CN115436013A - 一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，涉及流体涡量测量技术领域；本发明方法通过光束扫描和外差探测技术，获取至少三个独立方向上的旋转多普勒频移，根据频移信息得到每个方向上的涡量信息，再进行矢量合成，即可得到光束照射区域内的三维涡量分布信息。本发明方法可以在保证空间分辨率的同时，避免添加探针粒子的操作，在流体涡量测量中具有重要的应用前景。

Description

一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法

技术领域

本发明涉及流体涡量测量技术领域，尤其是一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法。

背景技术

在流体力学中，通常将速度矢量场υ的旋度▽×υ称为涡量，涡量在流体力学中起着至关重要的作用，对涡量的精确测量在生物微流体技术、海洋和大气边界层的复杂运动、流体空气动力学等众多领域都有着极为重要的作用，但精确测量流体涡量是非常困难的。

传统的涡量光学测量方法主要有粒子图像速度测定法(PIV)和激光多普勒(Doppler)测速法(LDV)，其思路是获取实时的速度场分量，对速度分量差分得到涡量场分量。这类方法需要同时测量一定封闭空间中不同位置处的速度矢量，通过有限差分的方法获得空间梯度。但实际测量过程中，流体测量需要在一定区域内积分，故上面的方法只能得到某一区域内的平均涡量，涡量的精度受限于速度差分的精度。

为了克服上述方法的缺点，研究者们利用成像技术来观察流体的局部旋转，如涡量光学探针方法(VOP)。将探针粒子嵌入流体中，探针粒子会随着流体的旋转而运动，利用高斯光束照亮这些粒子，从而通过测量探针粒子的角动量间接获得流体的涡量。该类方法的测量精度高，但并非所有情况下都可以方便地在待测流体中加入探针粒子。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，具有空间分辨率高、操作简单的特点。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，包括以下步骤：

S1，利用激光器产生激光，将激光器所产生的激光分为两束，其中一束激光作为本振光，另外一束激光经调制得到涡旋光束，再调节涡旋光束的发散角得到聚焦涡旋光束；

S2，将聚焦涡旋光束沿一定角度照射待测区域，得到散射光；

S3，将得到的散射光与所述本振光进行干涉，利用光电探测器接收干涉后的光束得到中频光电流，对中频光电流信号分析处理后得到该照射角度下相对应的涡量；

S4，改变聚焦涡旋光束的照射角度，按照步骤S2～S3的方式共进行三个照射角度下的测量，分别得到三个照射角度下相对应的涡量，利用三个照射角度下相对应的涡量进行矢量合成得到该待测区域内的三维涡量场分布。

优选的，步骤S3中，涡量的计算方式如下所示：

ω＝(4π/m)<f_⊥>

其中，ω为流体涡量；m为聚焦涡旋光束的拓扑荷；<f_⊥>为中频光电流信号即回波信号的频移质心，即信号频谱的加权平均。

优选的，回波信号的频移质心<f_⊥>的测量方法如下所示：

其中，F_S为采样频率，f_⊥为回波信号的频移，I(f_⊥)为旋转多普勒效应的功率谱，M为采样样本的总数量，k为采样样本的序号，f_⊥k为第k个采样样本的频率信道值，I_k为第k个采样样本对应的功率值。

优选的，步骤S3基于外差探测技术得到涡量。

优选的，步骤S4中，此三个照射角度分别为θ₁、θ₂、θ₃，此三个照射角度下相对应的涡量分别为ω_Z、ω_N、ω_E；以照射角度θ₁的照射方向为z轴，照射角度θ₂的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₂₁，照射角度θ₃的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₃₁，且γ₂₁＝γ₃₁＝γ；

得到该区域内的三维涡量场分布ω如下所示：

ω_x＝(ω_E-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_y＝(ω_N-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_z＝ω_Z

ω＝(ω_x,ω_y,ω_z)

