黃真理,周維虎,曲兆松

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.中國(guó)科學(xué)院 光電研究院,北京 100094;3.北京尚水信息技術(shù)股份有限公司,北京 100085)

三維激光誘導(dǎo)熒光(3DLIF)技術(shù)及測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)設(shè)備研究

黃真理1,*,周維虎2,曲兆松3

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;2.中國(guó)科學(xué)院 光電研究院,北京 100094;3.北京尚水信息技術(shù)股份有限公司,北京 100085)

本文介紹了激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)測(cè)量水體濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的基本原理，總結(jié)了從一維到三維LIF技術(shù)的發(fā)展歷程，綜述了激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)的關(guān)鍵問(wèn)題，包括激光器和片光源、熒光物質(zhì)選擇和校正方法，從工程化和產(chǎn)業(yè)化的需求出發(fā)，提出了基于3DLIF技術(shù)的水體三維標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的總體技術(shù)方案、技術(shù)路線和總體技術(shù)指標(biāo)，并給出了3DLIF的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案。

三維激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)(3DLIF)；水體；標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量

0 引 言

流體力學(xué)(水力學(xué))是水利、能源(水電、火電、核電)、航空航天、傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)學(xué)科，而流體測(cè)量又是流體力學(xué)研究的重要手段。很多重要的流體現(xiàn)象，比如激波現(xiàn)象、邊界層、壁面猝發(fā)、湍流邊界層中大渦結(jié)構(gòu)都是通過(guò)流體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。對(duì)于流動(dòng)測(cè)量，分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。與接觸式測(cè)量相比，非接觸式測(cè)量不會(huì)對(duì)原流場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，是精細(xì)流動(dòng)測(cè)量，尤其是湍流測(cè)量的重要手段。

流體力學(xué)(水力學(xué))中有標(biāo)量場(chǎng)和矢量場(chǎng)。常見(jiàn)的標(biāo)量場(chǎng)有溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)等，常見(jiàn)的矢量場(chǎng)有速度場(chǎng)。研究以濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)為代表的水體標(biāo)量場(chǎng)是水力學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題。

激光誘導(dǎo)熒光(LIF，Laser-Induced Fluorescence)技術(shù)屬于激光光譜學(xué)診斷技術(shù)，是一種新的流動(dòng)顯示和非接觸式流動(dòng)測(cè)量方法，不僅可以定性揭示流動(dòng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且與圖像處理技術(shù)結(jié)合可以進(jìn)行濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及速度場(chǎng)的定量測(cè)量，對(duì)解決當(dāng)前重大火電和核電工程中的溫排水測(cè)量和重大水電工程中的流動(dòng)模擬和污染物模擬測(cè)量，對(duì)開(kāi)展湍流基礎(chǔ)研究和流體力學(xué)(水力學(xué))教學(xué)演示具有重要價(jià)值。同時(shí)，在火焰燃燒、過(guò)程工程和化學(xué)工程領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，發(fā)展前景較為廣闊。

本文分理論、關(guān)鍵問(wèn)題和設(shè)備研制3個(gè)部分系統(tǒng)介紹LIF技術(shù)測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)的研究成果和進(jìn)展。

1 理論

1.1LIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)原理

在測(cè)量流體中加入少量熒光物質(zhì)，用適當(dāng)波長(zhǎng)的激光照射測(cè)量流體，就會(huì)出現(xiàn)熒光，圖1所示是熒光素鈉的激發(fā)-發(fā)射光譜。

圖1 熒光素鈉溶液譜圖[1]Fig.1 Fluorescent sodium solution spectra

如圖2所示，假設(shè)每平方厘米上光強(qiáng)度為I0的入射光，照射到1個(gè)吸光截面積為A的盛有熒光物質(zhì)的液池。入射光穿過(guò)y處的一層很薄的液層Δy，如該薄層所吸收的光能量為ΔI，所發(fā)射的熒光強(qiáng)度為F，則[2]

式中：Φ為熒光效率。

根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定律可知，被薄層吸收的光能量ΔI為：

圖2 液池中激光誘導(dǎo)熒光示意Fig.2 The laser-induced fluorescence signal of liquid pool

記K=SaΔyI0，將(2)式代入(1)式有：

式中：入射光強(qiáng)度I0、吸光截面積Sa和薄層厚度Δy可人為控制和選定，K可以看作常數(shù)；吸光系數(shù)值的大小取決于吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長(zhǎng)、溶液溫度和溶劑性質(zhì)等，與溶液濃度大小和液層厚度無(wú)關(guān)。

設(shè)H0=KΦε=ΦεSaΔyI0，則

在LIF技術(shù)中，液池中任一點(diǎn)的熒光強(qiáng)度F與濃度和路徑的關(guān)系可用式(4)表示。對(duì)于所研究的流動(dòng)水體，選擇恰當(dāng)?shù)募す夤庠春蜔晒馕镔|(zhì)，當(dāng)參數(shù)H0為常數(shù)，即熒光效率Φ、吸光系數(shù)ε和片光在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不變時(shí)，利用數(shù)字圖像采集系統(tǒng)獲得了液池內(nèi)熒光強(qiáng)度的分布，利用(4)式進(jìn)行校正，就可得到液池內(nèi)的濃度場(chǎng)，這就是LIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)的理論根據(jù)。圖3表示熒光素鈉的濃度與熒光強(qiáng)度成線性關(guān)系。

圖3 液體中熒光素鈉的熒光強(qiáng)度隨濃度變化[1]Fig.3 The variance of the fluorescence intensity with fluorescent sodium concentration in the liquid

1.2LIF技術(shù)測(cè)量溫度場(chǎng)原理

有一類(lèi)熒光物質(zhì)，如羅丹明B，對(duì)溫度的變化十分敏感，隨著溫度的增加，其熒光效率Φ或吸光系數(shù)ε顯著減低。因此，可以選擇此類(lèi)物質(zhì)作為溫度敏感的熒光示蹤物質(zhì)，用于溫度場(chǎng)測(cè)量。

圖4所示是羅丹明B在不同溫度下的激發(fā)-發(fā)射光譜?？梢钥闯?，隨著溫度增加，熒光受到抑制，強(qiáng)度顯著降低。用波長(zhǎng)532nm、脈沖能量100mJ、片光厚度0.5mm的綠光作為激發(fā)光，將濃度為47.5×10-3ppm(47.5μg/L)熒光物質(zhì)羅丹明B加熱到80℃，置于50mm×50mm×200mm的方形有機(jī)玻璃容器內(nèi)進(jìn)行冷卻，獲得熒光強(qiáng)度隨溫度的變化，如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，羅丹明B的熒光強(qiáng)度隨溫度呈線性變化。

圖4 不同溫度條件下羅丹明B的激發(fā)-發(fā)射光譜[3]Fig.4 The excitation-emission spectrums of rhodamine B under different temperature conditions

圖5 羅丹明B的熒光強(qiáng)度隨溫度線性變化[3]Fig.5 Linear change of rhodamine B fluorescence intensity with temperature

設(shè)參數(shù)H=H(T)=-k1T+k2，保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中液池?zé)晒馕镔|(zhì)的濃度C不變，則式(4)變成

式中：T為溫度；k1、k2為常數(shù)；C為濃度；y為激光通過(guò)的液池厚度。

在濃度不變的條件下，式(5)反映了液池中任一點(diǎn)的熒光強(qiáng)度F與溫度和路徑的關(guān)系，利用該公式可以獲得溫度場(chǎng)，這就是LIF技術(shù)測(cè)量溫度場(chǎng)的原理。

1.3PLIF技術(shù)測(cè)量速度場(chǎng)

PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence)技術(shù)主要用于測(cè)量標(biāo)量場(chǎng)，包括濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，但標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量與速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)合起來(lái)時(shí)，可以獲得流動(dòng)的更完整信息和計(jì)算標(biāo)量通量。過(guò)去，很多學(xué)者將PLIF技術(shù)與粒子圖像測(cè)速儀(Particle Image Velocimetry，PIV)、激光多普勒測(cè)速儀(Laser-Droppler Velocimetry，LDV)、粒子追蹤測(cè)速儀(Particle Tracking Velocimetry，PTV)、分子標(biāo)記測(cè)速儀(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)獲得標(biāo)量場(chǎng)與速度場(chǎng)。

