激光测速技术（LDV）诞生50周年启示

沈 熊

（清华大学工程力学系，北京 100084）

激光测速技术（LDV）诞生50周年启示

沈 熊

（清华大学工程力学系，北京 100084）

回顾50年来激光测速技术（LDV）的发展过程，取得的主要成就，科学家和工程技术人员作出的重大贡献。LDV为流体力学的实验研究提供了有力的测试手段，开辟了对复杂流动精确、定量、动态测量研究的新篇章。

激光多普勒测速；相位多普勒；50周年

0 引 言

自从Yeh和Cummins［1］于1964年在实验室中首次应用激光多普勒效应测得一个圆管管流中的平均速度分布和湍流度以来，至今已有50年的历史。在这期间，激光测速技术（Laser Doppler Velocimetry-LDV）从无到有，发展壮大，已成为流体力学实验研究的重要工具［2-3］，成为流体力学实验室的常规设备。

如同固体力学中的应力场一样，流体力学中速度场是其主要研究参量。传统的力学实验技术中，采用应变传感器的电测技术在实验应力分析中已经很成熟并广泛应用。但是具有三维特性流速场的测量方法始终处于相对落后的境地［4］。长期以来，皮托管加U型压力计是主要的测速工具，在此基础上发展出三孔、五孔和七孔的皮托管探针可用于二维和三维流速场测量，但是需要经过复杂的校正过程，不仅耗时长、精度低，尤其不能响应快速变化的脉动速度。50年代出现的热线风速计，解决了脉动速度的测量问题，也可以通过双线和三线探针测量二维和三维流速，但是探针对流场的干扰影响不可避免，还必须进行速度校正，限制了它的应用范围。流体力学实验研究迫切需要新的流速测量方法，1960年激光器的出现为激光测速提供了条件。

Yeh和Cummins的成功实验在流体力学界引起了强烈的兴趣和反响，吸引了众多的科技工作者参与这一领域的研发和应用。在上世纪70～90年代，大量LDV研究和应用论文在各种知名科技刊物发表，形成一股巨大的潮流，对于一种测量技术这是罕见的。国际性的学术会议如雨后春笋，纷纷召开。为了便于组织学术交流，由欧、美、日等知名教授发起，在1982年召开了首届《激光测速在流体力学中应用国际讨论会》［5］（后更名为《激光技术在流体力学中应用国际讨论会》），会议地点固定设在葡萄牙里斯本，每两年（逢双数年）一次，至今已连续举办了17届。另一个有影响的国际性会议是从1985年召开的《激光测速进展与应用国际会议》［6］，也是每两年（逢单数年）轮流在欧美不同城市举办，共连续举办了9届。为便于国内学者参加国际学术交流，从1989年至1997年，在北京清华大学连续举办了3届《流体动态测量与应用国际会议》［7］，激光测速是会议的主要专题之一。以上国际性学术会议集中反映了激光流体测量技术的新进展及其应用于各种流动领域取得的新成果，对于流体力学实验技术的发展，尤其复杂湍流流动的研究起重要推动作用，人们从未像今天这样可以定量、精确了解各种复杂流场的细节，同时，也为数值模拟的发展提供了实验依据和验证。

鉴于光科学技术对人类文明和广泛领域的影响和重要性，联合国已宣布2015年为国际光年［8］，将举办一系列的重要纪念活动。作为从事流体激光测量的科技工作者，在2014这个有纪念意义的年份，回顾激光测速发展的历史过程和重要进展，也是对联合国倡议的积极响应。

1 激光测速的主要成就

一种新技术的出现、发生、发展到成熟，除了具备造就的历史条件外，更要有一批优秀的有创造性的学者和研究人员进行坚忍不拔的钻研和实践，不仅首先要解决原理性问题，也同样需要解决实际应用性难题，才能得到推广。激光测速发展过程中出现的种种问题、不足到成功解决，成为实用的产品并不断创新，颇具典型性和启示性。

1.1 理论性问题的解决

虽然激光多普勒测速原理是正确的，但是利用示踪粒子来代表流体还是存在质疑。主要有两个理论性问题：粒子跟随性和多普勒频率加宽问题。经过众多学者严格的理论分析和实验验证，结论表明，空气中微米量级的粒子，在保证粒子速度与流体速度之比为0.99的条件下，可以跟随的脉动频率可达10KHz。这个频率对于大多数湍流测量是足够的［9］。

