JPH05504194A

JPH05504194A - レーザー・ドップラー・スペクトル・イメージ・コンバータを利用した流体速度場測定システム

Info

Publication number: JPH05504194A
Application number: JP90507633A
Authority: JP
Inventors: コミネ．ヒロシ
Original assignee: ノースロップ　コーポレーション
Priority date: 1988-06-06
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1993-07-01
Also published as: DE68924602D1; DE68924602T2; EP0506657B1; EP0506657A1; WO1991010143A1; US4919536A; EP0506657A4

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】レーザー・ドツプラー・スペクトル・イメージ・コンバータを利用した流体速度場測定システム発明の技術分野本発明は、流体の流の速度場を測定する改良技術に関し、特に、レーザー・ドツプラー・スペクトル・イメージの解析を用いたガス流及び液体流の速度場の測定技術に係わる。

従来の技術流れを被テスト物体と相互作用させる風洞においてジェットエンジンの排気流を測定したり、種々の迎え角においてジェット機の空気力学的な測定をするといった流れの速度場を測定する既存の方法は、主として単一点のレーザー・ドツプラー速度（ＬＤＶ）に基づくものであり、これは、２次元もしくは３次元領域にわたってデータを得るためには空間的な走査のサイクルを何回か繰り返すことが必要となる。この技術の基本的な原理は、Ｌ、　Ｅ、　Ｄｒａｉｎ著「レーザードツプラー技術（Ｔｈｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）Ｊ　（Ｗｉｌｙ、　Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ、　１９８０）という本で議論されている。このような走査サイクルの繰り返しは、実行するのに時間がかかるとともに、技術的にも流れが安定なものに限られる。

不安定な乱流に対しては、従来のＬＤＶ技術の限界を克服するために、複数点の速度測定の方法が試みられている。Ｗ　、　Ｔ　、Ｍａｙｏ他の「流体速度の視覚化及び測定のための新しいドツプラーホログラフィ−技術（Ｎｅｗ　Ｄｏｐｐｌｅｒ　ＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＴｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｆｌｕｉｄ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）Ｊ　Ａｐ吹AＯｐｔ、１０゜２１１９（１９７１）という論文において開示された一つの方法は、単色のレーザービームによって照射した流れの中の微粒子によるドツプラー偏移を映像化するための光学的なヘテロゲイン受光器を利用している。サンプル領域から散乱された光は結像され、そして速度成分の等しい点を結んだ２次元的な経路（等風速線）を表すホログラムを生成するために基準レーザービームが用いられる。基準レーザーの周波数を変えると、得られる等風速線の測定は異なる。この方法の欠点は、所定の等風速線の測定に対して高い速度解像度を得るためには、長い露光時間か必要だということである。露光時間がこのように長いとホログラフィ−記録の効率が低下するので望ましくないとともに、光学装置の機械的振動のために実際の測定かできないことがあり得る。

ドツプラー偏移を生じる散乱をイメージ化する別の方法が、Ｂｅ１ｏｕｓｏｖ他による「流速場の視覚化（Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｆｌｏｗ− Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｆｉｅｌｄ月０ｐｔ−３ｐｅｃｔｒｏｃ（ＵＳＳＲ）５２，５２４（１９８２）という論文において説明されている。そこでは、周波数偏移を強度変化に変換するために、一つの態様として半共焦点（ｓｅｍｉｃｏｎｆｏｃａｌ）の干渉計を広帯域の空間周波数フィルター及び共鳴スペクトル周波数フィルターとして使用する、コヒーレントフィードバックを伴う光学プロセッサか使用されている。

この種の光学フィードバンクプロセッサでは、幾何学的形状及び収差が直接的にスペクトル解像度及びグイナミノクレンジに関係するので、干渉計の配列が重要な要素となる。

光の散乱というアプローチとは別の方法が、Ｈｉｌｌｅｒ他による「亜音速のガス流における速度場の測定のためのレーザー誘起による蛍光技術（Ｌａｓｅｒ− ＩｎｄｕｃｅｄＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｉｎ　５ｕｂｓｏ獅奄メ@ＧａｓＦｌｏｗｓ）Ｊ　Ｏｐｔ、Ｌｅｔｔ、８．４７４（１９８３）という論文において開示されている。そこでは速度場を定量的に視覚化するめに、流れの中に含ませられた移動する分子がレーザーに誘起されて発生する蛍光を用いている。この技術は、ヨウ素分子の蒸気を含んだ流れの領域を照射するために光の形状がシート状とされた単色のレーザービームを使用している。レーザーの周波数は、線形傾斜部分近傍のヨウ素の一つの吸収曲線のウィング（ｗｉｎｇ）に同調させる。

ビームの経路に沿ったこの分子の運動は、自由な流れの値に対する運動の相対的な大きさ及び方向に依存して吸収が大きくなったり小さくなったりする。吸収された光はより長い波長の蛍光として再び放射され、この蛍光は適当なカラーフィルターを通して観測することができる。従って蛍光の強度は速度成分の目安となる。この技術は、ヨウ素を含ませることが可能な状況の場合に限定される。

従って、機械的な振動の影響を受けず、またスペクトル解像度及び測定のダイナミックレンジかシステムの幾何学的形状に依存せず光学的収差の影響も受けない、流れの速度場を測定し視覚化するためのシステムが望まれている。説明した従来の技術の更なる改良のひとつは、流れの場にヨウ素などの有毒な物質を含ませないで、既存の大きな風洞の中で速度の測定を行うことができるようになることである。

発明の目的本発明の一般的な目的は、リアルタイムのドツプラー効果に基づいた流体速度測定システムを提供することである。

更に一般的な目的は、流れの媒体の外部に配置され流れの中の移動する微粒子から散乱されたレーザー光によるイメージのドツプラー偏移を用いて斜上の流れの速度場成分を解析するための２次元光学吸収フィルターを使用し、蛍光を発するものである必要はない原子状又は分子状の蒸気をフィルターの作用媒体として使用し、そして基準イメージによるイメージ強度の正規化を行って強度から速度へのリアルタイムのイメージ変換及び較正を与える、上記の特徴を持ったド・ンブラー速度測定システムを与えることである。

本発明の別の目的は、速度強度の値から疑似カラー表示を作り出し、視覚化を容易にするために強度に従って色合いを変化させる、斜上の特徴を持った速度場の測定システムを提供することである。

本発明の更に別の目的は、受けとるイメージか変化したときにはその受け取ったイメージの変化に従って表示の更新を行うようリアルタイムで動作する、斜上の特徴を持った疑似カラー表示を提供することである。

本発明の更に別の目的は、各フレーム期間中に各表示フレーム内で速度場の瞬間的な値がリアルタイムで捉えられるとともに不安定な流れを一連のフレームにわたって微細に調べることができるように、照射用光源をｌくルス状とした速度場測定システムを与えることである。

発明の概要本発明は、流れの速度場の測定及び定量的な視覚化のためのレーザードツプラースペクトルのイメージ解析に基づくものである。

微粒子を含ませた流れの場は、平行光線とされた単色のシート状のレーザー光で照射される。微粒子の移動（流れの速度を表すものと想定される）に起因してドツプラー偏移した散乱は、光学系によって結像される。光学的な周波数−強度コンバーター（すなわちスペクトルイメージの検光子（ａｎａｌｙｚｅｒ）　）は、透過したイメージカルーザービームの方向及び観測者の方向によって決定されるある方向に沿った流れの速度成分の瞬間的な２次元の測定値を含むよう、イメージ面の位置に設けられる。例えばドツプラー周波数の高い方又は低い方への偏移は、それぞれコンバーターの透過率の高低によって表される。一様な照射及び散乱のもとでは、等しい強度で透過する領域は等風速線に対応する。これらのイメージは、直接に又はＴＶ／２−Ｄアレーカメラを通して観測することかでき、コンピュータシステムを介してモニターし処理することかできる。