矢量場(chǎng)(流場(chǎng))和標(biāo)量場(chǎng)(溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng))的同步測(cè)量，目前采用最多的是PLIF結(jié)合PIV的測(cè)量技術(shù)。PIV技術(shù)是目前應(yīng)用較多的流體速度場(chǎng)測(cè)量技術(shù)之一，其基本原理是將示蹤粒子加入流場(chǎng)中，在脈沖激光片光源的照射下示蹤粒子反射激光，用兩次曝光法記錄同一示蹤粒子在特定時(shí)間間隔內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用PIV軟件處理獲得流速場(chǎng)信息。相對(duì)于PLIF技術(shù)而言，PIV技術(shù)測(cè)量速度場(chǎng)已經(jīng)比較成熟，成為丹麥Dantec公司、美國(guó)TSI公司和德國(guó)LaVision公司的主要產(chǎn)品。為了同步測(cè)量流場(chǎng)與標(biāo)量場(chǎng)，將PIV與PLIF技術(shù)結(jié)合起來(lái)，PLIF技術(shù)成為PIV設(shè)備的附屬升級(jí)產(chǎn)品。PLIF結(jié)合PIV的測(cè)量方法也存在一定缺陷。首先，PIV系統(tǒng)主要采用Nd：YAG脈沖激光器輸出的532nm綠光，國(guó)際上大部分PIV定型產(chǎn)品均首選此光源。然而，由于脈沖激光器及其激光波長(zhǎng)532nm的選定，熒光物質(zhì)通常選擇羅丹明B或羅丹明6G，這就限制了PLIF技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。另一方面，PIV系統(tǒng)使用的片光通常是通過(guò)半圓柱透鏡的辦法獲得扇形片光源，在PIV系統(tǒng)基礎(chǔ)上附加的PLIF系統(tǒng)主要是一套處理軟件。由于存在激光片光不均勻等問(wèn)題，PIV系統(tǒng)附加的PLIF技術(shù)多用于流動(dòng)顯示，如果進(jìn)行濃度場(chǎng)(溫度場(chǎng))定量測(cè)量，校正十分麻煩和困難，因此精度和應(yīng)用范圍有限。也有很多學(xué)者選擇利用PIV系統(tǒng)的Nd：YAG脈沖激光器來(lái)測(cè)量速度場(chǎng)，同時(shí)用氬(Ar+)離子激光器來(lái)測(cè)量濃度場(chǎng)。顯然，這是由于PIV和PLIF不能很好融合成一體化設(shè)備，通過(guò)這種“混搭”的辦法實(shí)現(xiàn)濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的同步測(cè)量。

1.4發(fā)展歷程(從LIF到3DLIF)

LIF技術(shù)應(yīng)用于流體測(cè)量始于20世紀(jì)70年代，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等方面的進(jìn)步，經(jīng)歷了從定性到定量，從一維(LIF)、二維(PLIF)到三維(3DLIF，Three Dimensional Laser-Induced Fluorescence)測(cè)量的發(fā)展歷程，如圖6所示。

1970年代到1980年代，LIF技術(shù)主要發(fā)展了一維測(cè)量，關(guān)鍵技術(shù)是圖像采集、處理和光束沿光程衰減校正。

1980年代開(kāi)始，LIF技術(shù)主要發(fā)展了二維測(cè)量，即PLIF技術(shù)。在PLIF技術(shù)基礎(chǔ)上，部分學(xué)者開(kāi)展了三維測(cè)量的研究工作，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行了校正。在中國(guó)，申功炘[4]和黃真理[5-6]等人最早開(kāi)展了PLIF技術(shù)空間流動(dòng)顯示及測(cè)量水體中射流濃度場(chǎng)的研究。PLIF技術(shù)在二維測(cè)量中的主要難題是激光片光源高斯分布的不均勻性和沿光程衰減對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響，給后期校正帶來(lái)麻煩和降低測(cè)量精度。

1980年代中期以后，Prasad和Sreenivasan[7]，Dahm等人[8]，Deusch和Dracos[9]，X.D.Tian等人[10]，E.Van Vliet等人[11]，Delo等人[12]，P.Sarathi等人[13]在PLIF技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展3DLIF技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維測(cè)量。

目前，世界上只有丹麥Dantec Dynamics公司、美國(guó)TSI公司和德國(guó)LaVision公司提供PLIF技術(shù)測(cè)量水體或氣體的濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的設(shè)備。這3家公司是國(guó)際上著名的、專(zhuān)業(yè)從事流動(dòng)測(cè)量?jī)x器研發(fā)的公司，主要研發(fā)PIV系統(tǒng)，為科研單位的實(shí)驗(yàn)室提供流體速度場(chǎng)的測(cè)量設(shè)備，是國(guó)內(nèi)外PIV系統(tǒng)的主要供應(yīng)商，PLIF是PIV基礎(chǔ)上的附帶產(chǎn)品。因此，目前國(guó)際上只有PLIF測(cè)量設(shè)備，沒(méi)有3DLIF的定型產(chǎn)品。

圖6 激光誘導(dǎo)熒光測(cè)量流體技術(shù)的發(fā)展過(guò)程Fig.6 The development process of LIF techniques

激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)測(cè)量設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，可以從2個(gè)方面歸納：

(1) 三維定量測(cè)量(3DLIF技術(shù))的工程化和產(chǎn)業(yè)化

3DLIF技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，三維測(cè)量的工程化和產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵是：如何利用激光片光源對(duì)測(cè)量空間進(jìn)行掃描，如何同步獲取二維清晰濃度場(chǎng)信息和片光源移動(dòng)空間位置信息，如何快速標(biāo)定和校正圖像，重建三維濃度場(chǎng)，形成工程化產(chǎn)品。3DLIF技術(shù)三維定量測(cè)量系統(tǒng)的工程化和產(chǎn)業(yè)化，是激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)高端流體測(cè)量設(shè)備未來(lái)的發(fā)展方向。

(2) 利用3DLIF技術(shù)直接測(cè)量速度場(chǎng)

PLIF技術(shù)主要用于測(cè)量標(biāo)量場(chǎng)，包括濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等，但標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量與速度場(chǎng)測(cè)量結(jié)合起來(lái)時(shí)，可以獲得流動(dòng)的更完整信息和計(jì)算標(biāo)量通量。

通過(guò)PLIF技術(shù)獲取濃度場(chǎng)的三維時(shí)空分布，進(jìn)而利用對(duì)流擴(kuò)散方程反演速度場(chǎng)[14]。今后，PLIF技術(shù)最終可能脫離PIV技術(shù)，獨(dú)自完成流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)的測(cè)量。利用3DLIF技術(shù)直接測(cè)量速度場(chǎng)，也是3DLIF技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 關(guān)鍵問(wèn)題

LIF技術(shù)測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)，需要選擇恰當(dāng)?shù)募す馄庠醇夹g(shù)。根據(jù)溫度場(chǎng)或濃度場(chǎng)測(cè)量需求，選擇合適的、相互匹配的激光波長(zhǎng)和熒光物質(zhì)。為了把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成測(cè)量信息，需要進(jìn)行標(biāo)定和校正。下文將分別介紹LIF技術(shù)測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)時(shí)會(huì)碰到的關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

2.1激光器和片光源

2.1.1激光器類(lèi)型

激光器是LIF技術(shù)的重要設(shè)備，是激光誘導(dǎo)熒光的激發(fā)光源。激光器的選擇主要根據(jù)測(cè)量參量確定，激光輸出波長(zhǎng)需要與測(cè)量所用熒光染料的激發(fā)光譜相匹配。

國(guó)內(nèi)外LIF技術(shù)測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)研究中，目前采用的都是激光器生產(chǎn)廠商的定型產(chǎn)品，沒(méi)有針對(duì)LIF技術(shù)的專(zhuān)用激光器。主要有2種激光器：第1種是連續(xù)波(CW，Continuous Wave)氬離子(Ar+)激光器，輸出主要波長(zhǎng)是488nm和514.5nm，與488nm匹配測(cè)量濃度場(chǎng)的熒光物質(zhì)一般選擇熒光素鈉。第2種是Nd：YAG脈沖固體激光器，波長(zhǎng)是532nm綠光，匹配的熒光物質(zhì)一般選擇羅丹明B(溫度場(chǎng))和羅丹明6G(濃度場(chǎng))。當(dāng)然，針對(duì)不同的測(cè)量參數(shù)，通過(guò)選擇適當(dāng)波長(zhǎng)的激光器及其相應(yīng)的熒光物質(zhì)，可以滿(mǎn)足火焰OH濃度、氣體紊動(dòng)、壓力場(chǎng)、密度場(chǎng)等不同測(cè)量參數(shù)的需求，這也是PLIF技術(shù)具有廣泛應(yīng)用前景之處。

美國(guó)科羅拉多大學(xué)土木與環(huán)境工程系J.P.Crimaldi[15]綜述了水體中PLIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)研究工作，認(rèn)為在流體力學(xué)的文獻(xiàn)中，四分之三的PLIF試驗(yàn)采用氬離子(Ar+)激光器作為激發(fā)光源，熒光素鈉是最常用的熒光物質(zhì)。氬離子(Ar+)激光器TEM00模式下光強(qiáng)為高斯分布，優(yōu)點(diǎn)是光束質(zhì)量好、連續(xù)輸出便于流動(dòng)顯示、輸出功率穩(wěn)定便于簡(jiǎn)化校正。Nd：YAG脈沖固體激光器輸出的激光為脈沖式，優(yōu)點(diǎn)是功率大，缺點(diǎn)是光束質(zhì)量稍差，輸出功率和光強(qiáng)分布容易隨脈沖改變(不穩(wěn)定)。