多普勒加宽主要来源于粒子通过测量体的渡越时间，称为渡越加宽。对于速度梯度较大的场合，如剪切层、边界层，还存在梯度加宽，此外，还有速度脉动加宽和仪器加宽等［2，10］。理论分析和实验验证表明，在大多数情况下，各种加宽的总和不超过脉动速度的百分之几，视具体条件而定。因此，加宽对于平均速度影响不大，但是，对于低湍流度的研究是有影响的。对于大多数流动，脉动速度的测量误差要比平均速度的误差大，约为百分之几。因此，LDV用于高湍流度和有回流的流动比较有利，因为其它测量方法难以胜任。

1.2 光学系统的突破——双光束光路［2-3］

光线作为一种电磁波具有多普勒效应，但只有在能提供单一波长、相干性好、能量集中的激光束以后这一原理才有可能被利用。在激光测速出现初期，人们从原理出发很自然地想到并采用相当于光谱仪的参考光模式光路（图1），将激光束照射流体中的运动粒子，将粒子的散射光与来自同一光源的参考光进行合成，得到对应于粒子速度的多普勒频移，就能得到速度。这种模式在某些特定场合有其优点，也能够实现流速的测量，首次完成激光测速实验的论文采用的就是这种光路。但由于其光效率低，光学零件的调准度要求很高，使用起来难度很大，实验甚至要在遮光的室内才能进行，这样的条件和要求显然是不利于推广应用的。

图1 参考光模式Fig.1 Reference mode

图2 双光束模式Fig.2 Dual-beam mode

经过研究人员多年的研究和改进，出现了一种双光束模式光路（图2），即将一束激光分成两束等光强的平行光束，经过一个透镜汇聚相交，经过交点的粒子散射光由一个接收透镜接收，直接经过光电转换得到对应于速度的多普勒频移。这种模式聚焦测量点的光能很强，接收透镜可以放在任意方向，而且可以使用大口径光阑，因而光效率大大提高，即使在阳光下也能做实验。更重要的是发射光单元和接收光单元都可以集成化，使用操作十分方便。这一突破性进展使仪器的商品化得以实现。迄今为止，由于光学部件产生了许多重要的进展，如光纤和半导体激光器的使用，基于光学或电子频移的二维、三维测速光路等，使LDV的光学结构产生了巨大变化。过去常用的体积庞大的氦氖和氩离子气体激光器大部分已经被高性能的固态激光器所代替，由于固态激光器体积小、寿命长、功耗低，使用维护十分方便，随着其品种的增多和功率的增大，将来必定会在LDV系统中起主导作用。

1.3 信号处理技术的进展［2-3］

基于多普勒电信号的特点（图3，4），人们一开始就设想能否用计算机通过软件计算直接得到单个粒子的频率（即速度），也有人做过尝试，但是没有成功，因为当时的计算机速度太慢。

随着数字信息技术、计算机和软件技术的发展，LDV信号处理器也不断更新换代，用新技术取代老技术。从模拟时代的频谱分析仪、频率跟踪器到数字时代的计数式处理器、数字相关器和数字快速傅立叶变换（FFT）等，处理器的集成度越来越高，速度越来越快，体积越来越小，现在还可以通过无线传输数据信号，使探头与主机分离，给使用带来极大方便。

图3 测量体中光强分布Fig.3 Light intensity in measuring volume

图4 多普勒波群的电流波形Fig.4 Wave form of Doppler burst

由于粒子信息处理的复杂性，要完全依靠软件计算是难以实现的。即使现在计算机的速度已经很高，可以完成一些重要的数学处理，如数字滤波、数字相关、FFT、DSP处理等，但仍有一部分特殊的处理工作，如对多普勒信号包络的波群检测等功能需要通过硬件。可以预期，LDV信号处理器的数字化、高速化和自动化将是发展的大趋势。

1.4 同时测量速度和粒径的相位多普勒技术［3］

激光测速发展初期人们就关注能否从多普勒波群同时获取粒径信息，依据是波群的包络形态（光强可见度）与粒径有关，这对于喷雾、两相流等研究很有用。经过多年的努力和尝试，也发表过不少论文，这一目标没有能够实现，因为影响粒径的因素很多，难以得到确定性的粒径关系式。

1975年，德国Durst教授等首先发表论文［11-12］，证明在不同方向设置的两个光接收器接收到的信号频率相同，但是信号的相位差同通过测量体的粒径成正比（图5，6），这就是著名的相位-多普勒（Phase-Doppler）原理。这一具有里程碑意义的发现为同时获得速度和粒径成为可能。遗憾的是研究没有继续进行，而是停顿了6年，被称为“黑暗时期（Dark A-ges）”。原因可能是当时作者认为这种方法只适合测量粒径变化，大于2π的相差会造成模糊问题；此外，作者不认为能用于实际测量，也还不清楚通过什么途径去实现一台实用的测量仪器［11］。