新規なスペクトルイメージの検光子は周波数−強度変換が可能である。検光子は、線形部分のある吸収線を有する狭い線幅のアブソーバ−を含んだ薄い光学フィルターセルである。レーザー周波数は線形部分近傍の吸収線の一方の側に同調させる。自由な流れの場合（流れの経路に物体がない場合）に対するフィルターの透過率を、かりにフィルターの５０％の動作ポイントに設定する。動作ポイントよりも高い周波数へドツプラー偏移する散乱は、吸収線から更に離調されてより高い透過を生じさせる。そして低い方へ偏移する散乱は透過率か小さくなる吸収ピークに近づく。変換プロセスは吸収スペクトルのみに依存し、微細な角度や装置の空間的性質には依存しないので、スペクトルイメージの検光子の視界は広く機械的振動にも影響を受けない。このことは、前述のＭａｙｏ他及びＢｅ１ｏｕｓｏｖ他の従来の方法と対照的である。本発明は、流体流の外部の検出システムに収容された狭い線幅のアブソーバ−を利用するので、流れの場自身にはアブソーバ一種、すなわち例えばＨｉｌｌｅｒ他の方法におけるヨウ素など、を含ませる必要はない。このため本方法は、既存の大きな風洞において実施することかできる。

本発明は、シート状の光に対して相対的に同一平面にない二つ又は三つのイメージ検光子によって２次元領域の二つ又は三つのベクトル成分を同時に測定する場合に拡張することかできる。このような構成のもとで記録されたイメージは、ベクトル場を生成するようプログラムされたコンピュータによって処理することかできる。この技術の３次元の場の測定への拡張は、単純にシート状のレーザー光を新しい位置及び時間へ連続的に移動させることによって可能となる。スペクトルイメージの検光子及び解析したイメージの正規化を用いないでイメージを得ることによって照射強度及び散乱が一様でない場合を取り扱うためにも、コンピュータイメージ処理を使用することができる。

これ以外の特徴及び目的と同様に本発明をよりよく理解するために、添付図面と関連させてなされた以下の説明を参照することができる。

図面の簡単な説明図１は、本発明の２次元流れ場速度計システムの概略図である。

図２は、散乱されたレーザー輻射のドツプラー偏移したスペクトルの計算を例示したグラフである。

図３は、ドツプラー偏移と対応する代表的な吸収媒体の透過率の値の間の関係を例示したグラフである。

図４は、ガウス曲線型の透過率曲線のグラフである。

図５は、ローレンツ曲線型の透過率曲線のグラフである。

図６は、一部を断面図、一部を概略図とした、本発明のシステムにおいて利用される新規なスペクトルイメージ検光子の側面図である。

図７は、本発明のスプリットビームイメージ正規化方法を実行するための装置の概略ダイヤグラムである。

図８は、図７の装置を動作させるためのアナログ回路のブロックダイアグラムである。

発明の詳細な説明本発明に基づく２次元流れ場の速度計システムの概略ダイアグラムを図１に示す。このシステムのシート状の光源は、レーザービーム１１を発生するアルゴンレーザー若しくはＮｄ　：　ＹＡＧレーザーなどの周波数を安定化した単色のレーザー１０、光の方向を決めるミラーもしくは光フアイバーケーブルなどからなる伝送手段１２、及びビームの拡張器（ｅｘｐａｎｄｅｒ）／コリメーターからなる光学系１４からなる。光学系１４から得られるビーム１６は、一定の厚さ及び幅を有する薄いシート状となっている。このシート状の光は一つ若しくは複数の面で流れ場１８の断面を照射するか、このうちの一つの面２０を図示しである。

図には示してないが、流れ場は風洞の内部に支持されており、通常はこの風洞の中で既述の種類の測定か行われる。一部を反射するビームスプリッタ−及びビームの方向を定める別のミラーを用いることによって、いくつかの面を同時に照射するようにすることもできる。レーザー光は従って微粒子の運動を効率的にサンプルするためにパルス状とされ、短い持続時間だけ流れ場を照射する。これによって、特に、流れ場を一定のレーザー光で照射した場合には測定不可能である不安定な流れにも適合する２次元の時分割した速度測定が可能となる。

流れ場には煙又は霧状の微粒子が含ませてあり、これらは流れ場の運動によって照射面２０を通って運ばれる。そしてこれらの微粒子は、流れの中での自分自身の運動によるトンブラー成分を付加してレーザー光を散乱する。なお本発明はまた、微小で軽いスチレンの球若しくはその他の固体の微粒子を含ませることによって、液体の流れを測定する場合にも使用することができる。中に含ませた電照）は、散乱されたレーザー輻射のドツプラー偏移したスペクトルを生じさせる。

偏移△νは、位置ｒにおいて速度ベクトルＶとの間に、周知の公式６式％）という関係かある。ここでしはレーザーの周波数で、Ｃは光速である。従って照射面２０内の全ての点について、散乱された光にはレーザーの周波数に対して周波数偏移△νが生じる。散乱効果のより詳しい説明のため図２を参照すると、点Ｐにおける流れは三つの成分を持つベクトルによって表される。ドツプラー偏移が測定された場合、それは観測者の視軸に沿ったものである。換言すると、レーザービームによって調べようとする流れ場の面にある点（すなわちＰ　（ｘ、ｙ、ｚ））において観測された（本発明の場合スペクトルイメージの検光子２４の位置）ドツプラー偏移は、視軸に沿った流れの成分である。座標点ｘ、ｙ、ｚにおいて流れ観測者０　（ｘ’　、ｙ’、ｚ’）は図示するように任意の位置ａにあり、観測者の位置とレー（観測者の方向を向く単位長さ）によって表される。

レーザー光は、調べようと次のようである。すなわち、光は移動する微粒子上で輝き、観測者が見ている空間領域からのこの散乱光は、観測者の方向においてドツプラー偏移によって周波に平行でかつ逆向きに進むと仮定する（観測者は後方散乱光を見ていることになる）。その場合ドツプラー偏移は、ＣＣと仮定する。

周知のように、ベクトルの内積によって観測者及びレーザービームか存在する位置に依存する場のベクトル成分の射影が得られる。上で仮定した簡単な場合で置にありレーザービームの周波数が固定されているとするならば、このベクトル合に得られるものとは異なったものとなる。内積をとると、流れのベクトルは異なる軸上に射影される。従って検出器の適当な位置を選択することによって、流れのベクトルと互いに直交する三つの単位ベクトルとの内積により調べようとする点におけるトンブラー偏移について必要な情報のすへてか与えられる（希望する流れの情報の正確さによって、一つ、二つ、又は三つの検出器を使用することもできることに留意する）。

散乱された光を集めるためのカメラレンズなどからなる光学系２２はイメージを生成し、その周波数スペクトルにおいて２次元速度場の情報を含んでいる。このイメージはスペクトルイメージ検光子２４（後により詳しく説明する）を通って伝達され、この透過率の値は散乱された輻射周波数の特有の関数である。本発明では検光子２４は、その吸収ウィング（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　ｗｉｎｇ）か周波数から透過強度への変換過程を与える、狭帯域周波数感応アブソーバ−の薄いシートを含んでいる。こうしてレーザードツプラー散乱イメージは強度で重み付けされた速度に比例する強度変化を有するイメージに変換され、このイメージは直接に、又は例えばテレビカメラや表示モニターを有する２次元ホトディテクターアレーなどの適当な検出装置２６を通して観測することかできる。

