CN113465719B - 一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，在探测光的法线方向和对称方向分别放置平面镜以调整散射光的接收角度，两束散射角度存在差异的散射光经聚焦透镜和两个光阑后分别进入带有函数发生器的Fabry‑Perot干涉仪进行滤波，之后由带有遮光筒的光电探测器接收并转换为TTL脉冲信号进行瑞利‑布里渊光谱的分析。利用不同角度下的瑞利‑布里渊散射光谱对折射率与散射角进行解耦，通过扫描式测量的方法，从根本上消除散射角及噪声干扰对音速及折射率测量的影响，具有非接触测量、与本体尺寸精度无关和易于实现高温测量等特点，在能源化工、国防军工、工业生产和科学研究等领域具有重要应用前景。

Description

一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置
技术领域
本发明属于流体热物理性质测量技术领域，具体地，涉及一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置。
背景技术
音速和折射率是流体的基本物性参数，在能源化工、国防军工、工业生产和科学研究等领域起着重要作用。例如，音速在构建状态方程、导出比热容、维里系数和压缩系数等热力学性质以及热力系统的设计中至关重要；折射率及其温度系数与燃料的性能密切相关，常被用于与密度、闪点和十六烷值等参数进行关联。由于流体的音速和折射率是由其分子内部结构和原子组成决定的，学者也常常利用这两个参数来研究分子内部的结构组成及其分子间相互作用力。
传统流体音速测量方法主要分为共振干涉法和脉冲法，这些传统方法的测量精度较高，但对实验本体的尺寸精度要求极高，而高温下本体极易发生膨胀，会严重影响测量精度；传统流体折射率的测量方法主要分为基于折射、全反射等基本光学原理的几何光学法和基于干涉、衍射和偏振等波动性质的波动光学法，由于装填待测流体的棱镜在不同温度和压力下其折射率和形状会发生变化，传统方法主要适用于常温下流体折射率的测量。
瑞利-布里渊光散射法利用散射光的强度、方向、偏振态和频率等参数与物质物化性质的关系，实现音速、折射率、体粘滞系数、声衰减率和比热容比等性质的非接触测量。散射光中的瑞利-布里渊散射光谱，与本体的尺寸精度无关，且不易受到测试温度的影响。由于布拉格定律中折射率和散射角相互耦合，当前瑞利-布里渊光散射法的研究对象主要是折射率比较小的气体，在实验过程中往往忽略待测流体和环境气体的折射率差异，对于其他流体一般采用小角度测量以尽量降低散射角的影响，但仍会引入约0.35％的误差。H.Bohidar,Brillouin scattering study of pressure dependence of hypersonicsound velocity in binary liquids,J.Phys.D:Appl.Phys.22(1989)1252-1256设计了一种45°角入射、-45°角接收散射光的实验本体，完全消除了散射角对音速测量的影响，但在不同音速范围内无法调整入射角度以使布里渊频移与Fabry-Perot干涉仪的自由波谱区相匹配。
鉴于此，本发明的主旨在于提出一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，基于瑞利-布里渊散射光谱特性，通过理论推导和合理设置光路对折射率与散射角进行解耦，并利用多角度扫描式测量的方法，从根本上消除散射角及噪声干扰对实验测量的影响，实现流体音速和折射率的同时测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，同时在对称及法线方向上接收瑞利-布里渊散射光谱，采用多角度扫描式测量的方法，可根据能源化工、国防军工、工业生产和科学研究等领域的需求进行流体音速和折射率的同时测量，从根本上消除散射角及噪声干扰对实验测量的影响，具有非接触测量、与本体尺寸精度无关和易于实现高温测量等特点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种同时测量流体音速与折射率的方法，包括以下步骤：
步骤一：布置光路；利用可移动的光阑依次调节格兰-泰勒棱镜和带有平面镜的电动转台的位置和方向，带有平面镜的电动转台使探测光发生90度偏转后射入实验本体中心，继续利用可移动的光阑、依次调节光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向后，通过调整带有平面镜的电动转台的位置和方向使探测光以入射角-ΘIN朝着光电探测器的方向射入实验本体，调整平面镜、光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向，各个光学器件的中心处于同一平面，调节聚焦透镜的位置，使其焦点分别与Fabry-Perot干涉仪的谐振腔中心重合，调节带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，使得离散的探测光分别在光电探测器的位置上重合；