從流動(dòng)顯示和激光器功率穩(wěn)定性的角度來(lái)看，激光器應(yīng)該選擇連續(xù)而非脈沖激光器，這樣流動(dòng)顯示更為方便和直觀。激光器波長(zhǎng)包括藍(lán)光和綠光，用于測(cè)量濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。其中，典型的搭配方案為：藍(lán)光與熒光素鈉搭配測(cè)量濃度場(chǎng)，綠光與羅丹明6G搭配測(cè)量濃度場(chǎng)，綠光與羅丹明B搭配測(cè)量溫度場(chǎng)。

作為3DLIF技術(shù)的激發(fā)光源，現(xiàn)有的激光器定型產(chǎn)品都存在某些缺陷和不足。3DLIF技術(shù)對(duì)激光器有特殊要求，如均勻性好的片光源、穩(wěn)定的光強(qiáng)輸出、激光方向性比較好，與PIV技術(shù)對(duì)激光器的要求不同。

2.1.2基于傳統(tǒng)激光器的片光源

傳統(tǒng)激光器輸出的激光大都是直徑為毫米量級(jí)的圓形光束，通過(guò)半圓柱透鏡，使高斯分布的激光束擴(kuò)展成扇形片光源，如圖7(a)所示，這便是傳統(tǒng)的片光源系統(tǒng)。扇形片光源橫向光強(qiáng)分布仍然為高斯分布，光強(qiáng)沿光程衰減(縱向分布不均勻)。

利用傳統(tǒng)激光器輸出的圓形光束獲得片光源，振鏡(掃描鏡)也是科研中采用的一種方法。把光束照射到振鏡上，通過(guò)振鏡高頻轉(zhuǎn)動(dòng)，形成橫向光密度分布均勻，但沿光程衰減的扇形片光源，如圖7(b)所示。

圖7 扇形片光源系統(tǒng)示意圖[10]Fig.7 Schematic of fan-type laser-sheet

在片光技術(shù)方面，為解決片光源移動(dòng)的便攜性問(wèn)題，D.J.Koga等人[16]針對(duì)氬離子激光器，利用光導(dǎo)纖維傳輸激光，在光纖末端設(shè)計(jì)一套便攜式的光學(xué)鏡片組合，對(duì)光纖輸出的激光進(jìn)行“整形”和“準(zhǔn)直”，最后通過(guò)柱面鏡獲得扇形片光源。另一方面，為了解決片光扇形分布帶來(lái)的沿程光密度衰減和測(cè)量校正的問(wèn)題，唐靜等[17]研發(fā)了寬度為4.4cm的新型激光片光源系統(tǒng)，用于水下尾流氣泡幕圖像探測(cè)。美國(guó)TSI公司為PLIF技術(shù)研發(fā)了10cm寬度的矩形片光源，用于火焰燃燒測(cè)量。

矩形均勻片光源是理想的片光源，利用這樣的片光源系統(tǒng)開(kāi)展PLIF或3DLIF技術(shù)測(cè)量，后期校正簡(jiǎn)單、方便。從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，片光源寬度越大，越有利于應(yīng)用。但是，大尺寸的片光源，通常需要經(jīng)過(guò)擴(kuò)束、準(zhǔn)直等一系列光學(xué)整形，激光的勻化技術(shù)也比較復(fù)雜，因此，矩形均勻片光源的寬度選擇，需要綜合平衡考慮需求、技術(shù)和成本等因素。

2.1.3片光源三維掃描方式

如何讓片光源掃描，獲得多幅二維濃度場(chǎng)，并通過(guò)簡(jiǎn)單方便的三維重建技術(shù)獲得三維濃度場(chǎng)，這是一個(gè)一直沒(méi)有很好解決、影響設(shè)備產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題。

如圖8所示，X.D.Tian等[10]報(bào)道，國(guó)際上解決三維濃度場(chǎng)測(cè)量的片光源掃描系統(tǒng)有3種方式：(1) 振鏡；(2) 旋轉(zhuǎn)鼓；(3) 旋轉(zhuǎn)掃描器。這些片光源掃描解決方案，有這樣幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 振鏡方案簡(jiǎn)單、快速，容易實(shí)現(xiàn)，是采用最多的技術(shù)。旋轉(zhuǎn)鼓和旋轉(zhuǎn)掃描器方案，獲得的是平行片光，此為優(yōu)勢(shì)；但三維截面是固定的，截面數(shù)量有限，此為劣勢(shì)。(2) 3種方案均為科研實(shí)驗(yàn)探索，未能進(jìn)入設(shè)備生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化階段。(3)沒(méi)有進(jìn)行片光的均勻化整形。因此，在測(cè)量范圍較小時(shí)才能保證精度，同時(shí)增加了后期校正的難度。(4) 振鏡方案，扇形掃描的片光源之間不平行，帶來(lái)水槽對(duì)片光的反射不同，對(duì)測(cè)量精度和校正影響較大。因此，使片光源盡可能平行掃描測(cè)量區(qū)域，對(duì)測(cè)量精度和后期三維重建是必要的。

圖8 3種片光源掃描系統(tǒng)[15]Fig.8 Three light-scanning systems

圖9所示為X.D.Tian等采用3DLIF技術(shù)測(cè)量三維濃度場(chǎng)示意圖，用2個(gè)相互垂直的快速振鏡來(lái)完成三維空間掃描，在水槽前用一個(gè)250mm直徑的凸透鏡來(lái)準(zhǔn)直。E.Van Vliet等[11]采用類(lèi)似圖8(a)振鏡加圓柱透鏡的方案，利用凸透鏡對(duì)片光進(jìn)行準(zhǔn)直獲得170mm(光強(qiáng)1/e寬度)高斯分布的片光。由于測(cè)量寬度為25mm，因此認(rèn)為高斯分布片光在測(cè)量區(qū)域是均勻的。也就是說(shuō)，用大尺寸高斯分布片光源測(cè)量小尺寸區(qū)域流動(dòng)，忽略片光高斯分布的影響。這種測(cè)量裝置可用于科研，不宜產(chǎn)業(yè)化，因?yàn)檫@種分離式的測(cè)量裝置調(diào)試很困難，也不具備便捷性、安全性和可維修性。

圖9 雙振鏡3DLIF測(cè)量示意[10]Fig.9 Schematic of 3DLIF measurement with double vibrating mirrors

2.2熒光物質(zhì)

2.2.1常用熒光物質(zhì)

LIF技術(shù)中，作為示蹤劑的熒光物質(zhì)選擇需要綜合考慮多種因素：

(1) 根據(jù)激光波長(zhǎng)來(lái)選擇，相互匹配。不同的熒光物質(zhì)有不同的激發(fā)波長(zhǎng)，應(yīng)盡量使激發(fā)光譜的峰值與激光波長(zhǎng)接近。同時(shí)，激發(fā)譜和發(fā)射譜重疊較少，使截止濾光片對(duì)熒光光強(qiáng)的阻隔影響小。

(2) 可溶于水(試驗(yàn)中一般使用普通自來(lái)水運(yùn)行)且其水溶液呈無(wú)色或淺色，不影響熒光的透過(guò)。

(3) 具有適中的量子產(chǎn)率和吸光系數(shù)。量子產(chǎn)率高，熒光強(qiáng)，這對(duì)測(cè)量有利。而吸光系數(shù)太大，使光線穿過(guò)的光程太短，從而限制了測(cè)量范圍。

(4) 對(duì)外界自然條件如溫度的敏感性要小。否則，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)溫度的變化使試驗(yàn)結(jié)果容易失去可比性。如果測(cè)量溫度場(chǎng)，則需選擇對(duì)溫度敏感的物質(zhì)，而對(duì)其他因素的敏感性要差。

(5) 對(duì)人體無(wú)害，如無(wú)致癌作用。

根據(jù)已有文獻(xiàn)和我們的經(jīng)驗(yàn)，在水體測(cè)量中，可用藍(lán)光與熒光素鈉相匹配來(lái)測(cè)量濃度場(chǎng)，綠光與羅丹明B相匹配來(lái)測(cè)量溫度場(chǎng)。如何選擇藍(lán)光和綠光的波長(zhǎng)？換句話說(shuō)，激光器的波長(zhǎng)如何與熒光物質(zhì)匹配？這取決于所選熒光物質(zhì)的激發(fā)和發(fā)射光譜。下面從熒光素鈉、羅丹明6G和羅丹明B的光譜特點(diǎn)出發(fā)，分析這3種常見(jiàn)的熒光物質(zhì)所適用的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍。

熒光素鈉：常用于測(cè)量濃度場(chǎng)，分子式C20H10O5Na2，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖1所示。熒光素鈉的優(yōu)點(diǎn)是：量子產(chǎn)率高，對(duì)pH值敏感而且熒光波長(zhǎng)隨pH值變化，無(wú)毒或低毒。文獻(xiàn)[18]介紹，熒光素鈉對(duì)溫度的敏感度受激發(fā)波長(zhǎng)的影響很大，在488nm激發(fā)狀態(tài)下，溫度變化-0.2%/℃，在 514.5nm激發(fā)狀態(tài)下，溫度變化+2.5%/℃。