観測されたイメージは、装置２６から受け取ったイメージ情報を処理するためのプログラム可能な処理装置すなわちコンピュータ２８によって、定量的な速度成分のイメージに変換される。この情報処理には、以前の較正手順から関数関係が分かっている強度の関数として速度値を割り当てることか含まれる。この割当処理は、空間解像度の各イメージ点について実行される。処理されたイメージはその後、等しい速度成分を結んだ２次元経路（等風速線１ｓｏｔａｃｈ）として表示することかできる。流れ場における異なる断面位置において得られたイメージに対して上の手順を繰り返すことによって、３次元の等風速線を得ることができる。

このような手順の２成分若しくは３成分のベクトル場の測定への拡張は、上述のようにドツプラースペクトルから互いに直交する三つの速度成分か得られる適当な位置にそれぞれ配置した二つ若しくは三つのスペクトルイメージ検光子を用い、適当なベクトル場を与えるようプログラムされたコンピュータ２８を用いることによって、なされる。

強度で重み付けされたスペクトルイメージは、一様な強度のレーザー照射及び微粒子による散乱によって得られると仮定してきた。このような仮定は、シート状のレーザー光に局所的な一様でない強度があったり又は含ませた微粒子の密度分布か流れの変動によって一様でない場合には、常に正しいとは言えない。このような状況のもとで１載！Ｉｉ麿で重み付けされなスペクトルのイメージ解析に細いて散乱される強度の変化を考慮しなければならない。これには二つの方法かある。

スプリットビーム法は、スペクトルイメージ検光子２４を使用しないで基準イメージ検出器を用いる。かかる構成では５０％ビームスプリッタ−によって、光学系２２からの観測されたイメージか二つの経路に分割され、このうちの一つはスペクトルイメージ検光子２４に対するもので、もう一つは検出器２６と同様の基準イメージ検出器に対するものである。イメージフィールドがこれら二つの検出器の間で調整された後は、解析されたイメージの強度は、後述する図７及び図８において示すように処理装置２８において基準イメージにおける対応する点の強度に正規化される（検光子２４を透過した後の強度の値は基準イメージ検出器の出力によって空間の各点毎に分割される）。

もう一つの規格化方法では、検出器２６のフレーム間隔よりも長い期間で分離された二つのレーザーパルスを使用する。このようなパルスは同調可能な一つのレーザーによって、又は独立に同調可能な二つのレーザーによって発生させることができる。この第１のレーザーパルスは、ドツプラー偏移した任意の輻射に減衰か生しないよう吸収ウィングからは遠く離れた周波数を持つ。従ってスペクトル検光子を透過したイメージは、第２の検出器を必要としないで効率的に基準イメージを生じさせる。第２のレーザーパルスは、ドツプラースペクトルイメージを捉えるために適正な照射周波数を有している。処理装置２８におけるこれらの連続的なイメージによるイメージ強度の正規化は、適正な速度情報を生じる。この技術に対する基本的な要件は、一定でない速度場の正確な正規化測定か可能となるように、パルスとパルスの時間間隔かシート状の光のビーム１６の厚さを横切る微粒子の通過時間よりも短くなければならないということである。実際はシート状の光は約１画の厚さであり、亜音速の速度では通過時間は数マイクロ秒程度の短さである。連続するイメージフレームの間隔がこの通過時間よりも長いならば、この方法が正確と言えるのは、速度場がフレーム間隔の間で実質的に変化しないような相対的にほぼ安定とみなせるような流れに対してだけである。

スペクトルイメージ検光子２４の設計上の要件には、ダイナミックレンジ、周波数解像度、透過解像度、空間解像度、及び一様性などが含まれる。これらの要件については、原子状蒸気又は分子状ガスからなる吸収媒体の物理的性質などによって後に説明する。

ダイナミックレンジの要件は、与えられた測定における対象となる流れの速度から導かれる。空気中の亜音速の流れに対しては、５００ｎｍのレーザー波長におけるドツプラー偏移はどの方向に対してもせいぜい０．０２ｃｍ−’　（６００ＭＨｚ）である。レーザー波長か短くなればそれに比例して偏移も大きくなり、レーザー波長が長くなれば偏移も小さくなる。このドツプラー偏移のレンジは、約１．２ＧＨｚの周波数の範囲にわたって直線とみなせる傾きを持った吸収ウィングが要求される。図３はダイナミックレンジの要件、及びドツプラー偏移と対応する代表的な吸収媒体の透過率の値との関係を概略的に示したものである。ドツプラー周波数の上方への偏移（又は下方への偏移）は、吸収ウィングのどちらの側かによりで、増加した又は減少した透過率の値として表すことかできる。一般に、吸収ウィングの直線とみなせる傾きは吸収媒体の線幅に対して直線的に変化する（線幅は、吸収媒体の消光関数（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の最大値及び最小値の中間点の間の周波数バンド幅として定義される）。従って線幅を広げる衝突やドツプラー効果などの線幅を決定する機構は、ダイナミックレンジを変化させるのに利用できる。例えば、原子状蒸気において、線幅及びこれに起因する図３に示すような曲線のウィングの傾きを制御するのに、温度及び緩衝ガスの圧力を用いることができる。レンジＡ及びレンジＢは異なる吸収幅に対する与えられた透過レンジに本質的に対応する。

ラインのピークにおける消光の値もまた、傾きを変化させるのに使用することかできる。この場合、ラインの中央の透過率がｅ−′。未満であれば、透過率を示す曲線はそれぞれがウス型及びローレンツ型のライン形状について示した図４及び図５の様に、周波数に対して直線から大きくはずれる。吸収係数αの関数としてのがウス型吸収線に対しての検光子の透過率対ドツプラー周波数偏移は、Ｂ− １０００ＭＨｚとして、Ｔ　＝ｅｘｐ（−ａ−ｅｘｐ（−２（△ν／Ｂ）’）によって与えられ、吸収係数αの関数としてのローレンツ型吸収線に対しての検光子の透過率対ドツプラー周波数偏移は、Ｂ＝１０００ＭＨｚとして、によって与えられる。しかしなからこのような振舞いは、モデル若しくは風洞の壁などの静止したバックグラウンドから散乱するレーザーを減衰させるために、あるレーザー周波数にけおける透過率の鋭いカットオフを使用できるという利点がある。二のようなことは例えば、流れの方向が観測者の方へ向かう方向の場合であれば、レーザー周波数を図４又は図５における位置「Ｓ」　（流れの方向が観測者から遠ざかる方向であるならば反対のウィングの対応する位置）に同調させることによって可能となる。流れの中の微粒子から散乱されたドツプラー偏移を受けたスペクトルは、透過率が直線的な領域に一致するよう選択される。このため移動する微粒子から散乱される光だけかスペクトルイメージ検光子２４を透過する。これは、無関係なバックグラウンド散乱かレーザードツプラー信号を覆い隠すので、役に立つ特徴である。通常は吸収媒体の透過率の曲線は、図に示すようなガウス型のライン形状とローレンツ型のライン形状の間のどれかであり、実際の曲線の形は、吸収レンジがレーザー周波数の近くになるよう設計される。吸収媒体に加えられた緩衝ガスの圧力及び媒体の密度（これはαを制御する）が、この曲線の形状を決めるパラメータとなる。

