[发明专利]一种基于近场散射的流动二维速度场测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于近场散射的流动二维速度场测量方法及装置，其中测量装置包括一激光器、一空间滤波器、一准直透镜、一透镜组、一CCD相机及一计算机，与现有技术相比，本发明具有以下优点该测量装置相当简单，对光路对中要求不高，并且在无需添加去除中心光强的复杂装置的情况下，可实现杂散光的有效去除；该测量技术所需的示踪粒子粒径可小于激光器发出的入射光波长，并且示踪粒子的浓度也可以相对较高，可应用于纳米流体流动二维速度场的测量；该测量技术的数据分析简单、快速，可实现在线测量，并且采用差分处理方法保证了该速度测量方法精度和线性度不受限于示踪粒子的粒径及浓度大小。

主权项

一种采用基于近场散射的流动二维速度场测量装置测量流动二维速度场的方法，基于近场散射的流动二维速度场测量装置包括：一激光器，用于发出相干光束；一空间滤波器，用于滤除由激光器产生的杂散光，得到高斯光束；一准直透镜，用于将激光器发出的光束转换成直光束；一透镜组，用于设定焦距，将距离测量区域Z处的散斑放大成像；一CCD相机，用于设定时间间隔采集所述透镜组成像的近场散斑图像；一计算机，对所述CCD相机采集的近场散斑图像进行计算得到流体的流场分布；其特征在于，包括如下步骤：步骤一、激光器发出的相干光束照射含有示踪粒子的流体，调整透镜组焦距，使得CCD相机采集距离管道中心Z处的图像，并设定CCD采样时间间隔τ，通过CCD相机获取透射光和散射光干涉后光强分布的散斑图像：f(r→,t)=|e0|2+2Re{e0*es(r→,t)}]]>其中，表示散斑图像，其中是对应的成像平面的位置向量，t是对应的成像时刻，e0是透射光场，|e0|2是静态透射光强，es是散射光场，Re表示取实部运算，*号是取共轭运算，其中距离Z的选取必须满足D*＝2Z·NA<D，NA是透镜的数值孔径，D是相干光源的光束尺寸；步骤二、CCD相机采集的N帧散斑图像相邻两组图像采样的时间间隔为τ，对相邻两组图像散斑强度值作差，得到N‑1组差分信号图像步骤三、将所得到的每组差分信号图像划分成S个小的计算区域，计算每个小的子区域内的平均速度，平均速度的计算方法是：A、根据差分信号图像的自相关函数得到该时间间隔内示踪粒子的运动位移其中，差分信号的自相关函数为：gτ(x→)=4|e0|2Re{2G(x→,0)-G(x→,τ)-G(-x→,τ)}---(3)]]>其中，表示示踪粒子的运动位移，第一项是正值，表示的是散射场的自相关函数，它正比于测量区域内示踪粒子的数量，均为散射场的互相关函数；的定义为：G(±x→,τ)=<es(r→,t)es*(r→±x→,t+τ)>]]>其中，<…>表示总体平均运算符；散射场的互相关函数值是其自相关函数值的一种平移，即G(x→,τ)=G(x→-Δr→,0)]]>B、根据步骤A得到的示踪粒子的运动位移计算小的子区域内示踪粒子的运动速度为<v→>=Δr→/τ.]]>