步骤二：获取音速；调整带有平面镜的电动转台的方向，使探测光以入射角ΘIN朝着远离光电探测器的方向射入实验本体，不断调整带有平面镜的电动转台的位置，探测光在实验本体内较好地通过其法线方向，使得光电探测器除了能接收到瑞利峰，还能接收到布里渊峰及反布里渊峰，探测光的入射角ΘIN与对称方向-ΘIN的散射光波矢量q1存在以下关系：
Figure BDA0003139019690000021
其中，q1为对称方向散射光的波矢量，ΘIN为探测光与法线方向的夹角(入射角)，λ为探测光的波长，法线方向散射光的波矢量与散射角存在以下关系：
Figure BDA0003139019690000022
其中，q2为法线方向散射光的波矢量，n为待测流体的折射率，ΘS为探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)，根据音速、频移与波矢量之间的关系，利用公式(1)和(2)分别得到与对称方向和法线方向布里渊频移相关的音速测量公式：
Figure BDA0003139019690000031
Figure BDA0003139019690000032
其中，c为音速，v1为对称方向散射光的布里渊频移，v2为法线方向散射光的布里渊频移；
步骤三：获取折射率；根据折射定律，探测光的入射角、待测流体的折射率和探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)之间存在以下关系：
sinΘIN＝nsinΘS (5)
优选的，结合公式(3)、(4)和(5)，得到探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)、对称方向散射光的布里渊频移和法线方向散射光的布里渊频移之间的关系：
Figure BDA0003139019690000033
优选的，将公式(6)代入公式(5)中，得到折射率的测量方程：
Figure BDA0003139019690000034
其中，w为对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1/v2。
为了尽可能消除单个角度下系统误差对实验测量的影响，利用多角度扫描式测量方法进行流体音速和折射率的同时测量，在对称方向和法线方向同时接收散射光，两束散射角度存在差异的散射光分别经聚焦透镜和两个光阑后进入带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪进行滤波，之后由带有遮光筒的光电探测器接收并转换为TTL脉冲信号进行瑞利-布里渊光谱分析，将公式(3)和(7)分别改写为：
Figure BDA0003139019690000035
Figure BDA0003139019690000036
其中，ΘIN,i为多角度扫描测量时第i个探测光的入射角，v1,i为多角度扫描测量时第i个对称方向散射光的布里渊频移，w,i为多角度扫描测量时第i个对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1,i/v2,i，利用实验本体5控制待测物质的温度和压力，根据瑞利-布里渊散射光谱的采样时间与Fabry-Perot干涉仪自由波谱区之间的线性关系，将采集得到的对称方向和法线方向上的瑞利-布里渊散射光谱转换为频率坐标并获取布里渊频移，分别代入公式(8)和(9)中进行线性回归得到流体的音速和折射率，利用多角度扫描式测量方法得到一系列角度ΘIN,i下对称方向散射光的布里渊频移v1,i和对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比w,i，之后利用公式(8)拟合得到待测流体的音速；结合对称方向的布里渊频移、法线方向的布里渊频移以及探测光的角度，通过公式(9)拟合得到待测流体的折射率。
一种同时测量流体音速与折射率的装置，包括激光器，提供相干性较好的单纵模激光作为探测光；可调衰减器，用于调整探测光强度；格兰-泰勒棱镜，用于提高探测光的偏振比；带有平面镜的电动转台，用于调整探测光的入射方向和位置；实验本体，用于装载待测流体并对其进行温度和压力的测控，其与经所述带有平面镜的电动转台调整前的探测光方向相平行和垂直的中心截面方向分别称为平行方向和法线方向，经带有平面镜的电动转台反射后的探测光方向以平行方向为对称轴对称的方向称为对称方向；平面镜，用于调整对称方向散射光的接收角度；光阑用于减小散射光的光束直径；聚焦透镜，用于控制散射光的焦点位置；带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，用于对散射光进行滤波；带有遮光筒的光电探测器，用于将滤波后的散射光信号转换为TTL脉冲信号。
