括半波片6和聚焦透镜7，激光经半波片6调节偏振方向后，经聚焦透镜7聚焦到探测点9附近，探测点9越靠近焦点其获得的信号就越强，出射激光最后由吸收阱8吸收。
[0032]前向和背向散射光收集单元3包括与激光入射方向成一定倾斜角度的透镜组和凹球面反射镜21。前向散射光收集单元3采用短焦非球面透镜10收集流场分子的前向散射光，通过长焦非球面透镜11重新聚焦，再经过一个凸透镜12压缩整形为口径较小的平行光，进入法布里-珀罗标准具13中进行检测。与透镜10共焦点对向放置的凹球面反射镜21用来接收背向的散射光并将其反射到前向光路中，与前向接收的散射光一起进入标准具13中。
[0033]探测单元4包括ICXD17和计算机18，干涉环通过ICXD镜头19成像到ICXD的感光面20上，图像最后由计算机记录。
[0034]参考单元5采用入射分束镜14从入射光源分出一小部分激光，经过反射镜15，再通过出射分束镜16与整形为平行光的散射光耦合到一起，进入法布里-珀罗标准具13中。分束镜的分束比可根据现场情况而定，确保ICCD上散射光斑和参考光干涉环均能清楚显示即可，通常可选择分束镜透反比为100-1000:1，本发明优选500:1。
[0035]增加光路单元的优点是，将静止区域参考光引起的干涉环和流场区域的散射光引起的散射斑由ICCD同时记录，通过实时测量二者的相对频移，获得流场速度，消除了激光器输出波长抖动对检测频移的影响，提高了测量精度。
[0036]如图2所示，作为一种优选方式，激光束在水平面方向与流场速度方向υ成22.5°斜入射进入流场，与流场相互作用，入射光波矢方向为e(l。前向散射光收集波矢方向为es，前向散射光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个平面，收集方向与入射光方向成90°，其测量的为流场速度的V〃分量，如图2 (a)所示。背向散射光收集波矢为es’，背向散射光收集方向与激光出射方向和流场方向均在同一个平面，收集方向与入射光方向成-90°，其测量的为流场速度的Vi分量，如图2(b)所示。
[0037]如图3所示，参考光经反射镜15，通过出射分束镜16与整形为平行光的散射光耦合到一起，进入法布里-珀罗标准具13中形成多个干涉环，而散射光则形成靠近干涉环的干涉斑，最后同时通过ICXD镜头19成像到ICXD感光面20上，由计算机18记录和处理。根据多普勒效应原理，当流场流速为零时，干涉斑的中心则位于干涉环顶点的圆圈线上，并随着流场流速的增大向圆圈线的外部偏移，故通过测量其中一只干涉斑中心和干涉环顶点圆圈线的偏移量，就可得到该干涉环对应的入射激光和散射光的频移量△ V，进而通过理论计算得到流经该处的流场流速，不同干涉斑的频移反映了空间不同点的速度情况。通过微调凹面反射镜的俯仰，将背向散射光形成的干涉斑24与前向散射光形成的干涉斑23在垂直方向上调开，那么两行干涉斑就分别记录了前向散射光的多普勒频移25和背向散射光的多普勒频移26，分别测量前向散射光和背向散射光形成干涉斑的多普勒频移，就可以获得流场探测点的正交两各速度分量V〃和Vi。
【主权项】
1.正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:包括激光器(I)、流场交互单元(2)、前向和背向散射光收集单元(3)和探测单元(4); 所述的激光器(I)为窄线宽的连续或脉冲激光器； 所述的流场交互单元(2)包括沿激光器出射光路依次设置的半波片(6)和聚焦透镜(7)，所述的探测点(9)设置在激光器(2)出射光路上并靠近聚焦透镜(7)的焦点，所述的待测量流场流过探测点(9)，所述的流场方向与激光出射方向倾斜设置； 所述的前向和背向散射光收集单元(3)包括设置在聚焦透镜(7)的焦点两侧的透镜组和凹球面反射镜(21)，所述的透镜组用于将流场前向散射光收集至ICCD相机内，所述的凹球面反射镜(21)用于将流场背向散射光反射并通过前向透镜组与前向散射光一起收集至ICCD相机内； 所述的探测单元(3)包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具(13)和ICCD相机(17)，散射光经过法布里-珀罗标准具(13)入射至ICXD相机(17)，所述的ICXD相机(17)与数据处理用计算机(18)连接。2.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:还包括参考单元(5)，所述的参考单元(5)包括入射分束镜(14)、反射镜(15)和出射分束镜(16)，所述的入射分束镜(14)设置在流场交互单元(2)的半波片(6)和聚焦透镜(7)之间，与激光入射光呈45°夹角；所述的出射分束镜(16)设置在探测单元(3)的法布里-珀罗标准具(13)前，并与散射光呈45°夹角；所述入射分束镜(14)将参考光引出经反射镜(15)反射后进入出射分束镜(16)。3.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述的透镜组包括沿散射光路依次设置的短焦非球面透镜(10)、长焦非球面透镜(11)、凸透镜(12)及凹球面反射镜(21)，所述短焦非球面透镜(10)的焦点与探测点(9)重合，所述长焦非球面透镜(11)的焦点与凸透镜(12)的焦点重合，所述凹球面反射镜的焦点与探测点(9)重合。4.根据权利要求1或2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述的法布里-珀罗标准具(13)为固体标准具。5.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述的激光器(I)的出射光束经过探测点(9)后被吸收阱(8)吸收。6.根据权利要求2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述的入射分束镜(14)、出射分束镜(16)的透反比为100?1000:1。7.根据权利要求2所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述的入射分束镜(14)、出射分束镜(16)的透反比为500:1。8.根据权利要求1所述的正交两分量同时测量的流场多点干涉瑞利散射测速装置，其特征在于:所述散射光收集方向、激光出射方向和流场方向均在同一个平面，激光出射方向与散射光收集方向夹角为90°。
【专利摘要】本发明公开了一种流场正交两分量同时测量的干涉瑞利散射测速装置，包括激光器、流场交互单元、前向和背向散射光收集单元、参考单元和探测单元；流场交互单元包括沿激光器出射光路依次设置的半波片和聚焦透镜，探测点设置在激光器出射光路上并靠近聚焦透镜的焦点，待测量流场流过探测点，流场方向与激光出射方向倾斜设置；散射光收集单元为与流场方向倾斜设置的透镜组和凹球面反射镜；参考单元包括入射分束镜、反射镜和出射分束镜，探测单元包括沿散射光路设置的法布里-珀罗标准具和ICCD相机。本发明通过分别测量前向散射光和背向散射光的多普勒偏移，获得正交两速度分量的测量，适用于包括燃烧流场在内的大多数诊断流场。
【IPC分类】G01P5/26
【公开号】CN104931725
【申请号】CN201510261027
【发明人】王晟, 张振荣, 瞿谱波, 邵珺, 叶景峰, 胡志云, 刘晶儒
【申请人】西北核技术研究所
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年5月21日