羅丹明6G：常用于測(cè)量濃度場(chǎng)，分子式C28H31N2O3Cl，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖10(a)所示。羅丹明6G的優(yōu)點(diǎn)是：量子產(chǎn)率很高，對(duì)溫度不敏感，也不受pH值的影響。缺點(diǎn)是有毒性。

羅丹明B：常用于測(cè)量溫度場(chǎng)，分子式C28H31ClN2O3，激發(fā)-發(fā)射光譜如圖10(b)所示。羅丹明B的優(yōu)點(diǎn)是：量子產(chǎn)率高，易溶于水，化學(xué)穩(wěn)定性好，對(duì)溫度和pH值敏感。羅丹明B接觸皮膚或眼睛具有毒性。

根據(jù)3種常見(jiàn)熒光物質(zhì)在水體中的激發(fā)譜，可以發(fā)現(xiàn)，熒光素鈉在藍(lán)光波長(zhǎng)460～500nm之間時(shí)量子產(chǎn)率相對(duì)較高，489nm是激發(fā)譜峰值(量子產(chǎn)率最高)。小于460nm或大于500nm，常溫下量子產(chǎn)率較低，熒光信號(hào)弱，不便于測(cè)量。因此，與熒光素鈉相匹配的激光波長(zhǎng)最好在藍(lán)光460～500nm之間。同樣，羅丹明6G適宜的激光波長(zhǎng)在500～550nm之間。羅丹明B適宜的波長(zhǎng)在525～575nm之間。這樣，熒光量子產(chǎn)率相對(duì)較高，測(cè)量效果和精度易于保證。

圖10 羅丹明6G和羅丹明B的激發(fā)-發(fā)射光譜Fig.10 Excitation-emission spectrums of Rh6G and RhB

綜上所述，選擇上述3種常見(jiàn)的熒光物質(zhì)(熒光素鈉、羅丹明6G和羅丹明B)測(cè)量濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，研發(fā)專(zhuān)用激光器適宜激光波長(zhǎng)范圍如表1所示。

表1 3種常見(jiàn)熒光物質(zhì)的適宜激發(fā)波長(zhǎng)Table 1 Matched excitation wavelengths of three common fluorescent materials

2.2.2新型熒光物質(zhì)的篩選

目前使用的3種主要熒光物質(zhì)中，羅丹明B和羅丹明6G都具有一定的毒性，長(zhǎng)期接觸對(duì)人體健康不利。由于分子探針等熒光標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，新型合成熒光物質(zhì)大量涌現(xiàn)，篩選更好的熒光物質(zhì)是PLIF技術(shù)定量測(cè)量濃度場(chǎng)(溫度場(chǎng))的基礎(chǔ)工作。

Karasso和Mungal[1]研究了一種濃度場(chǎng)測(cè)量用的新型熒光示蹤劑——5(6)-羧基-2′，7′-二氯熒光素(不溶于水，溶于甲醇)，英文名：5(6)-Carboxy-2′，7′-dichlorofluorescein(分子式：C21H10Cl2O7，分子量：445)，對(duì)比研究了Nd:YAG/熒光素鈉、Nd:YAG/二氯熒光素、銅蒸汽激光器/熒光素鈉3種組合測(cè)量濃度場(chǎng)的適應(yīng)性。研究表明：熒光素鈉與氬離子激光器或銅蒸汽激光器組合適用于濃度場(chǎng)測(cè)量，與脈沖的Nd:YAG激光器組合不適合濃度場(chǎng)測(cè)量，因?yàn)榘l(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象導(dǎo)致熒光光強(qiáng)和濃度之間呈現(xiàn)非線性。

J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同熒光染料組合測(cè)量pH值和溫度場(chǎng)的比值技術(shù)(Ratiometric Technique)——雙激發(fā)激光誘導(dǎo)熒光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)，研究了9種水溶性熒光染料的光譜特性和不同熒光染料組合測(cè)量pH值和濃度場(chǎng)的適應(yīng)性。

根據(jù)文獻(xiàn)資料，已有10多種新型熒光物質(zhì)用于PLIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，如表2所示。這些熒光物質(zhì)，與不同的激發(fā)波長(zhǎng)和不同的溶劑組合在一起，或者2種不同發(fā)射波長(zhǎng)和環(huán)境(pH值、溫度和濃度)敏感性的熒光物質(zhì)組合在一起，實(shí)現(xiàn)二維或三維測(cè)量濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的目標(biāo)，拓寬了熒光物質(zhì)選擇的思路。今后，需要在研發(fā)3DLIF技術(shù)時(shí)進(jìn)一步開(kāi)展新型熒光物質(zhì)光譜特性和影響因素研究。

表2 新型熒光物質(zhì)Table 2 New fluorescent materials

2.3校正方法

不同的片光源技術(shù)和測(cè)量方案，有不同的校正技術(shù)，目的是提高測(cè)量精度。利用PLIF技術(shù)獲得的二維圖像信息，由于片光源的光強(qiáng)不均勻和沿光程衰減的影響，往往需要對(duì)獲得的湍流圖像進(jìn)行了校正，才能保證測(cè)量精度。廣泛應(yīng)用的PLIF校正方法是：先在測(cè)量空間獲取背景圖像和均勻濃度的熒光圖像，然后再進(jìn)行濃度測(cè)量，獲得測(cè)量圖像，利用下式獲得校正圖像：

黃真理[5]提出二維數(shù)字校正技術(shù)解決了片光源的光強(qiáng)高斯分布和沿程衰減問(wèn)題。J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同熒光染料組合測(cè)量pH值和溫度場(chǎng)的比值技術(shù)——雙激發(fā)激光誘導(dǎo)熒光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)。Sakakibara and Adrian[25]，Hishida and Sakakibara[26]，Kim et al[27]提出雙色/雙染料技術(shù)(Two-color/Two-dye Techniques)提高測(cè)量精度。具體做法是：選擇2種熒光物質(zhì)，羅丹明B和羅丹明110(Rhodamine 110)，一種(羅丹明B)對(duì)溫度很敏感，一種(羅丹明110)對(duì)溫度不敏感。2種熒光物質(zhì)的光譜差別較大，可以通過(guò)光學(xué)儀器將發(fā)射譜分開(kāi)，由2臺(tái)相機(jī)采集。這樣，校正圖像如下：

Lavieille et al，Matthias Bruchhausen et al，S.A.Kaiser和M.B.Long提出雙色/單染料技術(shù)(Two-color/Single-dye Technique)測(cè)量二維溫度場(chǎng)[28-29]，該方法與雙色/雙染料技術(shù)不同之處就是，熒光物質(zhì)為羅丹明B一種，將羅丹明B的發(fā)射譜分成對(duì)溫度敏感性完全不同的2個(gè)光譜帶，短波長(zhǎng)為“藍(lán)色”，長(zhǎng)波長(zhǎng)為“紅色”，形象稱(chēng)為雙色。分光后分別由2臺(tái)相機(jī)收集，2個(gè)光譜帶圖像的比值為校正圖像。

在圖像處理過(guò)程中，片光光強(qiáng)校正是一個(gè)非常重要的步驟，包括片光由于熒光物質(zhì)吸收沿光程的衰減、片光光強(qiáng)在橫向分布不均勻等，因此，根據(jù)需要對(duì)片光光強(qiáng)進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精度。

(1) 片光光強(qiáng)不均勻和沿程衰減校正

激光片光通過(guò)熒光液池時(shí)沿光程方向光強(qiáng)呈指數(shù)衰減。當(dāng)使用矩形均勻片光時(shí)，如圖11所示，只需進(jìn)行沿光程的衰減校正。如果使用傳統(tǒng)的扇形高斯分布的片光源，如圖12所示，進(jìn)行二維數(shù)字校正[5]。

(2) 熒光效應(yīng)影響因素校正

熒光物質(zhì)的熒光效應(yīng)受到很多環(huán)境因素的影響，包括熒光物質(zhì)濃度、激光功率、溶液pH值和溫度等[30]。這些因素如果在測(cè)量過(guò)程中發(fā)生變化，對(duì)熒光光強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生影響，需要根據(jù)實(shí)際影響的大小決定是否需要校正。

圖11 矩形均勻片光光強(qiáng)分布示意Fig.11 Rectangular uniform light-sheet intensity distribution

圖12 扇形高斯分布片光源Fig.12 The fan-type light-sheet with Gaussian intensity distribution

3 3DLIF測(cè)量?jī)x器設(shè)備研制

PLIF技術(shù)，又稱(chēng)平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，是通過(guò)采用激光片光源，能實(shí)時(shí)獲得二維分布信息的實(shí)驗(yàn)方法。3DLIF技術(shù)，中文叫“三維激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)”，是在PLIF技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型流體測(cè)量技術(shù)。移動(dòng)激光片光源掃描測(cè)量空間，同步控制片光源掃描、相機(jī)和激光器運(yùn)行，采集多截面二維信息和位置信息，通過(guò)標(biāo)定和校正以及三維重建技術(shù)，獲得流動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)和三維濃度(溫度)場(chǎng)。