スペクトルイメージ検光子の周波数解像度はレーザーの周波数の安定性、検出器の応答解像度、及び視野によって左右される。商業的な連続波長（ＣＷ）のイオン（アルゴンなど）及び色素レーザーは、１０分以上の期間にわたって±ＩＯＭＨｚの周波数ドリフトを維持することかでき、これはここでの測定に適している。

このドリフトは、±５ｍ／秒未満の速度測定に対応する。ホトダイオードアレーからなる検出器２６は、±３ｍ／秒の速度解像度が可能となるよう１００対１以上の直線的なダイナミックレンジを持っている。

視野についての要件は、透過率か入射角とともに変化する吸収経路の長さに依存することから生じる。Ｔ＝５０％の点の近傍で動作する透過率の値に対する±１％の変化に対しては、許容できる角度フィールド（ａｎｇｕｌａｒ　ｆｉｅｌｄ）は法線から約±１０度である。

スペクトルイメージ検光子の空間解像度は、基本的に結像システムの光学的な品質及び検出エレメントの解像度及び数によって決定される。アブソーノ１−の光学的な厚さの空間的一様性は重要であり、アブソーバ一種の数の密度（ｎｕｍｂｅｒｄｅｎｓｉｔｙ）は透過率測定の正確さと矛盾しない範囲内で一定に保たれなければならない。

吸収媒体として使用できる代表的な材料としては、アルカリ金属の蒸気などの原子種、及び２原子のヨウ素やハロゲン間化合物分子等の分子ガスなどがある。

アルカリ原子（原子種）は目に見える領域で多くの共鳴線を与える。例えばセシウム（４５９ｎｍ）、ルビジウム（４２０ｎｍ）、カリウム（４０４ｎｍ）、ナトリウム（５８９ｎｍ）、及びリチウム（６７１ｎｍ）は、同調可能な狭いバンド幅のレーザーによって一致させることができ。これらの共鳴線は大きな吸収断面積を持ち、適度な蒸気圧かあれば希望する吸収特性を達成することかできる。

分子のヨウ素や臭素などの分子ガスもまた目に見えるスペクトルの中に多くの線を与え、そのうちのいくつかはアルゴンイオンレーザ−の放出ライン及びＮｄ　：　ＹＡＧレーザーの２倍周波数の出力と一致する。上での解析によればヨウ素に基づく検光子は、約２ｍ／秒の解像度で±１５０ｍ／秒までの速度成分を測定すること力呵能であることが示される。ゆっくりな運動に対しては、後方散乱の配置及び大きな消光値を用いることによって、検光子は約±４０ｍ／秒の範囲にわたる動作が可能である。

スペクトルイメージ検光子２４は、基本的にアブソーバ一種（吸収媒体）及び希望する動作状況に対する所定の温度及び圧力を維持するだめのケースを有するセル２５からなる。上で述べたように、透過率の特性は媒体の蒸気圧に依存する媒体の密度によって決定される。また蒸気圧は媒体の温度に依存する。また、透過率の特性は吸収媒体に加えられた緩衝ガスの圧力によっても影響を受ける。セシウムの蒸気及び分子ヨウ素は通常的５℃から約１０℃の範囲で動作し、一方カリウム蒸気は約５０℃から約３００℃の範囲で動作する。一般に１００Ｔｏｒｒ未満の混合圧を維持するために、緩衝ガス（すなわちヘリウム、アルゴン又は窒素などの不活性ガス）か吸収媒体と混合される。

図６は検光子２４の概略側面図を示す。検光子２４の入口はバンドパスフィルターの窓３０となっており、これはレーザードツプラー輻射の前後の狭いバンドスペクトル以外の全ての輻射を遮断する。これを１０ｎｍの通過バンドを持つ干渉フィルターとすることもできる。同様のフィルターを出口の窓３２としても使用することができ、これはアブソーバ一種からのあって欲しくない任意の蛍光放射を遮断する。アブソーバ−セルの窓３４は、用途に応じて選択された原子又は分子種３６を含んでいる。この窓は検光子の開口部の上の媒体の一定の厚さを維持するために、固定されたスペーサー３８によって分離されている。セルの組立体の電源（図示せず）及び温度コントローラー装置４２に接続され、原子又は分子種の温度を変化させることができる。セルの圧力はバルブ４６、バイブ４８及びスペーサー３８の開口部を通して導入される緩衝ガス４４によって調整される（緩衝ガスは常に使用する必要はなく、希望する透過特性を与えるには状況によっては吸収媒体の温度コントロールで十分である）。セル全体の組立体２５はケース５０の中に収容され、このケースはセルを絶縁するとともに入力フィルター３０及び出力フィルター３２を保持する。フィルター３０及び３２は、バックグラウンドの明りのイメージを見るために透明な窓に置き換えることもできる。

これまでの議論はレーザー照射も流れの中の散乱強度も一様であると仮定してきた。しかしこのようなことは通常は正しくなく、復調器の出力はこれら両方の量に比例するので、イメージ解析にはこのことを考慮に入れなければならない。

ドツプラーイメージ検光子の出力イメージを検光子を用いないで得られるイメージに正規化することによって、この非一様性を考慮に入れることができる。実際にこれを行うにはいくつかの方法がある。一つの方法は、受は取った散乱輻射を二つの部分に分け、その一つを上で議論したようにして用い、もう一方を検光子を通さずに第２の検出器で結像することである。別の方法では、異なる波長の二つのレーザーパルスを使用する。第１のパルスの波長はアブソーバ−と相互作用しないようになものを選択し、第２のパルスの波長は吸収線のウィングの範囲内に入るように選択する。そして第１のイメージを第２のイメージを正規化するのに使用できる。

速度でフィルターがかけられたイメージ及び流れの場の基準ビデオイメージの処理は、カスタムマネージメントソフト及び処理ソフトとともにパーソナルコンピュータ（ＰＣ−ＡＴ）内に設置された映像フレームグラバ−（ｆｒａｍｅ　ｇｒａｂｂｅｒ：コンピュータで処理できるようテレビイメージをメモリ内に格納する高速ディジタルサンプリング回路）回路基板によって行うことができる。

正規化手順の結果として各点ごとのイメージ分割が行われるので、カメラの焦点面において倍率か等しくイメージ方向が同じになるように、二つのイメージ経路及び視野角が一致するよう注意しなければならない。単一のカメラからなる検出システムにおいては、基準イメージと解析されたイメージの等しさの程度が、流れの場から得ることができる空間的な解像度を大きく左右する。

二つのカメラからなるシステムにおいては、空間的な解像度は各検出器の全領域を用いることによって改善される。二つのカメラからなるシステムの概略的な構成を図７に示す。これは単一のズームレンズを有している。ズームレンズは一つの面において拡大されたイメージを形成し、これはビームスプリッタ−を介して二つのカメラによって再結像される。一方のカメラは基準イメージを受け取り、もう一方のカメラは検光子のセルを通してドツプラーイメージを検出する。

この二つのカメラからなるシステムによって、テレビ映像信号を処理する際の柔軟性か増す。ドツプラーイメージ及び基準イメージは同時に読み出すことかできるので、イメージ強度を正規化するのにディジタル的な信号処理の方法もアナログ的な信号処理の方法も使用することかできる。