激光器发出单纵模激光，该探测激光穿过可调衰减器和格兰-泰勒棱镜后，经带有平面镜的电动转台反射后透射实验本体，由此激发出的散射光经平面镜反射后依次通过光阑、聚焦透镜、光阑和带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，最后被带有遮光筒的光电探测器接收；另一束反射光依次通过光阑、聚焦透镜、光阑和带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，最后被带有遮光筒的光电探测器接收，在多角度扫描测量时，需要同时调整带有平面镜的电动转台和平面镜的位置和偏转角度使探测光与散射光的交点始终位于实验本体的与经带有平面镜的电动转台反射前的探测光方向相平行的中心截面。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，通过设置对称及法线方向的散射光接收光路，利用不同角度下的瑞利-布里渊散射光谱对折射率与散射角进行解耦，同时得到流体的音速和折射率，并采用扫描式测量的方法，从根本上消除散射角与噪声干扰对实验测量的影响，具有非接触测量、与本体尺寸精度无关和易于实现高温测量等特点，在能源化工、国防军工、工业生产和科学研究等领域具有重要应用前景。
附图说明
图1是本发明的一较佳实施例的结构示意图；
附图中所用到的符号的含义如下：1是激光器；2是可调衰减器；3是格兰-泰勒棱镜；4是带有平面镜的电动转台；5是实验本体；6是平面镜；7、9、12和14是光阑；8和13是聚焦透镜；10和15是带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪；11和16是带有遮光筒的光电探测器。
图2是本发明中多角度扫描测量时第i个对称方向散射光的布里渊频移v1,i随第i个探测光的入射角sinΘIN,i变化的关系示意图；
图3是本发明中多角度扫描测量时第i个对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比wi随第i个探测光的入射角sinΘIN,i变化的关系示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
本发明提供一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，所述同时测量流体音速与折射率的装置包括：激光器，提供相干性较好的单纵模激光作为探测光；可调衰减器，用于调整探测光的强度；格兰-泰勒棱镜，用于提高探测光的偏振比；带有平面镜的电动转台，用于调整探测光的入射方向和位置；实验本体，用于装载待测流体并对其进行温度和压力的测控，其与经所述带有平面镜的电动转台反射前的探测光方向相平行和垂直的中心截面方向分别称为平行方向和法线方向，入射方向以法线方向为对称轴对称的方向称为对称方向；平面镜，用于调整对称方向散射光的接收角度；光阑，用于减小散射光的光束直径；聚焦透镜，用于控制散射光的焦点位置；带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，用于对散射光进行滤波；带有遮光筒的光电探测器，用于将所述带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪滤波后的散射光信号转换为TTL脉冲信号。
所述的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，其特征是：由激光器发出的探测光通过可调衰减器衰减后，进入格兰-泰勒棱镜进一步提高偏振消光比，利用带有平面镜的电动转台控制散射角度和散射中心的位置。在探测光的法线方向和对称方向分别放置平面镜以调整散射光的接收角度，两束散射角度存在差异的散射光经聚焦透镜和两个光阑后进入带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪进行滤波，之后由带有遮光筒的光电探测器接收并转换为TTL脉冲信号，该信号可由数据采集卡收集并传输到计算机进行瑞利-布里渊光谱分析。其中，对称方向的散射光波矢量只与探测光的波长、角度和散射光的布里渊频移有关，可用于音速的测量。结合对称方向的布里渊频移、法线方向的布里渊频移以及探测光的角度，则可以实现折射率的测量。
优选的，探测光的入射角ΘIN与对称方向-ΘIN的散射光波矢量q1存在以下关系：
Figure BDA0003139019690000061
其中，q1为对称方向散射光的波矢量，ΘIN为探测光与法线方向的夹角(入射角)，λ为探测光波长。法线方向散射光的波矢量与散射角存在以下关系：
Figure BDA0003139019690000062
其中，q2为法线方向散射光的波矢量，n为待测流体的折射率，ΘS为探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)。
优选的，根据音速、频移与波矢量之间的关系，利用公式(1)和(2)分别得到与对称方向和法线方向布里渊频移相关的音速测量公式：
Figure BDA0003139019690000063
Figure BDA0003139019690000064
其中，c为音速，v1为对称方向散射光的布里渊频移，v2为法线方向散射光的布里渊频移。
优选的，根据折射定律，探测光的入射角、待测流体的折射率和探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)之间存在以下关系：
sinΘIN＝nsinΘS (5)
优选的，结合公式(3)、(4)和(5)，得到探测光在待测流体内与法线方向的夹角(散射角)、对称方向散射光的布里渊频移和法线方向散射光的布里渊频移之间的关系：
Figure BDA0003139019690000071