目前，國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有3DLIF測(cè)量系統(tǒng)的定型產(chǎn)品和設(shè)備。一方面是由于PLIF設(shè)備是在國(guó)外公司的成熟產(chǎn)品——PIV設(shè)備基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，屬于PIV附加的功能，這一技術(shù)路線影響了3DLIF設(shè)備研發(fā)。另一方面，以喬治亞理工學(xué)院[10]為代表的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的3DLIF測(cè)量設(shè)備，由于片光源及其掃描技術(shù)的限制，這種分離式的測(cè)量裝置調(diào)試很困難，也不具備便捷性、安全性和可維修性，使3DLIF測(cè)量設(shè)備很難走向工程化和產(chǎn)業(yè)化。因此，研制水體3DLIF測(cè)量系統(tǒng)，需要在設(shè)計(jì)思想和技術(shù)路線上進(jìn)行創(chuàng)新，在片光源及其掃描方式的關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，才能形成便捷、安全和可維修的3DLIF測(cè)量?jī)x器。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果，從工程化和產(chǎn)業(yè)化的需求出發(fā)，我們開(kāi)展了基于3DLIF技術(shù)的水體三維標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量設(shè)備研究，研發(fā)兼顧工程應(yīng)用和基礎(chǔ)研究、滿(mǎn)足大尺度范圍、高頻脈動(dòng)和非恒定流動(dòng)測(cè)量需求的三維濃度場(chǎng)和溫度場(chǎng)測(cè)量設(shè)備。

3.1技術(shù)路線

圖13所示為基于新型激光片光技術(shù)三維濃度場(chǎng)(溫度場(chǎng))測(cè)量項(xiàng)目設(shè)備的技術(shù)路線。要研制測(cè)量流體三維濃度(溫度)場(chǎng)設(shè)備，首先需要研制新型矩形均勻片狀光系統(tǒng)，激光波長(zhǎng)為473nm(藍(lán)光)和532nm(綠光)，輸出功率分別在2W以上。

圖13 3DLIF技術(shù)測(cè)量三維濃度(溫度)場(chǎng)技術(shù)路線圖Fig.13 Roadmap of three dimensional scalar fields measurement by 3DLIF

有了矩形均勻片光源，利用矩形均勻片光源照射測(cè)量區(qū)域，可以獲得二維圖像。為了提高測(cè)量精度，采用校正測(cè)量裝置和校正測(cè)量軟件對(duì)二維圖像進(jìn)行校正。通過(guò)標(biāo)定和校正，獲得二維濃度(溫度)場(chǎng)。

為了完成三維測(cè)量，需要研制片光源掃描系統(tǒng)，以完成測(cè)量空間的三維掃描，與相機(jī)同步采樣相配合，獲得三維濃度(溫度)分布(包括時(shí)均和瞬時(shí)場(chǎng))。

圖像采集裝置是指相機(jī)在計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的精確同步控制下采集和存儲(chǔ)測(cè)量區(qū)域的熒光圖像。因此，相機(jī)需要具有快速采集和存儲(chǔ)圖像的功能和較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)?？紤]到非恒定流動(dòng)和湍流高頻率脈動(dòng)測(cè)量的需要，選擇高速相機(jī)及配套的圖像采集卡(相機(jī)速度越高，相應(yīng)的成像技術(shù)難度越高)。同步控制主要針對(duì)片光源掃描平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、高速相機(jī)快門(mén)和激光器運(yùn)行，要求同步完成圖像采集信號(hào)控制、片光源位置信息、激光器相關(guān)參數(shù)獲取。

3.2總體技術(shù)方案

3DLIF技術(shù)類(lèi)似于醫(yī)療上使用CT掃描技術(shù)，通過(guò)用激光片光對(duì)測(cè)量流動(dòng)空間進(jìn)行斷面掃描，得到多個(gè)截面的二維圖像信息，通過(guò)標(biāo)定和校正以及三維重建技術(shù)，獲得精細(xì)三維濃度(溫度)場(chǎng)。3DLIF技術(shù)測(cè)量和顯示流體三維濃度(溫度)場(chǎng)系統(tǒng)，是一項(xiàng)集光機(jī)電為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，分7個(gè)分系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，如圖14所示。

圖15為硬件系統(tǒng)示意圖，由7個(gè)分系統(tǒng)組成。

圖14 3DLIF標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量設(shè)備總體框架Fig.14 Overall framework of 3DLIF equipment

圖15 3DLIF標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量設(shè)備硬件系統(tǒng)示意圖Fig.15 Schematic of 3DLIF hardware system

(1) 激光器和片光源分系統(tǒng)，研制測(cè)量所需要的大尺寸矩形均勻片光源。激光器的激發(fā)波長(zhǎng)考慮藍(lán)光473nm和綠光532nm。

(2) 掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)分系統(tǒng)。用于搭載片光源掃描，搭載相機(jī)同步運(yùn)動(dòng)采集三維信息。

(3) 圖像采集存儲(chǔ)分系統(tǒng)。解決熒光信號(hào)采集和存儲(chǔ)問(wèn)題。

(4) 同步控制分系統(tǒng)。控制掃描平臺(tái)運(yùn)行、高速相機(jī)曝光和對(duì)焦、激光器運(yùn)行。

(5) 計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件分系統(tǒng)。是測(cè)量系器控制掃描平臺(tái)運(yùn)行、高速相機(jī)曝光和對(duì)焦、激光器運(yùn)行，采集、存儲(chǔ)信號(hào)，把采集到的圖像信息進(jìn)行處理和校正，計(jì)算出斷面的瞬時(shí)和時(shí)均標(biāo)量信息，并將多個(gè)斷面的標(biāo)量信息轉(zhuǎn)換成三維標(biāo)量場(chǎng)。

(6) 標(biāo)定與校正分系統(tǒng)。設(shè)計(jì)快捷、方便、簡(jiǎn)單的標(biāo)定與校正裝置(校正盒)，以獲得濃度-灰度曲線，以及熒光光強(qiáng)在測(cè)量區(qū)域的分布，用于熒光信號(hào)校正和熒光信號(hào)與濃度(溫度)場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。校正軟件對(duì)噪音、片光沿光程衰減、片光光強(qiáng)分布不均勻、激光功率變化、光學(xué)畸變等因素校正。

(7) 系統(tǒng)集成。將上述6個(gè)分系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行有機(jī)集成，形成一個(gè)安全、穩(wěn)定、方便、實(shí)用的示范樣機(jī)。

3.3儀器總體技術(shù)指標(biāo)

儀器總體技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 儀器總體技術(shù)指標(biāo)Table 3 Overall technical indicators of 3DLIF equipment

3.43DLIF關(guān)鍵技術(shù)

3DLIF技術(shù)三維測(cè)量需要解決的問(wèn)題是：如何利用激光片光源對(duì)測(cè)量空間進(jìn)行掃描，如何同步獲取二維清晰濃度場(chǎng)信息和片光源移動(dòng)空間位置信息，如何快速標(biāo)定和校正圖像，重建三維標(biāo)量場(chǎng)。3DLIF技術(shù)三維測(cè)量涉及的關(guān)鍵技術(shù)解決方案分述如下：

3.4.1總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)集成技術(shù)

3DLIF項(xiàng)目涉及激光光學(xué)、精密儀器、自動(dòng)控制、圖像處理、水力學(xué)和流體力學(xué)等多學(xué)科的交叉?；?DLIF技術(shù)研制流體三維標(biāo)量場(chǎng)高端測(cè)量設(shè)備，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。

從PLIF技術(shù)發(fā)展到3DLIF技術(shù)用于三維濃度測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)集成更加復(fù)雜，涉及眾多軟件與硬件分系統(tǒng)，比如激光器、片光源、掃描平臺(tái)、高速CMOS相機(jī)、高速存儲(chǔ)系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)、二維圖像處理，三維重構(gòu)、測(cè)量校正裝置、測(cè)量校正軟件等。如何將各分系統(tǒng)高效集成，使之成為有機(jī)整體，并且形成產(chǎn)業(yè)化，是研發(fā)測(cè)量設(shè)備的關(guān)鍵。

3.4.2大尺寸矩形均勻片光源技術(shù)

作為激發(fā)光的矩形均勻片光源，直接關(guān)系到熒光光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為測(cè)量物理量(溫度、濃度等)的精度。片光源通常包括激光器和光學(xué)整形系統(tǒng)。

目前，PLIF技術(shù)或3DLIF技術(shù)主要有2類(lèi)激光器：一是脈沖激光器，比如Nd：YAG激光器；二是連續(xù)光激光器，比如Ar+激光器。Ar+激光器主波長(zhǎng)為488nm和514.5nm，光束質(zhì)量好，可連續(xù)輸出，在TEM00模式下，輸出光強(qiáng)滿(mǎn)足高斯分布，輸出功率穩(wěn)定。Nd：YAG激光器輸出脈沖光，功率大，但光束質(zhì)量稍差，輸出光強(qiáng)與功率變化較大。從流動(dòng)顯示的直觀性角度來(lái)看，應(yīng)該采用連續(xù)激光器。