アナログ的な方法には、正規化処理を映像速度で行うためにアナログ信号分割回路の速度を利用する新規な中間ステップが含まれる。そして正規化された信号はコンピュータを介してモニター上にリアルタイムで表示され、更にオフライン処理のために信号フレームグラバ−によってディジタル化される。二つのカメラを用いたアナログ的な方法の詳細については、後により詳しく説明する。

図７及び図８を参照すると、ここには本発明に従って構成されたスプリットビームイメージ正規化装置が示されており、照射された面からのイメージ出力６０はズームレンズ６２において受け取られ、イメージ面６４において拡大倍率か可変のイメージとなるよう焦点合わせがなされる。イメージのうちの多くの部分（８０％）は、一部を反射し一部を透過するミラー６６及び方向を変えるミラー６８において反射され、解析されるべき第１のビーム７０となる。一方イメージのうちの少ない方の部分（２０％）はミラー６６を通り、ミラー７２．７４によって方向を変えられて基準ビーム７６となる。ビーム７０は、フィルター２４（図６）と一般的な構成が同じである検光子８４を通過する。検光子８４には、望ましくない加熱を防止するためにＩＲを遮断する入口の窓８０、及びレーザーのスパイクのフィルターとしての役割を果たす出口の窓８２が設けられている。

検光子は、前に開示し、たようにここから出て行くビーム８６に流れの面２０におけるガスの速度の強度に直接関連する空間的な強度情報を含むように、ヨウ素などの吸収媒体で満たされたセル８０を有している。ビーム８６はかなりの吸収を受けているので、基準ビーム７６とフィルターされたビーム８６の相対レベルを均衡させるために、Ｎ　Ｄ　（ｎｅｕｔｒａｌ　ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルター８８によって基準ビーム７６をバランスさせる必要がある。これらのビームは基準ビデオカメラ９０及びドツプラーイメージカメラ９２によってそれぞれ受け取られ、アナログ映像電子回路９４においてリアルタイムで比較された信号であるこの回路の正規化された出力は、ビデオレコーダー／モニター９８及びコンピュータ１００に入力される。

図８はアナログ映像変換回路９４のブロックダイアダラムを示しており、これは、ドツプラー映像及び基準映像のための入力１０２．１ｏ４、同期スト１月ツバ −（ｓｙｎｃ　５ｔｒｉｐｐｅｒｓ）　１０６．１０８、及びコンパレータの演算増幅器１１０を用いた各チャンネル毎のしきい値レベルセット、及び演算増幅器１１２．１１４をスイッチングするよう動作するゼロ分割レベルセットを含んでいる。演算増幅器１１２からの出力信号はその後、アナログ分割器１１６において最終的に正規化された信号１１８を得るために、演算増幅器１１４からの基準信号出力によって分割される。この信号１１８には同期アダー１２０によって同期信号が再び挿入される。基準ビームは、流れに含ませた種微粒子の密度の非一様性及び流れにおけるレーザーの照射強度の非一様性に対して正規化するのに必要である。すなわち、基準ビームは、これらのファクターかイメージ解析から得られる強度変化を変えないようにするためのものである。

上の装置は上記の目的を達成するために二つのカメラ及び種々の電子回路を使用しているが、単一のカメラからなるシステムを使用して、ディジタル処理のために両方のイメージをカラーテレビカメラの別々の象限に焦点合わせするようにしてもよい。

結果的に正規化されるイメージは、イメージの中の各イメージ点における種微粒子の速度の強度に対応する強度を持った白黒イメージである。このイメージがカラーであればより見易くなるので、各イメージ点における種微粒子の速度の強度の関数としてスペクトルを横切って変化する色のために、疑似カラー（ｐｓｕｅｄｏ−ｃｏｌｏｒ）と呼ばれるこのようなカラー化のための、イメージを補正するための手段を設け、これはマサチューセソツ州ＷｏｂｕｒｎのＩｍａｇｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃｏｒｐｏｔａｔｅｄから疑似カラーモジュール（ＰＰＣ）を伴ってＰＣ−Ｖｉｓｉｏｎという商標で販売されているフレームグラバ−を有している。フレームグラバ−回路基板及びＰＰＣモジュールの説明については、ここでも参考としてそのまま含んでいるＰＣ−ＶＴＳＩＯＮフレームグラバ−マニュアル（著作権１９８５年）を参照することができる（情報のコピーが添付書類Ａに与えである）。このようなそれぞれの正規化に対して多数の飽和したカラーバンドか速度スペクトル全体に割り当てられるように、フレームグラバ−に対するプログラミングが与えられる。このプログラミングの一例が付録Ａに与えである。５ｅｔＦａｌｓｅｃｏｌｏｒという手順によって、１１個のバンドにわたって赤、オレンジ色、黄色、緑、青、紫色、白といった色相の色範囲を割り当てて、視覚化を容易にする。メインのプログラムＣＰ、１６）はＬｏｏｋＵｐＴａｂｌｅ　（Ｐ、１４）を呼び出し、Ｉ、ｏｏｋＬＩｐＴａｂｌｅはＬＵＴｆｕｎｃｔｉｏｎ　（Ｐ、１４）を呼び出し、ＬＵＴｆｕｎｃｔｉｏｎは５ｅｔＦａｌｓｅｃｏ１．ｏｒ　（Ｐ、８）を呼び出す。このプログラムは高速でリアルタイムに実行するためにＴｕｒｂｏ　Ｐａ５ｃａｌで書かれている。これによって得られたカラー化した表示を付録Ｂに例示する。

本発明の追加的な態様では、狭いスペクトルバンド幅を有するとともにフィルター媒体において多くの吸収線と一致する同調可能な波長を持つ、パルス状にした目に見えるレーザーを利用する。例えば、第２高調波のコンバージョンがあるＮｄ　：　ＹＡＧ及びチタンをドープしたサファイヤ結晶に基づく単一周波数のレーザーからなる装置は、分子のヨウ素及び臭素の吸収線に一致する照射用光源を与える。

これらのレーザーは１マイクロ秒程度のオーダーの持続時間を持ったパルスを放出する。この時間は、非定常的な流れにおいて約１ミリメートルの空間解像度でほぼ瞬間的な速度イメージ測定を行うのに十分な短かさである。従ってパルス状にしたレーザーの照射は、時間的に平均化された測定が得られる連続照射のレーザー光源を改良したものとなる。このようなレーザー光源の説明については、ここでもそのまま含んでいるＴ、Ｊ、　Ｋａｎｅ他のＧａ１ｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　Ｐａ５ｓ　５ｌａｂ　Ｇｅｏｍｅｔｒｙ　ＮｄＹＡＧ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　Ｉｆ　、　Ｎｏ、４．（１９８６年４月）の２１６〜２１１１Pページを参照することができる（情報のコピーが添付書類Ｂに与えである）。イメージの基準同期信号を使用して、出力パルスタイミングがフレームの時間間隔の中央にくるように、僅かに遅延させたパルス状としたレーザーをトリガーすることができることはただちに明かである。

結果として得られるパルスの長さは短く、約１０−６秒未満の値からで、流れ場のスナップショットを取ることができるよう数百ナノ秒程度に短くできる。このようなスナップショットでは微粒子はほとんと動かないので、本質的に瞬間的に見た流れか得られる。これは１フレームすなわち約３０ミリ秒以上にわたる全ての散乱事象が積み重なるために素早く起こる事象かぼやけてしまうＣＷレーザー（アルゴンレーザー）による照射とは対照的である。パルス状とした動作においては、パルスレートはフレームごとに１つのパルスを置くとともに、僅かに遅れるイメージ同期速度フレームと同期させることが望ましい。ノ（ルス状とした動作を用いることによって、非定常的な流れの効果を詳しく見ることが可能となる。

