最大流速范围确定；

方案8：所述激光多普勒测速仪采用小功率半导体激光器做光源；

方案9：所述激光多普勒测速仪包括发射光单元和接收光单元两部分，或将发射光单元和接收光单元合二为一；

方案10：所述激光多普勒测速仪采用防水密封性能的激光探头。

9.一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统的速度校正方法，其特征在于，

设置动力箱水流通道为：水流由动力箱底部两侧进水口流入；经两组对称导流片引导水流向上；经螺旋桨叶、第一整流器栅格后，漩涡尺度破碎变小；再经过一组导流片和第二整流器栅格后，引导水流由动力箱上方出口水平方向流出；

设置游泳机水流通道为：动力箱出口水流形成的主流区包含了，从游泳机底面到水面范围内，水流流速方向都是向前的，一直流到后部，进入后部栅格，才分成两路，从回流管道内返回到前部动力箱的两侧进水口，形成系统水流的循环；

激光多普勒测速仪光学探头设置在主流区水面上方，在发射光镜头和接收光镜头前端分别安装导光管，导光管前端安装有密封的玻璃窗口；导光管插入水面测量流速；发射光单元导光管前方设置有反射镜，它与导光管固定在一起，并与导光管密封窗口保持距离和角度，它用来反射双光束发射光形成的测量体光点，将后向散射转变为前向散射；

通过LDV测速，得到水洞式游泳机的速度特性数据并进行动力箱的驱动马达转速的校正。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光多普勒测速的水洞式游泳机系统的速度校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将所述激光多普勒测速仪安装在具有三维坐标移动功能的位移装置上，移动测量体位置，得到整个主流区的流速分布数据；

步骤S2：通过LDV信号处理器的可变平均时间采样功能模块，得到平均速度数据；

步骤S3：通过叶轮转速调节器，控制驱动马达和螺旋桨叶轮的转速，进而改变主流区的流速；

步骤S4：通过LDV测速，得到水洞式游泳机完整的速度特性数据用以校正。