現(xiàn)有的激光器定型產(chǎn)品，通常產(chǎn)生點(diǎn)狀光束，簡(jiǎn)單利用柱面鏡擴(kuò)展為扇形片光源。目前采用的片光源形狀大部分為扇形。從光強(qiáng)分布的均勻性來(lái)看，扇形片光源光強(qiáng)的橫向分布(垂直于光程方向)為不均勻的高斯分布，光密度沿光程衰減。因此，由于激光器功率、光強(qiáng)分布的不均勻和沿程衰減等因素的影響，扇形片光源的測(cè)量范圍常常受限，給后期校正帶來(lái)很多困難。為了解決片光不均勻(高斯分布)對(duì)測(cè)量精度的影響，美國(guó)TSI公司研制了寬度為10cm的矩形均勻片光系統(tǒng)，該片光系統(tǒng)基本能滿(mǎn)足火焰燃燒等小尺度問(wèn)題，但對(duì)于水力學(xué)或流體力學(xué)中1m左右寬度的水槽實(shí)驗(yàn)流動(dòng)環(huán)境來(lái)說(shuō)，10cm寬度的片光源遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，沒(méi)有工程應(yīng)用價(jià)值。因此，研發(fā)大尺度的均勻片光源是應(yīng)用 3DLIF技術(shù)進(jìn)行三維測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)測(cè)量精度、便捷性和工程應(yīng)用都有十分重要的價(jià)值。

片光源需要通過(guò)搭載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量區(qū)域的掃描。從激光器的體積、重量、冷卻方式考慮，要獲得3DLIF技術(shù)所用片光源，固體激光器有顯著的優(yōu)勢(shì)。因此，推薦將研發(fā)的重點(diǎn)放在473nm和532nm的固體激光器上，采用半導(dǎo)體端面泵浦Nd:YVO4腔內(nèi)倍頻激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)片狀的532 nm綠光和473nm藍(lán)光的輸出。通過(guò)合色棱鏡使藍(lán)綠2束激光在空間上完全重合，實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)的共光路輸出；而后通過(guò)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)激光光束子午和弧矢方向的不等比例擴(kuò)束，最終形成均勻性>90%，在測(cè)量范圍內(nèi)光斑尺寸為500mm×2.0mm的片狀激光光束。矩形均勻片光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16所示。

新型激光片光技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) 基于陣列化結(jié)構(gòu)的片狀光激光光源

不同于單點(diǎn)激光輸出后采用復(fù)雜的擴(kuò)展整形方式，采用多點(diǎn)半導(dǎo)體激光bar泵浦的陣列化的扁平式固體激光器結(jié)構(gòu)，能夠直接實(shí)現(xiàn)片狀激光的輸出，從而大幅降低激光光束準(zhǔn)直整形難度。

(2) 片狀光泵浦勻化技術(shù)

點(diǎn)狀陣列激光光束輸出后再進(jìn)行整形勻化將增加光束的光學(xué)擴(kuò)展量，增加系統(tǒng)復(fù)雜度，從而降低激光光束的準(zhǔn)直性。因此，在激光器中加入光波導(dǎo)正對(duì)半導(dǎo)體激光bar的輸出光束整形，實(shí)現(xiàn)將離散的泵浦光束勻化為片狀勻化光束，從而能夠直接得到勻化的片狀輸出光束，大幅簡(jiǎn)化勻化整形結(jié)構(gòu)，并由于不增加擴(kuò)展量從而提高了光束準(zhǔn)直度。

(3) 高效率小型化的片狀473nm藍(lán)光激光器

473nm藍(lán)光激光器的基頻光946nm激發(fā)屬準(zhǔn)三能級(jí)結(jié)構(gòu)，下能級(jí)布局一定的粒子數(shù)，因此存在較嚴(yán)重的重吸收問(wèn)題。重吸收主要由泵浦功率、基態(tài)粒子數(shù)和晶體溫度決定，因此，在激光器的YAG晶體采用Nd離子中部摻雜的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)泵浦光束在波導(dǎo)內(nèi)的多次反射提高晶體內(nèi)部的泵浦功率密度，而且波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠更易控制晶體溫度，從而提高基頻光的轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)小型化、高功率的473nm藍(lán)光輸出。

圖16 激光片光系統(tǒng)和關(guān)鍵部件Fig.16 Laser-sheet system and its key parts

(4) 高精度擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)

在本方案準(zhǔn)直系統(tǒng)中，大口徑準(zhǔn)直光束的均勻性和片光源厚度方向的準(zhǔn)直度是主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在本方案中通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)將激光腰斑位于測(cè)量應(yīng)用范圍之間兼顧前后兩端的片光厚度，從而降低了對(duì)光束準(zhǔn)直度的要求；在優(yōu)化光束均勻性的過(guò)程中，把鏡頭的殘余畸變優(yōu)化成桶形畸變，可有效消除鏡頭邊緣光線的不均勻性，保證照度均勻性大于90%。

3.4.3片光源掃描技術(shù)

片光源掃描可分為有垂向和橫向掃描。對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件和不同流動(dòng)形態(tài)，有的適宜垂向掃描，有的適宜橫向掃描。片光源掃描平臺(tái)提供連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)和間歇式運(yùn)動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)模式。連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)是指片光源以均勻速度掃描，相機(jī)同步記錄拍攝，計(jì)算機(jī)記錄下每幀圖像的空間坐標(biāo)位置。間歇運(yùn)動(dòng)方式是指片光源在控制時(shí)間內(nèi)，對(duì)掃描空間取若干固定斷面進(jìn)行掃描，獲得固定截面的熒光圖像和坐標(biāo)位置。

如何設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)裝置，帶動(dòng)矩形均勻片光源完成對(duì)測(cè)量空間的掃描？為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了2個(gè)可行技術(shù)方案。一是掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)方案，如圖17(a)所示；二是平行反射鏡掃描方案，如圖17(b)所示。

圖17 片光源掃描系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.17 Schematic of laser-sheet scanningsystem design

(1) 掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。是為片光源提供安裝及掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，為圖像采集系統(tǒng)提供安裝和移動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證2套平臺(tái)同步運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)2套運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之間的位置關(guān)系調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)方向一致，能夠調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與水槽之間的位置關(guān)系，以測(cè)量相應(yīng)的位置。設(shè)計(jì)電控柜，用于放置圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)、同步控制箱、電源和計(jì)算機(jī)等。

掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成：片光源運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、相機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置調(diào)節(jié)裝置、平行性調(diào)節(jié)與測(cè)量裝置、機(jī)柜。機(jī)柜用于安裝計(jì)算機(jī)、圖像存儲(chǔ)單元、控制箱、電源及相關(guān)附件等，操作者可以實(shí)時(shí)進(jìn)行控制和操作。

3DLIF項(xiàng)目采用片光源掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與相機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)方案，可避免物距變化或者快速調(diào)焦對(duì)圖像清晰度的影響，解決了相機(jī)對(duì)焦和視場(chǎng)統(tǒng)一的問(wèn)題。因此，在總體設(shè)計(jì)中，將片光源掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與相機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，集成在一個(gè)“移動(dòng)平臺(tái)集成箱”中。

(2)平行反射鏡掃描儀。是利用一組平行反射鏡同步轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成片光對(duì)測(cè)量空間的三維掃描。圖17(b)所示是一組相互平行的反射鏡組合，O1、O2分別為反射鏡1和2的轉(zhuǎn)動(dòng)軸心。入射光的入射點(diǎn)O1固定不變。當(dāng)反射鏡1和2與水平面成45°角，光線從右入射通過(guò)O2反射到達(dá)反射鏡2的軸心O2，反射后水平入射加入水槽。當(dāng)反射鏡組合順時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得平行、連續(xù)的掃描片光，使片光從上到下平行移動(dòng)，對(duì)水槽進(jìn)行掃描。把O1O2反射鏡組合稱(chēng)為平行反射鏡掃描儀，采用聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，保證2個(gè)反射鏡的平行和旋轉(zhuǎn)的同步。

平行反射鏡掃描儀是利用一組平行反射鏡同步轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成垂直方向的三維掃描。與掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)方案相比，平行反射鏡掃描儀方案具有造價(jià)低、結(jié)構(gòu)組成和同步控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是也存在片光移動(dòng)速度和反射鏡角速度之間非線性的問(wèn)題，需要對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行非線性控制。

3.4.4圖像同步高速采集與存儲(chǔ)技術(shù)

基于3DLIF技術(shù)的三維標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量，需要利用片光源掃描測(cè)量空間，把時(shí)間序列的平面信息融合成三維立體信息，相關(guān)的圖像高速同步采集與存儲(chǔ)涉及2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是同步問(wèn)題；二是高速掃描帶來(lái)的穩(wěn)定性和成像質(zhì)量問(wèn)題。圖像同步采集與存儲(chǔ)涉及到片光源機(jī)械運(yùn)動(dòng)與圖像采集的同步控制。圖像高速采集與存儲(chǔ)主要是為解決流動(dòng)的非恒定性(隨時(shí)間變化)和湍流脈動(dòng)機(jī)理研究提出的要求。目前已有高速相機(jī)可滿(mǎn)足高速采集、傳輸和存儲(chǔ)的要求。此外，片光源在高速掃描時(shí)，對(duì)掃描平臺(tái)的穩(wěn)定性(尤其是初始加速段與末端減速段)、精度、壽命提出了很高要求。三維濃度(溫度)場(chǎng)測(cè)量，數(shù)據(jù)量特別大，對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度要求很高，基于固化硬盤(pán)與機(jī)械硬盤(pán)的綜合存儲(chǔ)模式是一種可行性較高的解決方案。關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1) 同步控制技術(shù)