従って、コンポーネントとしても、また関連するデータ処理及び記録のための装置を有するシステムとしても、本発明を使用することによって種々の速度測定、例えば飛行機の翼や本体など、風洞中の物体の回りの空気の流れ、ジエツトエンジンの吸気及び排気流のパターン、エンジンの燃焼の診断、ヘリコプタ−のプロペラ及びローターの流れ場、バイブの流れの解析、及び人工の又は自然の構造物の近傍の風の流れの研究などに拡張することができる。

本発明にはまた、ミクロン以下の微少で一様なサイズの種微粒子を使用することによって、超音速又は極超音速の場合も含まれる。微粒子の質量が小さいために、音速よりも大きい速度における流れ場を表すことが可能となる。

（ｇｒａｐｈｉｃｓ＼＋ｙｐｅｄｅｆ、５ｙｓ）（ｇｒａｐｈｉｃｓ＼ｇｒａｐｈｉｘ、５ｙｓ）（ｇｒａｐｈｉｃｓｌｌｋｅｒｎｅｌ、５ｙｓ）ｃｏｎｓ＋　（ＰＣＶｉｓｉｃｎ　ｂｏａｒｄ　１ｎｆｅｒ！ａｃｅ　ｒｅｇｉｓｔｅｒ　ａｄｄｒｅｓｓｅｓ　）ＣｏｎＬｏ　：　ｉｎｔｅｇｅｒ　−５ＦＦＯＯ；　（ＣｏｎｔｒｏＶＳｔａｔｕｓ　ｒｅｇｉｓｔｅｒ　ｔｏ　ｂｙｔｅｌＣｏｎ）−１ｉ　：　ｉｎｔｅｇｅｒ　ｍ　５ＦＦＯ１；　（Ｃｏｎｔｒｏｌ／Ｓ！ａｔｕｓ　ｒｅｇｉｓｔｅｒ　ｈｉ　ｂｙ＋ｅｌし１．ｒＩＡｄｄｒ：　ｉｎｔｅｇｅｒ 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’Ｉｎｐｕｔ　Ｏｐｔｏ、’０ｕｔｐｕｔ　ｏｐ？’））；ｂｅｇｉｎｄｒａｗｍｅｎｕ（ＬＵＴｍｅｎｕ）；ｃａｓｅ　９ｅｔｃｏｍｍａｎｄ　ｏｆｌ：　ｄｕｍｐＬＵＴ；２：　ｅｘｉｔ；３：　ｓｈｉ？ｆＬＬｒＴｓｌｅｆ！（１０）；４：５ｈｉｈＬＵＴｓ日ＩＧＨＴ（１０）；５：　ＬＵＴｆｕｎｃｊｉｏｎ；６：　ｂｒｉｇｈｔｅｎｃｏｌｏｒｓ（ｇｅｊＯｕｔＬＬＪ′Ｉｏｐｔｉｏｎ）；７：　１ｎｔｔＬＬｒＴｓ；８：　ｕｓｅｒｓｅｊＬＬＪＴ；９：　ｕｓｅｒｓｅｔｌｎＬＵＴｏｐｔ；１０：　ｕｓｅｒｓｅ＋ｏｕＬＵＴｏｐｔ；ｅｎｄ；５ｈｏＷｓ＋ａｔｕｓ：ｕｎｔｉｌ　ｆａｌｓｅ；ｅｎｄ；ｐｒｏｃｅｃｆｕｒｅ　ｈｅｌｐ；　ｂｅｇｉｎ　ｅｎｄ；　（ｎｏｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　）ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｆｉｎｄＰｅａｋ（ｑｕａｄｒａｎｌｉｎ４ｅｇｅｒ；ｖａｒｘ、ｙ：ｉｒｎｅｇｅｒ）：ｉｎｔｅｇｅｒ；ｖａｒ　ｐｎｔｒ：　？ｖＢｕ廿ｅｒＰｏｉｒ＋＋ｅｒ；ｃｈａｔ、ｍａｘｏａｔ：　１ｎｌｅ９ｅｒ：ｂｅｇｉｎＳｅｌｅＣＩＦｒａｍｅＢＩＯＣｋ（ｑｕａｄｒａｎｔ）：ｐｎｔｒニーａｄｄｒ（ｇｒａｂＢｕｆｆｅｒ　１　）；ｍａＸｃｉａｔ：Ｗ○：ｅｐｅａｔｄａ１冨ｍｅｍ（Ｓｅｇ（ｐｒＩ”＋７”）：０ｆＳ（Ｐ　ｎｔｒＡ）Ｈ；ｉｆ　ｄａｉ＞ｍａｘｄａｔ　ｔｈｅｎ　ｂｅｇｉｎｍａＸｄａｔ罵ｄａｉ；ｘニーｔｏ（ｏｆｓ（ＰｎｔｒＡ））；ｙ雛ｈｉ（ｏｆｓ（ＰｎｔｒＡ））；　ｅｎｃｊ；ｐｎｔ乙５＝ｐｔｒ（Ｓｅ（］　（Ｐ　ｎｔｒＡ）、　ＯｊＳ　（ｐｎｔｒＡ）＋　１　）　：ｕｎｔｉｌ　（ｏｆｓ（ｐｎｔｒＡ）−０）ｏ直（ｑｕａｄｒａｎｔ＞１）ａｎｄ　（ｈｉ（＋ｆｓ（ｐｎｔｒＡ））＞２２３））；ｆｉｎｃｌＰｅａｋニーｍａｘｃｆａｔ；ｅｎｄ；ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｓｃａｌｅｌｍａｇｅｓ：ｖａｒ　ｒｅｆｐｋ、ｓｉｇｐｋ：　ｉｎｔｅｇｅｒ；ｒｘ、ｒｙ、ｓｘ、ｓｙ：　ｉｎｔｅｇｅｒ；ｓａｖｅｌｍａｇｅＰ、ｗｍ：　ｆｉｌｅ　ｏｆｓａｖｅｃｊＰａｒａｍｅ＋ｅ「Ｓ；ｂｅｇｉｎｒｅｆｐｋ：＝ｆｉｎｄｐｅａｋ（ｒｅｆｂｌｋ、ｒｘ、ｒｙ）；ｓｉｇｐｋニーｆｉｎｄｐｅａｋ（ｓｉｇｂｌｋ、ｓｒ、ｓｙ）；（ｗｒｉｔｅＩｎ（ｒｅｔｐｋ：６．ｒｘ：６．ｒｙ：６）；ｗｒｉｅｌｎ（ｓｉｇｐｋ：ｔ５．ｓｘ：６．ｓｙ：６）；）ｗｉｔｈ　ｉｍａｇｅＣｏｍｐａｒｅ　ｄｏ　ｂｅｇｉｎｘｄｅｎニー５ｘ−ｒｘ；ｙｃｌｅｌ＋：＝ｓｙ−ｒｙ１ｓ、ａｌｅ：＝ｒｏｕｎｃ！（ｒｅｆｐｋ７ｓｉｇｐｋ”５ｃａｌｅ１　）；ｅｒｏ：；ａ　５５１ｇ　ｎ　（ＳａＶｅ　１ｍａ　（ｌ　ｅ　Ｐ　ａ’、　ａｍ　、ｉｍａ９ｅ　ｐａｒａｍｆｉｌｅ　）：ｒｅｗｒｉｔｅ（ｓａｖｅｌｒ、ａｇｅＰａｒａｍ）；ｗｒｊ＋ｅ（ｓａｖｅｌｍａｇｅＰａｒａｍ、ｉｍａｇｅＣｏｍｐａｒｅ）；Ｃ１ｏｓｅ（ＳａＶｅｌｍａ（ｌｅＰａｒａｍ）；ａｎｄ２ｐｒＯｃｅｄＵｒｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ（Ｉｈ：ｉｎｔｅｇｅｒ）；　（ｄｏ　ｉｍａｇｅ　ｒａｔｉｏ　＆　ｄｉｓｐｌａｙ　ｏｎ　ＰＣＶ奄唐奄盾氏@ｍｅｍｏｒｙ　）ｐｎｌｒ：　＋ｖＢｕｆ１ｅｒＰｏｉｒｕｅｒ；ｒｅｆ、ｓ；ｇ、ｒａｔ：ｏ：　ｉｒ＋＋ｅｇｅｒ；ＳａＶｅ１ｍａ９ｅＰａｒａｍ：　ｆｉｌｅ　ｏｆ　５ａＶｅｄＰ　ａｒａｍｅｌｅｒｓ：ｆｕｎｃｉｉｏｎ　ｍａｔ口ｈｉｒ＋ｇＰｉｘｅｌ（ａｒｒａｙａｄｊｒ：ｉｎｌｅｇｅｒ）：ｉｒｌｅｇｅｒ；ｖａｒｔｗｏｗ、ｈｚｃｏｌ：ｉｎｔｅｇｅｒ；ｂｅｇｉｎｗｉｓｈ　ｉｍａｇｅＣｏｍｐａｒｅ　ｄｏ　ｂｅｇｉｎ＋ＷＯｗ璽ｈｉ（ａｒｒａｙａｏ（ｊｒ）＋ｙｃｌｅｌｔ：ｔＶｃＯＩＪｏ（ａＴＴａｙａｄｄｒ）＋ｘｄｅｔｔ；ｒｎａ＋ｃｈｉｎｇＰｉｘｅｌニー（ｔｗｏｗ　ｓｈｌ　８）＋＋ｖｃＯｌ；　ｅｎｄ；ｅｎｄ；ｂｅｇｉｎａｓｓｉｇｎ（ｓａｖｅｌｍａｇｅＰａｒａｍ、ｉｍａｇｅＰａｒａｍ日１ｅ）；ｒｅｓｅｔ（ｓａｖｅｌｍａｇｅＰａｒａｍ）；ｒｅａｄ（ｓａｖｅｌｍａｇｅＰａｒａｍ、ｉｍａｇｅＣｏｍｐａｒｅ）；ｃｌｏｓｅ（ｓａｖｅｌｍａｇｅＰａｒａｍ）；ｐｎｔｒニーａｄｄｒ（ｇｒａｂＢｕ廿ｅｒ１）；ｗｉｔｈ　ｉｍａｇｅＣｏｍｐａｒｅ　ｃｌｏ　ｂｅｇｉｎｅｐｅａｔｓｅｌｅｃ＋ＦｒａｍｅＢｌｏｃｋ（ｒｅｆｂｌｋ）；ｒｅｌニーｍｅｍ［ｓｅｇθ）ｎｔｒＡ）：ｏｆｓ（ｐｎｔｒＡ）］；ｓｅｌｅｃｔＦｒａｍｅＢｌｏｃｋ（ｓｉｇｂｌｋ）；ｓｉｇ　漬１’ｎｅ　ｍ［ｓｅｇ　（ｐ　ｎｔｒＡ）：ｍａｔｃｈｉｎｇＰｉｘｅ　１（ｏｆｓ　（ｐｎｊｒＡ））］　。