优选的，将公式(6)代入公式(5)中，得到折射率的测量方程：
Figure BDA0003139019690000072
其中，w为对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1/v2。
优选的，为了尽可能消除单个角度下系统误差对实验测量的影响，利用多角度扫描式测量方法进行流体音速和折射率的同时测量，公式(3)和(7)可分别改写为
Figure BDA0003139019690000073
Figure BDA0003139019690000074
其中，ΘIN,i为多角度扫描测量时第i个探测光的入射角，v1,i为多角度扫描测量时第i个对称方向散射光的布里渊频移，wi为多角度扫描测量时第i个对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1,i/v2,i。
所述的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，包括光路调节与数据处理过程：
1)校正光路。为了使激光器射出的探测光与各个光学器件的中心处于同一平面，基于近处调光阑、远处调光学器件的原则，利用可移动的光阑依次调节第一平面镜、格兰-泰勒棱镜和带有平面镜的电动转台的位置和方向。带有平面镜的电动转台使探测光发生90度偏转后射入实验本体法线方向。继续利用可移动的光阑依次调节第三平面镜、光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向后，通过调整带有平面镜的电动转台的位置和方向使探测光以入射角-ΘIN朝着光电探测器的方向射入实验本体，调整第二平面镜、光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向，最终达到各个光学器件的中心处于同一平面的目的。调节聚焦透镜的位置，使其焦点与Fabry-Perot干涉仪的谐振腔中心重合。调节带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，使得离散的探测光在光电探测器的位置上重合。
2)调节光路。调整带有平面镜的电动转台的方向，使探测光以入射角ΘIN朝着远离光电探测器的方向射入实验本体。不断调整带有平面镜的电动转台的位置，探测光在实验本体内较好地通过其法线方向，使得光电探测器除了能接收到瑞利峰，还能接收到布里渊峰及反布里渊峰。之后，利用多角度扫描式测量方法得到一系列角度ΘIN,i下对称方向散射光的布里渊频移v1,i和对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比w,i。
3)数据处理。利用实验本体控制待测物质的温度和压力。根据瑞利-布里渊散射光谱的采样时间与Fabry-Perot干涉仪自由波谱区之间的线性关系，将对称方向和法线方向上的瑞利-布里渊散射光谱转换为频率坐标并获取布里渊频移，分别代入公式(8)和(9)中进行线性回归得到流体的音速和折射率。
如图1所示，本实施例提供的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置包括：激光器1，提供相干性较好的单纵模激光作为探测光；可调衰减器2，用于调整探测光强度；格兰-泰勒棱镜3，用于提高探测光的偏振比；带有平面镜的电动转台4，用于调整探测光的入射方向和位置；实验本体5，用于装载待测流体并对其进行温度和压力的测控，其与经所述带有平面镜的电动转台调整前的探测光方向相平行和垂直的中心截面方向分别称为平行方向和法线方向，经带有平面镜的电动转台反射后的探测光方向以平行方向为对称轴对称的方向称为对称方向；平面镜6，用于调整对称方向散射光的接收角度；光阑7、9、12和14，用于减小散射光的光束直径；聚焦透镜8和13，用于控制散射光的焦点位置；带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪10和15，用于对散射光进行滤波；带有遮光筒的光电探测器11和16，用于将滤波后的散射光信号转换为TTL脉冲信号。
图2是本发明一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置中4°～9°(间隔为0.5°)扫描测量时第i个对称方向散射光的布里渊频移v1,i随第i个探测光的入射角sinΘIN,i变化的关系示意图。图中的斜率为4355.26s-1，由于探测光波长为532nm，由公式(8)拟合得到待测流体的音速为1158.5m·s-1，此外音速测量的灵敏度和分辨率分别为2.2m·s-1·Mhz-1和2.2m·s-1，说明所述一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置在测量音速时具有良好的线性度、灵敏度和分辨率，并能抑制噪声信号的干扰。