图5 双检测器相位多普勒光路Fig.5 Dual-detector PDSA geometry

图6 PDSA粒径-相位特性Fig.6 Phase-diameter diagram of PDSA

直到1980年代初，在欧洲和美国同时引起了研究者的注意，继而出现了两种商品化的仪器，在里斯本国际会议展出。一种是将3个光接收器安装在一个框架上［13］；另一种只有一个接收器，在接收透镜后面集中安装了3个光接收器［14］。前者虽然原理上可行，也已有产品出售，但是调整使用十分困难，大多数使用者难以掌握，买来后只能将仪器束之高阁。后者操作使用十分方便，与普通的激光测速仪无异，因而得到迅速推广。由于此产品有诸多技术称谓，如PDA、PDPA、APV等，这里采用了Hirleman教授在PDA 20周年纪念会上受委托发表的评论文章中的称谓：相位-多普勒粒径测速仪（Phase-Doppler Sizing Anemometer-PDSA），只要在常规的LDV系统上增加一个粒径扩展接收器，就能同时测量粒子的速度和直径，基本上利用了原有的光学和信号处理系统，使仪器的性价比大为提高，成为现代功能最强的激光测速系统。

1.5 多普勒全场测速技术［3］

众所周知，LDV主要用于流场的单点测量。曾有不少研究人员致力于研发同时多点测量的LDV系统，都因系统过于复杂，调整困难，未能得到推广。20世纪90年代初，出现了一种应用多普勒频移原理测量流场速度的新方法，它能像图像测速技术（Particle Image Velocimetry-PIV）那样同时测量一个平面流场中的一维速度分布。变更不同的光学配置，就能得到该平面场的三维速度，被称为多普勒全场测速技术（Doppler Grobal Velocimetry-DGV）。

DGV的基本系统如图7所示。当流场中的粒子通过照射的激光片时，粒子的散射光中都包含着多普勒频移。但是，迄今为止，还没有办法把所有粒子的散射光频移同时精确地测量出来。DGV的关键部件是一个碘蒸气盒（也可用其它吸收物质，如铯），它的吸收特性与激光频率有关，当散射光通过时，在一定的频段内，出射光强与光频成线性关系，这样就把光频检测问题转换为光强检测问题，于是，就可以采用目前已经发展很成熟的CCD图像采集和处理技术。利用未经吸收的参考光图像与吸收光图像比较可以抵消光片光强的高斯分布、粒子浓度的不均匀性以及光学部件的不稳定性和不完善性等因素的影响。限于吸收盒频率-光强转换特性的线性度、稳定性以及分辨率等条件，DGV的测速精度要低于常规的LDV系统。由于DGV对粒子的浓度和分布条件要求较低，可以大大降低粒子添加的难度，因而比较适用于测量高速大流场气体流动。

图7 DGV的基本系统Fig.7 Principle and basic optics of DGV

经过多年的发展，DGV的性能已经得到很大提高。采用激光频率调制和雪崩二极管（APD）阵列接收器技术，可以在风洞几十m／s风速下达到1%以下的测量精度［15］。

近年来还出现一种具有像素锁定功能的阵列检测器，可以将两幅相干图像的对应像素进行外差，在50k Hz的激光调制频率下，得到对应粒子速度的多普勒频移，并且测得了几十mm／s的速度场。这种摒弃了吸收盒的外差全场多普勒测速仪（HDGV）提出了新的发展方向［16］。

总的说来，DGV尚处于实验室研究阶段，目前还未见有商品化仪器。

2 启示与展望

激光测速技术50年的发展历程表明，一种新技术的出现，必定基于实际需要和客观条件的具备，同时也是众多科学家和工程技术人员的创造性实践和整体科技发展的结果。应当感谢在此领域做出贡献的科学先驱，尤其是里斯本会议的组织者［17］。30多年来，他们坚持不懈地组织了17届国际会议，为年轻科技工作者提供了发表和交流研究成果的平台，使流体激光测量技术不断推陈出新、后继有人。