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Claims

【特許請求の範囲】

１．単色のレーザービームを発生させるためのレーザー手段と、流体の流れ場を支持するための手段と、流体の流れ場へ含ませられ、前記流体とともに流れる性質を持った多数の粒子と、照射された面が照射された面内にある前記粒子による散乱を生じさせ、前記散乱された光がドップラー効果によって前記レーザービームの周波数に対して相対的な周波数偏移を生じさせるように、前記流体の流れ場の面が予め決められた厚さ及び幅の光のビームで照射されるよう前記レーザービームを前記流体の流れ場へ方向付ける手段と、前記流体の流れ場の外部に配置され、前記流れ場から散乱された光を集めるとともに、その周波数スペクトルが２次元速度場の情報を含むイメージを生成するための光学手段と、前記イメージに応答して前記イメージに対応する輻射強度の出力を生成するための検出手段と、前記光学手段と検出手段との間に配置され、移動する前記粒子から受け取ったドップラー周波数偏移を前記イメージにおける強度変化へと変換するための周波数 −強度コンバーターを含み、一様に分散した原子種又は分子種であってその吸収が周波数偏移が生じる周波数範囲全体にわたって周波数の関数として有意義な変化を示す種を含む媒体を有しており、この周波数偏移は前記粒子の移動によるドップラー効果によって生じ、前記イメージの中のイメージ強度が前記粒子の移動の速度に特有の関数として前記吸収によって変化する検光子とを具備することを特徴とする流体の流れ場の速度を測定するためのシステム。
２．前記検出手段の出力が前記輻射強度のイメージを観測し得る装置へ入射するものであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
３．前記検出手段に結合され前記観測されたイメージを定量的な速度成分へと変換するための変換手段を有し、前記変換手段はコンピュータを有しておりこれによって速度値が強度の関数として前記強度イメージの中の各空間に分割されたスポットに割り当てられ、処理されたイメージが等しい速度成分の２次元経路として表示されることを特徴とする請求項２記載のシステム。
４．前記検出手段は、輻射透過特性が入射する光の周波数に直接的に関係する吸収媒体を備えていることを特徴とする請求項１記載のシステム。
５．前記吸収媒体は原子種のガスからなることを特徴とする請求項４記載のシステム。
６．前記原子種のガスはアルカリ金属の蒸気であることを特徴とする請求項５記載のシステム。
７．前記アルカリ金属の蒸気は、セシウム、ルビジウム、カリウム、ナトリウム、及びリチウムを含むグループから選択したものであることを特徴とする請求項６記載のシステム。
８．前記吸収媒体は分子状のガスからなるものであることを特徴とする請求項５記載のシステム。
９．前記分子状のガスは、２原子のヨウ素、２原子の臭素、及びインターハロゲン分子を含むグループから選択したものであることを特徴とする請求項８記載のシステム。
１０．吸収媒体に緩衝ガスを混合し、それによってその吸収曲線を制御可能とするものであることを特徴とする請求項４記載のシステム。
１１．前記緩衝ガスはアルゴン、ヘリウム、及び窒素を含むグループから選択したものであることを特徴とする請求項１０記載のシステム。
１２．前記吸収媒体の温度は制御され、それによって前記媒体の吸収曲線が可変であることを特徴とする請求項４記載のシステム。
１３．前記検出手段によって与えられる出力イメージは正規化されたものであることを特徴とする請求項１記載のシステム。
１４．変化する予め決められた周波数の入射輻射を、前記入射輻射の周波数の変化に対応するように変化する強度を有する輻射イメージに変換するための装置であって、前部及び後部の壁を有するケースと、前記ケースの内部に配置された吸収媒体とを備え、前記ケースは、前記輻射が前記セルに入射できるよう前部の壁に第１の開口部を有するとともに、前記イメージを観測できるよう前記後部の壁に第２の開口部を有しており、前記セルは原子種若しくは分子種からなる選択的に吸収を行う媒体を有し、その吸収は、前記イメージの中のイメージ強度が前記入射輻射の周波数に特有な関数として変化するよう予め決められた周波数の範囲にわたり周波数の関数として有意義な変化を示し、前記セルの温度を制御することによって前記媒体の吸収曲線を変化させる手段を備え、前記吸収媒体はこれに入射する光の周波数とともに変化する強度の輻射を透過するものであることを特徴とする入射輻射を輻射イメージに変換するための装置。
１５．セルの圧力を調整して前記媒体の吸収曲線を変化させられるようにするために、緩衝ガスを前記吸収媒体と混合するための手段を備えていることを特徴とする請求項１４記載の装置。
１６．前記吸収媒体は金属蒸気のガスからなるものである請求項１４記載の装置。
１７．前記吸収媒体は分子ガスからなるものであることを特徴とする請求項１４記載の装置。
１８．前記金属蒸気のガスの温度は約５０℃から約３００℃の範囲であることを特徴とする請求項１６記載の装置。
１９．前記緩衝ガスの圧力は１００Ｔｏｒｒ未満であることを特徴とする請求項１５記載の装置。
２０．前記緩衝ガスはヘリウム、アルゴン、及び窒素を含むグループから選択されたものであることを特徴とする請求項１９記載の装置。