其中，ω_z为三维涡量沿z轴的分量，ω_x为三维涡量沿x轴的分量，ω_y为三维涡量沿y轴的分量。

优选的，步骤S4中，利用光束扫描技术改变聚焦涡旋光束的照射角度。

优选的，步骤S1中，利用激光器产生基模高斯光束，采用分光棱镜将基模高斯光束分为1：1的两束激光。

优选的，步骤S1中，另外一束激光采用加载叉型衍射光栅的液晶空间光调制器进行调制得到涡旋光束。

优选的，步骤S1中，通过透镜调节涡旋光束的发散角得到聚焦涡旋光束；所述涡旋光束类型为拉盖尔-高斯光束。

优选的，步骤S2，调节聚焦涡旋光束的聚焦半径和发射孔径，使得待测区域完全处于聚焦涡旋光束的环状光斑内。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种空间分辨率高、操作简单的流体三维涡量测量方法。

(2)本发明通过光束扫描和外差探测技术，获取至少三个独立方向上的旋转多普勒频移，根据频移信息得到每个方向上的涡量信息，再进行矢量合成，即可得到光束照射区域内的三维涡量分布信息。这种技术可以在保证空间分辨率的同时，避免添加探针粒子的操作，在流体涡量测量中具有重要的应用前景。

(3)本发明提供的涡量测量方法，可通过增大测量光束的拓扑荷，增大旋转多普勒频移，从而进一步提高涡量的测量精度。

附图说明

图1为本发明的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法流程图。

图2为光束扫描法涡量合成原理图。

图3为流体三维涡量测量实验的光路原理。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，通过光束扫描和外差探测技术，获取至少三个独立方向上的旋转多普勒频移，根据频移信息得到每个方向上的涡量信息，再进行矢量合成，即可得到光束照射区域内的三维涡量信息。这种技术可以在保证空间分辨率的同时，避免添加探针粒子的操作，在流体涡量测量中具有重要的应用前景。

由图1所示，一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，具体步骤如下所示：

S1，利用激光器产生激光，将激光器所产生的激光分为两束，其中一束激光作为本振光，另外一束光先通过调制得到涡旋光束，再通过透镜调节涡旋光束的发散角，得到聚焦涡旋光束；

本实施例中，利用激光器产生基模高斯光束，采用分光棱镜将基模高斯光束分为1：1的两束光；另一束光的调制手段可采用加载叉型衍射光栅的液晶空间光调制器、螺旋相位板等；所述涡旋光束以拉盖尔-高斯光束为例。

S2，将聚焦涡旋光束沿一定角度照射待测区域，得到散射光。

步骤S2中，调节聚焦涡旋光束的聚焦半径、发射孔径，使得待测区域完全处于聚焦涡旋光束的环状光斑内，从而得到尽可能强的散射光；

所述聚焦涡旋光束的拓扑荷为m，对于拉盖尔-高斯光束，聚焦涡旋光束的环状光斑半径

其中，w₀为拉盖尔-高斯光束的束腰半径。

S3，基于外差探测技术，将得到的散射光与本振光进行干涉，利用光电探测器接收干涉后的光束，得到中频光电流，对中频光电流信号进行分析处理后得到该照射角度下相对应的旋转多普勒频移。

此外，涡量与旋转多普勒频移的关系如下所示：

ω＝(4π/m)<f_⊥>

其中，ω为流体涡量，m为聚焦涡旋光束的拓扑荷，<f_⊥>为中频光电流信号即回波信号的频移质心，即回波信号频谱的加权平均，<f_⊥>通常为几十赫兹～几百赫兹，<f_⊥>的测量方法如下所示：

其中，F_S为采样频率，f_⊥为回波信号的频移，I(f_⊥)为旋转多普勒效应的功率谱，M为采样样本的总数量，k为采样样本的序号，f_⊥k为第k个采样样本的频率信道值，I_k为第k个采样样本对应的功率值。

S4，利用光束扫描技术改变聚焦涡旋光束的照射角度，按照步骤S2～S3的方式共进行三个照射角度下的测量，分别得到三个照射角度下相对应的涡量，利用三个照射角度下相对应的涡量进行矢量合成得到该区域内的三维涡量分布；

