多普勒平面测速仪

多普勒平面测速仪(PDV,也被称为多普勒全球测速仪,DGV)是一种能够在一个平面上进行三分量速度测量的图像技术。PDV可以测量流场中粒子由于散色光的多普勒频移,类似于LDV。操作PDV时,流场中布满散射的粒子,使用激光设备照亮特定区域,并通过CCD相机的分子吸收滤波器进行成像,图片后处理是通过使用一组校准图像来确定速度。

PDV1

PDV可以测量流场中粒子由于散色光的多普勒频移,类似于LDV。多普勒频移是依赖于入射光的波长,散射粒子的速度,观察角度与入射光方向。 使用LDV,多普勒频移是利用入射和散射之间的拍频外差检测来确定的。对于PDV,分子或原子蒸气滤波器作为鉴频器。

PDV2

PDV最主要的优势之一是它不需要追踪和拍摄单个粒子, 就如同PIV中那样。实际上,它需要收集每个像素上多粒子的散色。这种便捷的成像有助于查阅较大的视野范围。从激光片远距离操作,或利用微小粒子(亚微米)。通常,PDV需要比PIV更多的相机和更广泛的校准程序。这项技术仍在开发和测试中,包括(伊利诺伊大学,DLR,和美国航空航天局),这里给出简要介绍。

PDV3

PDV基本原理是使用在分子或原子蒸气滤波器作为鉴频器。窄激光线宽(~ 100兆赫)被调谐到一个分子或原子吸收线的边缘。散射光的多普勒频移,已经成像或通过分子或原子吸收滤波器检测。快速的传输频率可以将滤波器作为频率鉴频器,它是通过将频率变化(多普勒频移)转换到强度变化。散射光可以使用点检测器检测(光电倍增管或光电二极管)或相机转换成速度。

PDV4

一个常见的PDV系统采用Nd∶YAG激光种子(532 nm)和碘分子滤波器。碘分子光谱包括旋转和振动的谱带,拥有精细的结构和可视的(490-650 nm)光谱。为此,碘被作为光谱频率参考很多年了。对PDV而言,激光调谐到接近强烈的隔离线(例如~ 18789.25 cm-1)。吸收线的深度可以通过改变核中碘的数量密度进行调整。

PDV5

碘核的传输频率分布被视为PDV系统的重要误差源,这种不稳定性是由于核中碘(数密度)的蒸气压力变化引起的。碘蒸气的数量密度是温度的强函数,因此,温度的微小变化(~ 0.1°C)可以对碘核透射-频率特性造成显著影响。解决这个问题的一个方法是将碘核处于缺氧或过热蒸汽的状态,然后永久密封碘核。创建永久密封的缺氧碘核,碘核被剥离后放入充满碘的冷凝管,并调节到所需的蒸汽压力(冷凝管操作温度)。冷凝管和碘核之间的通过特殊工艺永久封闭,隔离碘核并且控制其数量密度。核内温度控制在冷凝管温度的10-20°C以上,并且将碘核中的碘保持在一种恒定数量密度的过热蒸气状态,最终保证该碘核具有非常稳定的吸收光谱特性。

PDV6

另一个误差来源于激光频率(波长)的拍摄变化,因为PDV原理是测量多普勒频移引起的散色光的频率变化,激光频率的任何变化将会导致速度误差,解决这个问题的方法是监测激光频率和校正多普勒频移数据。激光的频率测量可以通过传递一小部分激光脉冲到碘核,并且使用碘核频率转换器将所测到的强度转换为频率,此安装程序称为频率监听系统或波长计。

PDV7

有几种不合理的假设,包括流动的粒子是均匀分布的,或者激光功率是恒定的并且均匀的在视野中。这些粒子流动变化或激光功率变化将导致强度测量的改变,因此,如果不纠正就会得到错误的速度。为了消除这些变化,一张参考图或未经过滤的图像可以用作过滤图像的标准化。这里介绍了一些处理过程,例如通过使用两个相机,校正从像素之间的非均匀增益,调整过滤后以及未过滤的图像。

PDV8

图像对准的简化通过使用非偏振光束分光器,在激光片的平面上拍摄直线网格。这个图像称为点卡,用于将位图图像线性映射到一个线性网格做后处理。使用相同的相机镜头,通过分光立方体降低光学畸变,因此图像对齐过程可以用双线性插值完成。

PDV9

相机的响应变化补偿是通过调整碘传输频率曲线的激光水平部分而实现的,获取的图像在很宽的范围内的强度。设置激光曲线的水平部分意味着多普勒频移的光强度不因碘传输曲线而改变。 因此,滤波器检测到散射光应该与参考相机检测所得一致。这些图像,称为绿色的卡片,然后产生过滤相机S2与参考相机S1之间的像素增益,这条曲线通常是线性的,然后用来规范过滤/未经过滤的每个像素的相机比。单个像素的曲线拟合如下图所示。

PDV10

此处是SARL一个简单的三角翼的PDV数据采集过程,从过滤和未过滤的相机原始PDV图像显示激光片到粒子的强度变化。仔细审阅过滤和未过滤的图像可以看出过滤器对数据的影响。在未过滤的图像上每个涡流信号是相对均匀的。在过滤后的图像中强度显著降低,在左侧的涡流顶部,和右侧的涡流底部,这是由于散射光的多普勒频移造成的。

PDV11

使用碘盒校准和频率检测系统的数据,可以将扭曲图片进行计算和转换比率。从三个独立的视图的多普勒频移数据可以合并和转换为三分量速度矢量。

PDV12