频率调制激光多普勒全场测速关键技术研究

传统多普勒全场测速技术（DGV）的工作原理是将流场中示踪粒子的瑞利散射光多普勒频移由分子滤波器转换为光强变化，通过测量光强获得频移来测量平面内流动速度场。DGV技术对单个粒子散射光不要求很强，在大尺度、高速流场测量中具有优势。但传统DGV技术由于采用双相机分光技术（信号相机和参考相机），不可避免地存在分光、图像不重合以及由参考相机引入的噪声等误差。而基于频率调制的DGV技术中仅采用一个探头（CCD或光电二极管阵列），通过检测粒子散射光光强调制信号一、二次谐波幅值之比来获得多普勒频移，可以弥补传统DGV的技术不足，提高测量精度，降低设备成本。本课题针对频率调制激光多普勒全场测速（FM_DGV）关键技术进行研究，包括激光频率高精度控制技术、分子滤波器制作技术、图像和数据处理数学模型的建立与系统软件开发、系统测量不确定度评定。研究结果可应用于大尺度风洞流场测量、大气流动测量、高速流场测量等。

近20年发展起来的多普勒全场测速（Doppler global velocimetry,DGV）技术在高超和大尺度风洞流场测量领域获得重视。传统的多普勒全场测速技术（DGV）的工作原理是将流场中示踪粒子的散射光多普勒频移由分子滤波器转换为光强变化，通过测量光强获得频移来测量平面内流动速度场。由于传统DGV技术采用双相机分光技术（信号相机和参考相机），不可避免地存在分光、图像不重合以及由参考相机引入的噪声等误差。而基于频率调制技术的DGV技术中仅采用一个探头（CCD或光电二极管阵列），通过检测粒子散射光光强调制信号一、二次谐波幅值之比来获得多普勒频移，可以弥补传统DGV的技术不足，提高测量精度，降低设备成本。本项目针对频率调制激光多普勒全场测速（FM-DGV）关键技术进行了研究，包括激光频率高精度控制技术、分子滤波器制作技术、图像和数据处理数学模型的建立与系统软件开发、系统测量不确定度评定。成功开发了DGV系统和国内首个FM-DGV系统，解决了532nm窄线宽激光照明系统、大口径碘分子滤波器设计开发，系统操作和信号处理软件的开发，进行了DGV和FM-DGV转盘和FM-DGV实际射流实验测试和误差分析，测试结果表明所开发的DGV和FM-DGV系统可以正常工作，测量误差在2m/s以内，同时验证了FM-DGV技术在实际流场测量中的适用性。以这些结果为基础，可以进行用于实际流场测量的DGV仪器开发，对于国内大型风洞和高速流动测量技术是一个重要的补充。较好完成了预定的三项研究任务：频率调制DGV系统设计与实现、FM-DGV测试信号和数据处理方法研究及计算机程序开发、系统测试和不确定度评定。项目研究过程中发表论文7篇，其中期刊论文4篇，授权知识产权3项，其中发明专利1项，培养硕士研究生2人。