本实施例中，由图2所示，此三个照射角度分别为θ₁、θ₂、θ₃，此三个照射角度下相对应的涡量分别为ω_Z、ω_N、ω_E；以照射角度θ₁的照射方向为z轴，照射角度θ₂的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₂₁，照射角度θ₃的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₃₁，且γ₂₁＝γ₃₁＝γ；利用三个照射角度下相对应的涡量进行矢量合成得到该区域内的三维涡量场分布ω如下所示：

ω_x＝(ω_E-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_y＝(ω_N-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_z＝ω_Z

ω＝(ω_x,ω_y,ω_z)

其中，γ为光束扫描的圆锥顶角，即聚焦涡旋光束俯仰角的余角。

本实施例中，流体三维涡量测量实验的光路原理如图3所示，液晶空间光调制器上加载了特定的叉型衍射光栅，采用氦氖激光器产生激光。

此外，为了验证本发明方法的有效性，通过热线风速仪得到大气湍流模拟池中的风速场分布后，利用下述公式计算得到三维涡量分布：

其中，大气湍流模拟池中可以提供局域稳定风速场，通过热线风速仪测量得到该区域内的风速场分布。

最后将通过旋转多普勒效应测得的三维涡量分布结果与该结果进行比对，初步的实验结果表明，两种方法的误差在10％以内，从而验证了本发明方法的有效性。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用激光器产生激光，将激光器所产生的激光分为两束，其中一束激光作为本振光，另外一束激光经调制得到涡旋光束，再调节涡旋光束的发散角得到聚焦涡旋光束；

S2，将聚焦涡旋光束沿一定角度照射待测区域，得到散射光；

S3，将得到的散射光与所述本振光进行干涉，利用光电探测器接收干涉后的光束得到中频光电流，对中频光电流信号分析处理后得到该照射角度下相对应的涡量；

S4，改变聚焦涡旋光束的照射角度，按照步骤S2～S3的方式共进行三个照射角度下的测量，分别得到三个照射角度下相对应的涡量，利用三个照射角度下相对应的涡量进行矢量合成得到该待测区域内的三维涡量场分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S3中，涡量的计算方式如下所示：

ω＝(4π/m)<f_⊥>

其中，ω为流体涡量；m为聚焦涡旋光束的拓扑荷；<f_⊥>为中频光电流信号即回波信号的频移质心，即信号频谱的加权平均。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，回波信号的频移质心<f_⊥>的测量方法如下所示：

其中，F_S为采样频率，f_⊥为回波信号的频移，I(f_⊥)为旋转多普勒效应的功率谱，M为采样样本的总数量，k为采样样本的序号，f_⊥k为第k个采样样本的频率信道值，I_k为第k个采样样本对应的功率值。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S3基于外差探测技术得到涡量。

5.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S4中，此三个照射角度分别为θ₁、θ₂、θ₃，此三个照射角度下相对应的涡量分别为ω_Z、ω_N、ω_E；以照射角度θ₁的照射方向为z轴，照射角度θ₂的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₂₁，照射角度θ₃的照射方向与照射角度θ₁的照射方向之间的夹角为γ₃₁，且γ₂₁＝γ₃₁＝γ；

得到该区域内的三维涡量场分布ω如下所示：

ω_x＝(ω_E-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_y＝(ω_N-ω_Zcosγ)/sinγ

ω_z＝ω_Z

ω＝(ω_x，ω_y，ω_z)

其中，ω_z为三维涡量沿z轴的分量，ω_x为三维涡量沿x轴的分量，ω_y为三维涡量沿y轴的分量。

6.根据权利要求1或5所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S4中，利用光束扫描技术改变聚焦涡旋光束的照射角度。

7.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S1中，利用激光器产生基模高斯光束，采用分光棱镜将基模高斯光束分为1：1的两束激光。

8.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S1中，另外一束激光采用加载叉型衍射光栅的液晶空间光调制器进行调制得到涡旋光束。

9.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S1中，通过透镜调节涡旋光束的发散角得到聚焦涡旋光束；所述涡旋光束类型为拉盖尔-高斯光束。

10.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的流体三维涡量测量方法，其特征在于，步骤S2，调节聚焦涡旋光束的聚焦半径和发射孔径，使得待测区域完全处于聚焦涡旋光束的环状光斑内。

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