图3是本发明一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置中4°～9°(间隔为0.5°)扫描测量时第i个对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比wi随第i个探测光的入射角sinΘIN,i变化的关系示意图。利用公式(9)拟合得到的斜率为1.362，即待测流体的折射率为1.362，此外折射率测量的灵敏度和分辨率分别为0.68和0.003，说明所述一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置在测量折射率时具有良好的线性度、灵敏度和分辨率，并能抑制噪声信号的干扰。
在本实施例中，所述激光器1是SambaTM高性能连续型二极管泵浦固态激光器(波长532nm)；带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪10和15是Thorlabs SA30-52扫描式Fabry-Perot干涉仪；11和16是带有遮光筒的光电探测器Hamamatsu H8259-01。待测流体是无水乙醇，温度范围是293.15，压力为0.1MPa。
所述的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，包括光路调节与数据处理过程：
1)校正光路。为了使激光器1射出的探测光与各个光学器件的中心处于同一平面，基于近处调光阑7、9、12和14、远处调光学器件的原则，利用可移动的光阑依次调节格兰-泰勒棱镜4和带有平面镜的电动转台4的位置和方向。带有平面镜的电动转台4使探测光发生90度偏转后射入实验本体5中心。继续利用可移动的光阑、依次调节光阑12和14、聚焦透镜13、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪15和带有遮光筒的光电探测器16的位置和方向后，通过调整带有平面镜的电动转台4的位置和方向使探测光以入射角-ΘIN朝着光电探测器10和16的方向射入实验本体，调整平面镜6、光阑7和9、聚焦透镜8、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪10和带有遮光筒的光电探测器11的位置和方向，最终达到各个光学器件的中心处于同一平面的目的。调节聚焦透镜8和13的位置，使其焦点分别与Fabry-Perot干涉仪10和15的谐振腔中心重合。调节带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪10和15，使得离散的探测光分别在光电探测器11和16的位置上重合。
2)调节光路。调整带有平面镜的电动转台4的方向，使探测光以入射角ΘIN朝着远离光电探测器11和16的方向射入实验本体5。不断调整带有平面镜的电动转台4的位置，探测光在实验本体5内较好地通过其法线方向，使得光电探测器11和16除了能接收到瑞利峰，还能接收到布里渊峰及反布里渊峰。之后，利用多角度扫描式测量方法得到一系列角度ΘIN,i(4°～9°，间隔为0.5°)下对称方向散射光的布里渊频移v1,i和对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比w,i。
3)数据处理。利用实验本体5控制待测物质的温度和压力，根据瑞利-布里渊散射光谱的采样时间与Fabry-Perot干涉仪自由波谱区之间的线性关系，将采集得到的对称方向和法线方向上的瑞利-布里渊散射光谱转换为频率坐标并获取布里渊频移，分别代入公式(8)和(9)中进行线性回归得到流体的音速和折射率。
本发明的一种同时测量流体音速与折射率的方法及装置，通过设置对称及法线方向的散射光接收光路，利用不同角度下的瑞利-布里渊散射光谱对折射率与散射角进行解耦，同时得到流体的音速和折射率，采用多角度扫描式测量的方法，从根本上消除散射角与噪声干扰对实验测量的影响，具有非接触测量、与本体尺寸精度无关和易于实现高温测量等特点，在能源化工、国防军工、工业生产和科学研究等领域具有重要应用前景。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种同时测量流体音速与折射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：布置光路；利用可移动的光阑依次调节格兰-泰勒棱镜和带有平面镜的电动转台的位置和方向，带有平面镜的电动转台使探测光发生90度偏转后射入实验本体中心，继续利用可移动的光阑、依次调节光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向后，通过调整带有平面镜的电动转台的位置和方向使探测光以入射角-ΘIN朝着光电探测器的方向射入实验本体，调整平面镜、光阑、聚焦透镜、带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪和带有遮光筒的光电探测器的位置和方向，各个光学器件的中心处于同一平面，调节聚焦透镜的位置，使其焦点分别与Fabry-Perot干涉仪的谐振腔中心重合，调节带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，使得离散的探测光分别在光电探测器的位置上重合；