3DLIF項(xiàng)目的同步控制，主要針對(duì)掃描運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、相機(jī)和激光器。實(shí)現(xiàn)掃描平臺(tái)與照相平臺(tái)的準(zhǔn)確同步運(yùn)行，是實(shí)現(xiàn)掃描位置與圖像精確匹配的關(guān)鍵。同時(shí)，同步控制器還要監(jiān)控激光器的運(yùn)行狀態(tài)，擬采用DSP28335設(shè)計(jì)同步控制器。DSP28335內(nèi)部集成了振蕩器OSC和基于鎖相環(huán)PLL的時(shí)鐘模塊，外部晶振提供的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置過(guò)的倍頻和分頻系數(shù)等時(shí)鐘管理模塊處理后才提供給DSP系統(tǒng)，既保證了系統(tǒng)時(shí)鐘的可靠性，又具有了實(shí)時(shí)配置外設(shè)時(shí)鐘的靈活性。DSP28335內(nèi)部具有3個(gè)32位的CPU定時(shí)器以及4個(gè)通用定時(shí)器，資源非常豐富， CPU最高工作時(shí)鐘150MHz，時(shí)鐘最大分辨率可達(dá)10-8s。利用其定時(shí)器對(duì)GPIO特定管腳進(jìn)行信號(hào)的周期翻轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的準(zhǔn)確輸出。

(2) 高速、高清晰圖像采集系統(tǒng)

系統(tǒng)須滿(mǎn)足在平臺(tái)快速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成圖像采集，同時(shí)保持足夠的圖像清晰度，避免水面波動(dòng)和快速運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像采集的影響，這對(duì)片光源設(shè)計(jì)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)模式和圖像采集帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。本系統(tǒng)采用光源從水槽底部垂直向上照射，相機(jī)從側(cè)面獲取圖像的方式，避免了水表面波紋對(duì)圖像質(zhì)量的影響，采用防抖高速相機(jī)(幀頻大、曝光時(shí)間短)，避免了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的抖動(dòng)影響圖像的清晰度。同時(shí)采用片光源掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與相機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)，可避免物距變化或者快速調(diào)焦對(duì)圖像清晰度的影響，解決了相機(jī)對(duì)焦和視場(chǎng)統(tǒng)一的問(wèn)題。

(3) 高速、大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)

針對(duì)系統(tǒng)單次1小時(shí)不間斷測(cè)量的特定要求和長(zhǎng)期保存原始數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，采用快速固態(tài)硬盤(pán)與大容量機(jī)械硬盤(pán)組合的存儲(chǔ)方式，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用調(diào)度軟件，實(shí)現(xiàn)高速大容量圖像存儲(chǔ)。

3.4.5標(biāo)定和校正以及三維重構(gòu)技術(shù)

對(duì)于定量的科學(xué)與工程研究而言，不僅需要直觀地展示濃度(溫度)的演化過(guò)程，而且需要知道濃度(溫度)在時(shí)間和空間上的準(zhǔn)確分布。PLIF技術(shù)屬于二維測(cè)量，通過(guò)標(biāo)定和校正獲得的是二維濃度(溫度)場(chǎng)。3DLIF技術(shù)測(cè)量三維濃度(溫度)場(chǎng)，需要把片光源掃描獲得的多個(gè)截面二維濃度(溫度)場(chǎng)通過(guò)三維重構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，直觀展現(xiàn)流體的三維結(jié)構(gòu)。濃度(溫度)場(chǎng)標(biāo)定的難點(diǎn)在于如何快速、準(zhǔn)確地將CCD/CMOS相機(jī)所采集的熒光光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成濃度值。校正的難點(diǎn)涉及激光片光源不均勻性、熒光沿光程衰減、相機(jī)和試驗(yàn)環(huán)境可變性等問(wèn)題。濃度(溫度)場(chǎng)三維重構(gòu)的難點(diǎn)在于坐標(biāo)系統(tǒng)的統(tǒng)一、采集圖像與空間位置的精確匹配以及圖像清晰度等方面。

(1) 濃度(溫度)場(chǎng)標(biāo)定和校正技術(shù)

激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)是通過(guò)測(cè)量熒光光強(qiáng)(灰度)來(lái)實(shí)現(xiàn)濃度(溫度)場(chǎng)的測(cè)量。因此，需要通過(guò)標(biāo)定曲線來(lái)建立熒光光強(qiáng)(灰度)與測(cè)量物理量(濃度、溫度)之間的關(guān)系。

通常需要在每次測(cè)量之前先進(jìn)行標(biāo)定。但是由于熒光效應(yīng)的影響因素很多，給開(kāi)展標(biāo)定工作帶來(lái)困難，特別是作為產(chǎn)業(yè)化的儀器設(shè)備，需要滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用中快速簡(jiǎn)便的要求。因此，擬對(duì)影響熒光物質(zhì)熒光效應(yīng)的各種因素進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，給出標(biāo)定參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)儀器使用者實(shí)現(xiàn)快速、簡(jiǎn)便標(biāo)定的目的。

另一方面，由于激光沿光程衰減、片光源不均勻性、相機(jī)和試驗(yàn)環(huán)境可變性等問(wèn)題，往往需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行校正，消除試驗(yàn)過(guò)程中和數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的誤差，以便提高測(cè)量精度。因此，為了方便校正，需要對(duì)影響測(cè)量精度的各種因素進(jìn)行全面實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，給出校正參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，供儀器使用者參考。

(2) 標(biāo)定和校正的智能識(shí)別技術(shù)

要保證測(cè)量的精度，需要在每次測(cè)量前進(jìn)行標(biāo)定和校正。為了使標(biāo)定和校正更加便捷，本項(xiàng)目專(zhuān)門(mén)研發(fā)標(biāo)定和校正裝置，通過(guò)智能識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)圖像采集和分析系統(tǒng)對(duì)標(biāo)定和校正裝置的自動(dòng)識(shí)別、判讀、信息提取和分析，獲得標(biāo)定和校正的所需參數(shù)。因此，需要將人工智能識(shí)別與標(biāo)定(校正)裝置的設(shè)計(jì)制造結(jié)合起來(lái)，形成一套標(biāo)定和校正的智能識(shí)別技術(shù)。

(3) 計(jì)算機(jī)圖像處理和三維重建技術(shù)

本項(xiàng)目采用的計(jì)算機(jī)，一臺(tái)作為上位機(jī)，一臺(tái)用于同步控制以及圖像的采集、傳輸和存儲(chǔ)。上位機(jī)包括圖像處理和三維重建2個(gè)功能，完成圖像預(yù)處理、標(biāo)定、校正和三維濃度(溫度)場(chǎng)重建等工作。

圖像處理主要根據(jù)標(biāo)定和校正分系統(tǒng)提供的灰度-濃度計(jì)算公式實(shí)現(xiàn)圖像灰度到濃度的轉(zhuǎn)換，將圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間三維坐標(biāo)。

濃度(溫度)場(chǎng)的三維重構(gòu)通過(guò)插值算法對(duì)原始數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行插值，然后通過(guò)構(gòu)網(wǎng)算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)場(chǎng)點(diǎn)云的網(wǎng)格化，網(wǎng)格化后的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顏色值，并根據(jù)著色模式的設(shè)置進(jìn)行空間體(或空間面)的著色，最后實(shí)現(xiàn)濃度(溫度)場(chǎng)的重構(gòu)。關(guān)鍵技術(shù)在于優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)重構(gòu)技術(shù)。

三維數(shù)據(jù)重構(gòu)支持2種重構(gòu)模式：面重構(gòu)和體重構(gòu)。面重構(gòu)是指單獨(dú)對(duì)計(jì)算機(jī)和圖像處理軟件系統(tǒng)輸出的各個(gè)平面上的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)重構(gòu)，如圖18(a)所示。體重構(gòu)是指由多個(gè)平面上的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)數(shù)據(jù)場(chǎng)后，通過(guò)體重構(gòu)的方式進(jìn)行重構(gòu)表現(xiàn)，如圖18(b)所示。

圖18 三維重構(gòu)示意圖Fig.18 Schematic of 3D reconstruction

4 結(jié) 語(yǔ)

LIF技術(shù)應(yīng)用于流動(dòng)測(cè)量始于20世紀(jì)70年代，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等方面的進(jìn)步，經(jīng)歷了從定性到定量，從一維(LIF)、二維(PLIF)到三維(3DLIF)測(cè)量的發(fā)展歷程,在環(huán)境水力學(xué)和湍流基礎(chǔ)研究等方面得到了廣泛利用。

本文介紹了LIF技術(shù)應(yīng)用于水體濃度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)測(cè)量的基本原理，綜述了激光誘導(dǎo)熒光(LIF)技術(shù)測(cè)量水體場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，包括激光器和片光源技術(shù)、熒光物質(zhì)選擇和校正技術(shù)。從工程化和產(chǎn)業(yè)化的需求出發(fā)，提出了基于3DLIF技術(shù)的水體三維標(biāo)量場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的總體技術(shù)方案、技術(shù)路線和總體技術(shù)指標(biāo)，并給出了3DLIF項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案。

[1]Karasso P S,Mungal M G.PLIF measurements in aqueous flows using the Nd:YAG laser[J].Experiments in Fluids,1997,23(5):382-387.