回顾国内，上世纪80～90年代，为了摆脱对进口仪器的依赖，节约外汇，国家科技部门在经费上支持测试新技术的研发，有许多高校和研究机构（如中科院、航空部和教育部的多所重点高校）积极投入LDV的研究和应用，并取得了许多成果，有的还转化成产品。有关测量技术研究和应用的学术会议经常召开，学术气氛十分活跃，不少论文中实验所用的仪器都是自制的。有些高校还开设了LDV实验课程，成为实验流体力学的重要组成部分。但是，进入21世纪，这种自力更生、坚持研发创新精神没有得到承继发扬，致使像LDV、PIV和DGV等这类新型流体测试技术与国外的差距拉大了，对进口仪器的依赖没有得到根本性改变。当务之急，应当从教育实践、科研规划和政策鼓励等多方面采取措施，改变现状，不断提高研究水平和培养创新人才。

科学始于测量。新的测量方法标志着科技真正的进步。这是先辈科学家的至理名言。在即将迎来2015国际光年之际，愿以此文与有志于测量技术研究的青年科技工作者共勉。愿出现更多、更新、更好的流速测量技术为流体力学的教学和科研服务。

［1］Yeh Y，Cummins H Z，Localized flow measurements with a He-Ne laser spectrometer［J］.Appl Phys Letters，1964，4，176.

［2］杜斯特F，梅林A，华特洛J H，著.沈熊，许宏庆，周作元，译.激光多普勒测速技术的原理与实践［M］.北京：科学出版社，1992.

［3］沈熊.激光多普勒测速技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［4］盛森芝，沈熊，舒玮.流速测量技术［M］.北京：北京大学出版社，1987.

［5］Proceedings of the International Symposium on Applications of Laser Anemometry to Fluid Mechanics，Lisbon，1982.

［6］Proceedings of the International Conference on Laser Anemometry-Advances and Applications，1985，UK

［7］Shen Xiong，Sun Xijiu.Modern techniques and measurements in fluid flows［C］.Proceedings of the International Conference on Fluid Dynamic Measurements and its Applications，1989.

［8］United Nations proclaims 2015‘International Year of Light’，23 Dec.2013.

［9］舒玮.湍流中散射粒子的跟随性［J］.天津大学学报，1979，1.

［10］Buchhave P，George W K，Lumley J L，The measurement of turbulence with the laser-Doppler anemometer［J］.Annual Review of Fluid Mechanics，1979，11

［11］Hirleman E Dan.History of the phase-Doppler sizing anemometer（PDSA）［C］.20thAnniversary of Phase Doppler Anemometry，24thMarch 1995，Lehrstuhl für Thermische Stromungsmechanik.

［12］Durst F，Zare M.Laser Doppler measurements in two-phase flows［J］.Proceedings of the LDA-Symposium Copenhagen，1975.

［13］Bachalo W D.Method for measuring the size and velicity of spheres by dual-beam light-scattering interferometry［J］.Applied Optics，1980，19：363-370.

［14］Saffman M，Buchhave P，Tanger H.Simultaneous measurement of size，concentration and velocity of spherical particles by a laser Doppler method［C］／／Proc of the 2ndInternational Symp on Appl of Laser Anemometry to Fluid Mechanics，Lisbon，1984.

［15］Andreas Fischer，Lars Büttner，Jürgen Czarske，et al.Measurements of velocity spectra using Doppler global velocimetry with laser frequency modulation and a detector array［C］／／14th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，Lisbon，Portugal，2008

［16］Alexander H Meier，Thomas Roesgen.Heterodyne Doppler global velocimetry［C］.14th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，Lisbon，Portugal，2008

［17］The 17thInternational Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics，7-10 of July，Lisbon，Portugel，2014.

A historical review for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry

Shen Xiong
（Department of Engineering Mechanics，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

A historical review has been presented for the 50thanniversary of laser Doppler velocimetry.Main successes developed in this period are pointed out in memory with the important contributions from a number of scientists and engineers.It is noticed that the new age has already been opened up for the complex turbulent flow research with the accurate，quantitative and dynamical measurements.

laser Doppler velocimetry；phase Doppler；50thanniversary

O353.5+4

：A

1672-9897（2014）06-0051-05doi：10.11729／syltlx20140011

（编辑：张巧芸）

2014-01-14；

：2014-04-21

ShenX.Ahistoricalreviewforthe50thanniversaryoflaserDopplervelocimetry.JournalofExperimentsinFluidMechanics，2014，28（6）：51-55.沈 熊.激光测速技术（LDV）诞生50周年启示.实验流体力学，2014，28（6）：51-55.

沈 熊（1935-），男，上海市人，教授。研究方向：实验流体力学，激光测量。通讯地址：北京清华大学航天航空学院工程力学系（100084）。E-mail：shenx＠tsinghua.edu.cn