２１．流体の流れ場のイメージができる部分に配置された検出器によって流体の流れ場の速度を測定するためのシステムであって、予め決められた周波数の光で流体の流れ場を照射するためのレーザー手段と、前記流れ場の中で流体とともに流れ、前記流体に照射されるレーザー光を、目己の移動速度によって生じるドップラー偏移に関する成分を前記予め決められた周波数に付加した周波数で反射する、前記流れ場の中に分布させた粒子とを備え、前記レーザー手段は、流体の流れ場に対して、この流体が通過する一定の厚さを持った面にわたる拡張されたビームを伝達し、前記粒子から散乱され方向を変えられ前記面上のイメージの位置に設けられた検出器に結像するようにされたレーザービームのエネルギーを集めるための光学結像システムを備え、前記結像を形成する光学経路内に配置され、移動する粒子から受け取ったドップラー周波数の偏移した周波数を前記イメージにおける強度変化に変換するための周波数−強度コンバーターを備え、前記コンバーターは、前記イメージの強度が前記粒子の移動速度の特有な関数として変化するように、前記粒子の移動によって生じるドップラー効果に基づく周波数偏移の全範囲にわたって周波数の関数として有意義な変化を示す吸収特性を持った一様に分散された原子種又は分子種を含む選択的な吸収を行う媒体を有することを特徴とする流体の流れ場の速度を測定するためのシステム。
２２．ある範囲の周波数にわたって変化する入射輻射を前記入射輻射の周波数に対応するある範囲の強度を持った輻射のイメージに変換するための装置において、セルを構成する前部及び後部の壁を有するケースと、前記セルの内部に配置され、前記イメージ面におけるイメージの強度が入射輻射の周波数の特有な関数として変化するよう与えられた周波数範囲にわたって周波数の関数としてその吸収特性が有意義な変化を示す一様に分散された原子種又は分子種を含んだ吸収媒体とを有していることを特徴とする装置。
２３．流体の流れの中の粒子の速度を、ある周波数範囲の入射輻射を前記入射輻射の周波数に対応するある範囲の強度を持った輻射のイメージに変更することによって測定するドップラー偏移測定装置において、単色光で前記流れを照射するための手段であって、前記光が粒子によって散乱されドップラー効果によってそのスペクトルが前記粒子の移動速度に対応して偏移し、この偏移の量が前記粒子の速度に関係するものである手段と、散乱された光の少なくとも一部分を受け取るための検出手段と、散乱された光のビームの中に配置され受け取った光を通過させるとともに、ドップラー効果の偏移の周波数範囲に一致するウイングを持つ狭い吸収線幅を有する原子種又は分子種を含んだ吸収媒体を有するコンバーターとを有し、前記種の吸収特性は、前記イメージの面におけるイメージの強度が入射輻射の周波数の特有な関数として変化するように、与えられた周波数範囲にわたって周波数の関数として有意義な変化を示すものであることを特徴とするドップラー偏移測定装置。
２４．流体の流れの中の粒子の速度を測定するためのドップラー偏移測定装置であって、単色光で前記流れを照射するための手段であって、前記光が種微粒子によって散乱されドップラー効果によってそのスペクトルが粒子の移動速度に対応して偏移し、この偏移の量が種微粒子の速度に関係するものである手段と、散乱された光の少なくとも一部分を受け取るための検出手段と、検出手段へ達する散乱光のビームの中に配置されたコンバータ手段であって、受け取った光を通過させる手段としての役割を果たすとともに、ドップラー効果の偏移の周波数範囲に一致するウイングを持つ狭い吸収線幅を有する原子種又は分子種を含んだ吸収媒体を有しているコンバータ手段とを有し、前記種の吸収特性は与えられた周波数範囲にわたって周波数の関数として有意義な変化を示し、これによってある範囲の周波数の入射輻射を、前記イメージの面におけるイメージの強度が入射輻射の周波数の特有な関数として変化するよう前記入射輻射の周波数に対応したある範囲の強度を持った輻射のイメージに変換するものであることを特徴とするドップラー偏移測定装置。
２５．前記照射手段は更にＣＷレーザー光源を備えていることを特徴とする請求項２４記載の装置。
２６．前記照射手段は、パルス動作をするレーザー光源及び前記光源を予め決められたパルスレートでパルス状とするための手段を備えていることを特徴とする請求項２４記載の装置。
２７．更に、各パルスにおいて生成されたイメージに基づいた目に見えるイメージフレームを生成するためのコンピュータ表示手段を有していることを特徴とする請求項２６記載の装置。
２８．更に、パルスレートは各フレームに対して一つにセットされたものであることを特徴とする請求項２７記載の装置。
２９．パルス状とされたレーザー源は略１マイクロ秒のパルス長を有していることを特徴とする請求項２６記載の装置。
３０．前記コンバータ手段は、１０〜１００Ｔｏｒｒの分子状のヨウ素の蒸気を含み、前記レーザーはヨウ素の吸収線に一致する周波数を２倍としたＮｄ：ＹＡＧであることを特徴とする請求項２６記載の装置。
３１．疑似色を各フレームに割り当てるためのプログラム可能な手段及び前記疑似色を速度の増加に比例する関係でそのスペクトルを変化させる手段を有していることを特徴とする請求項２７記載の装置。
３２．流体の流れの中の粒子の速度を測定するためのドップラーシフト測定方法であって、単色光で前記流れを照射し、前記光は粒子によって散乱されるとともにドップラー効果によって粒子の移動速度に対応してそのスペクトルが偏移し、その偏移の量が粒子の速度に関係しており、検出するために散乱光の少なくとも一部を受け取り、ドップラー効果の偏移の周波数範囲と一致するウイングを持つ狭い吸収線幅を有する原子種又は分子種を含んだ吸収媒体を通して、受け取った光を通過させ、前記種の吸収特性は与えられた周波数範囲にわたって周波数の関数として有意義な変化を示し、これによってある範囲の周波数の入射輻射を、前記イメージの面におけるイメージの強度が入射輻射の周波数の特有な関数として変化するよう前記入射輻射の周波数に対応したある範囲の強度を持った輻射のイメージに変換するものであることを特徴とするドップラー偏移測定方法。