[2]陳國(guó)珍.熒光分析法[M].北京:科學(xué)出版社,1990.Chen G Z.Fluorescence analysis[M].Beijing:Science Press,1990.

[3]杜閏萍,劉喆,程易,等.平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)用于快速液-液混合過(guò)程溫度場(chǎng)測(cè)量[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2007,7(5):859-864.Du R P,Liu Z,Cheng Y,et al.Planar laser induced fluorescence technique for rapid liquid-liquid mixing process temperature field measurement[J].Journal of Process Engineering,2007,7(5):859-864.

[4]申功炘,晉健.LIF噴流混合流濃度場(chǎng)定量測(cè)量[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1992,24(4):488-492.Shen G X,Jin J.LIF jet mixing flow concentration field quantitative measurement[J].Journal of Mechanics,1992,24(4):488-492.

[5]黃真理,李玉梁,余常昭.PLIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)及其二維數(shù)字校正[J].力學(xué)學(xué)報(bào),1994,26(5):616-624.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z.PLIF technique to measure the concentration field and the two-dimensional digital correction[J].Journal of Mechanics,1994,26(5):616-624.

[6]黃真理,李玉梁,余常昭.平面激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測(cè)量橫流中射流濃度場(chǎng)的研究[J].水利學(xué)報(bào),1994,(11):1-7.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z.Planar laser induced fluorescence technique measure transverse jet concentration field in the study[J].Journal of Hydraulic Engineering,1994,(11):1-7.

[7]Prasad R R,Sreenivasan K R.Quantitative three-dimensional imaging and the structure of passive scalar fields in fully turbulent flows[J].J Fluid Mech,1990,216:1-34.

[8]Dahm W J A,Southerland K B,Buch K A.Direct,high resolution,four-dimensional measurements of the fine scale structure of Sc?1 molecular mixing in turbulent flows[J].Physics of Fluids A,1991,3(5):1115-1127.

[9]Deusch S,Dracos T.Time resolved 3D passive scalarconcentration-field imaging by laser induced fluorescence(LIF)in moving liquids[J].Meas Sci Technol,2001,12(2):188-200.

[10]Tian X D,Roberts P J W.A 3D LIF system for turbulent buoyant jet flows[J].Experiments in Fluids,2003,35(6):636-647.

[11]Van Vliet E,Van Bergen S M,Derksen J J,et al.Time-resolved,3D,laser-induced fluorescence measurements of fine-structure passive scalar mixing in atubular reactor[J].Experiments in Fluids,2004,37(1):1-21.

[12]Delo C J,Kelso R M,Smits A J.Three-dimensional structure of a low-Reynolds-number turbulent boundary layer[J].J Fluid Mech,2004,512:47-83.

[13]Sarathi P.A calibration scheme for quantitative concentration measurements using simultaneous PIV and 3DLIF[J].Experiments in Fluids,2012,52:247-259.Doi:10.1007/s00348-011-1219-7.

[14]Dahm W J A,Su L K,Southerland K B.A scalar imaging velocimetry technique for fully resolved four-dimensional vector velocity field measurements in turbulent flows[J].Physics of Fluids A,1992,4(10):2191-2206.

[15]Crimaldi J P.Planar laser induced fluorescence in aqueous flows[J].Experiments in Fluids,2008,44:851-863.Doi:10.1007/s00348-008-0496-2.

[16]Koga D J,Abrahamson S D,Eaton J K.Development of a portable laser sheet[J].Experiments in Fluids,1987,5:215-216.

[17]唐靜,謝正茂,何俊華,等.用于尾流探測(cè)的新型片光源[J].光電子·激光,2012,23(2):408-412.Tang J,Xie Z M,He J H,et al.New light source to detect wake flow[J].Journal of Optoelectronics,Lasers,2012,23(2):408-412.

[18]唐洪武.現(xiàn)代流動(dòng)測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2009.Tang H W.Modern flow measurement technology and application[M].Beijing:Science Press,2009.

[19]夏國(guó)朝,陶慧林.羅丹明6G的三維熒光和共振散射光譜[J].光譜實(shí)驗(yàn)室,2008,25(5):773-777.Xia G C,Tao H L.Three-dimensional fluorescence and resonance scattering spectral of rhodamine 6G[J].Journal of Spectroscopy Laboratory,2008,25(5):773-777.

[20]Sakakibara J,Hishida K,Maeda M.Measurements of thermally stratified pipe flow using image-processing techniques[J].Experiments in Fluids,1993,16:82-96.

[21]Arcoumanis C,McGuirk J J,Palma J M L.On the use of fluorescent dyes for concentration measurements in water flows[J].Experiments in Fluids,1990,10:177-180.

[22]Coppeta J,Rogers C.Dual emission laser induced fluorescence for direct planar scalar behavior measurements[J].Experiments in Fluids,1998,25:1-15.

[23]Cowen E A,Chang K A,Liao Q.A single-camera coupled PTV-LIF technique[J].Experiments in Fluids,2001,31:63-73.

[24]Nataliya P V,Rosaria P H,Janell B S,et al.Alexa dyes,a series of new fluorescent dyes that yield exceptionally bright,photostable conjugates[J].J Histochem Cytochem,1999,47(9):1179-1188.

[25]Sakakibara J,Adrian R.Whole field measurement of temperature in water using two-color laser-induced fluorescence[J].Experiments in Fluids,1999,26:7-15.

[26]Hishida K,Sakakibara J.Combined planar laser-induced fluorescence and particle image velocimetry technique for velocity and temperature fields[J].Experiments in Fluids,2000,29:S129-S140.

[27]Kim K S,Choi M S,Lee C H,et al.In-cylinder fuel distribution measurements using PLIF in a SI engine[C].SAE Special Publications,Detroit,MI,USA,1997.

[28]Matthias B,Fabrice G,Fabrice L.Instant aneous measurement of two-dimensional temperature distributions by means of two-color planar laser induced fluorescence (PLIF)[J].Experiments in Fluids,2005,38:123-131.Doi:10.1007/s00348-004-0911-2.

[29]Kaiser S A,Long M B.Quantitative planar laser-induced fluorescence of naphthalenes as fuel tracers[J].Proc of the Combustion Institute,2005,30:1555-1563.

[30]黃真理,李玉梁,余常昭,等.LIF技術(shù)測(cè)量濃度場(chǎng)的影響因素分析[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),1994,9(3):232-240.Huang Z L,Li Y L,Yu C Z,et al.Factors influencing the concentration field of LIF technology measurement[J].Journal of Experimental Mechanics,1994,9(3):232-240.

黃真理(1966-)，男，貴州平壩人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師。研究方向：水力學(xué)與河流動(dòng)力學(xué)(環(huán)境與生態(tài)水力學(xué))、水利工程生態(tài)與環(huán)境保護(hù)。通信地址：北京市海淀區(qū)復(fù)興路甲1號(hào)A座1226(100038)。E-mail:zhlhuang@263.net

(編輯：張巧蕓)

Studyonthreedimensionallaser-inducedfluorescence(3DLIF)techniquesanditsinstrument

Huang Zhenli1,*,Zhou Weihu2,Qu Zhaosong3

(1.China Institute of Water Conservancy and Hydropower,Beijing 100038,China;2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China;3.Beijing Sinfotek Company,Beijing 100085,China)

This paper introduces the principle of the LIF technique to measure the water concentration,temperature and velocity fields，summarizes the LIF technology development from 1D to 3D,reviews the key issues of LIF to measure the scalar field in water,including laser and light-sheet sources,fluorescence material selections and calibration methods,and finally reviews various correction methods of PLIF and 3DLIF.Based on the 3DLIF techniques,this paper proposes an overall technical scheme,technical route and overall technical indicators of 3DLIF instrument,and then provides solutions of 3DLIF key techniques to meet the demand of engineering and industrialization.

three dimensional laser-induced fluorescence (3DLIF);water body;the scalar field measurement

TV149.3

A

1672-9897(2017)05-0001-14

10.11729/syltlx20160173

2016-11-14;

2017-05-19

國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目(51427808)

*通信作者 E-mail:zhlhuang@263.net

HuangZL,ZhouWH,QuZS.Studyonthreedimensionallaser-inducedfluorescence(3DLIF)techniquesanditsinstrument.JournalofExperimentsinFluidMechanics,2017,31(5):1-14.黃真理,周維虎,曲兆松.三維激光誘導(dǎo)熒光(3DLIF)技術(shù)及測(cè)量水體標(biāo)量場(chǎng)設(shè)備研究.實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2017,31(5):1-14.