步骤二：获取音速；调整带有平面镜的电动转台的方向，使探测光以入射角ΘIN朝着远离光电探测器的方向射入实验本体，不断调整带有平面镜的电动转台的位置，探测光在实验本体内较好地通过其法线方向，使得光电探测器除了能接收到瑞利峰，还能接收到布里渊峰及反布里渊峰，探测光的入射角ΘIN与对称方向-ΘIN的散射光波矢量q1存在以下关系：
Figure FDA0003790960040000011
其中，q1为对称方向散射光的波矢量，ΘIN为探测光与法线方向的夹角即入射角，λ为探测光的波长，法线方向散射光的波矢量与散射角存在以下关系：
Figure FDA0003790960040000012
其中，q2为法线方向散射光的波矢量，n为待测流体的折射率，ΘS为探测光在待测流体内与法线方向的夹角即散射角，根据音速、频移与波矢量之间的关系，利用公式(1)和(2)分别得到与对称方向和法线方向布里渊频移相关的音速测量公式：
Figure FDA0003790960040000013
Figure FDA0003790960040000014
其中，c为音速，v1为对称方向散射光的布里渊频移，v2为法线方向散射光的布里渊频移；
步骤三：获取折射率；根据折射定律，探测光的入射角、待测流体的折射率和探测光在待测流体内与法线方向的夹角即散射角之间存在以下关系：
sinΘIN＝nsinΘS (5)
结合公式(3)、(4)和(5)，得到探测光在待测流体内与法线方向的夹角即散射角、对称方向散射光的布里渊频移和法线方向散射光的布里渊频移之间的关系：
Figure FDA0003790960040000021
将公式(6)代入公式(5)中，得到折射率的测量方程：
Figure FDA0003790960040000022
其中，w为对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1/v2；
为了消除单个角度下系统误差对实验测量的影响，利用多角度扫描式测量方法进行流体音速和折射率的同时测量，在对称方向和法线方向同时接收散射光，两束散射角度存在差异的散射光分别经聚焦透镜和两个光阑后进入带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪进行滤波，之后由带有遮光筒的光电探测器接收并转换为TTL脉冲信号进行瑞利-布里渊光谱分析，将公式(3)和(7)分别改写为：
Figure FDA0003790960040000023
Figure FDA0003790960040000024
其中，ΘIN,i为多角度扫描测量时第i个探测光的入射角，v1,i为多角度扫描测量时第i个对称方向散射光的布里渊频移，wi为多角度扫描测量时第i个对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比v1,i/v2,i，利用实验本体控制待测物质的温度和压力，根据瑞利-布里渊散射光谱的采样时间与Fabry-Perot干涉仪自由波谱区之间的线性关系，将采集得到的对称方向和法线方向上的瑞利-布里渊散射光谱转换为频率坐标并获取布里渊频移，分别代入公式(8)和(9)中进行线性回归得到流体的音速和折射率，利用多角度扫描式测量方法得到一系列角度ΘIN,i下对称方向散射光的布里渊频移v1,i和对称方向与法线方向散射光的布里渊频移之比wi，之后利用公式(8)拟合得到待测流体的音速；结合对称方向的布里渊频移、法线方向的布里渊频移以及探测光的角度，通过公式(9)拟合得到待测流体的折射率。
2.采用如权利要求1所述方法的一种同时测量流体音速与折射率的装置，其特征在于，包括激光器，提供相干性较好的单纵模激光作为探测光；可调衰减器，用于调整探测光强度；格兰-泰勒棱镜，用于提高探测光的偏振比；带有平面镜的电动转台，用于调整探测光的入射方向和位置；实验本体，用于装载待测流体并对其进行温度和压力的测控，其与经所述带有平面镜的电动转台调整前的探测光方向相平行和垂直的中心截面方向分别称为平行方向和法线方向，经带有平面镜的电动转台反射后的探测光方向以平行方向为对称轴对称的方向称为对称方向；平面镜，用于调整对称方向散射光的接收角度；光阑用于减小散射光的光束直径；聚焦透镜，用于控制散射光的焦点位置；带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，用于对散射光进行滤波；带有遮光筒的光电探测器，用于将滤波后的散射光信号转换为TTL脉冲信号。
3.根据权利要求2所述的一种同时测量流体音速与折射率的装置，其特征在于，激光器发出单纵模激光，探测激光穿过可调衰减器和格兰-泰勒棱镜后，经带有平面镜的电动转台反射后透射实验本体，由此激发出的散射光经平面镜反射后依次通过光阑、聚焦透镜、光阑和带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，最后被带有遮光筒的光电探测器接收；另一束反射光依次通过光阑、聚焦透镜、光阑和带有函数发生器的Fabry-Perot干涉仪，最后被带有遮光筒的光电探测器接收，在多角度扫描测量时，需要同时调整带有平面镜的电动转台和平面镜的位置和偏转角度使探测光与散射光的交点始终位于实验本体的与经带有平面镜的电动转台反射前的探测光方向相平行的中心截面。
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