声光调制器实现的激光测速系统与高湍流度回流流动测量

"本文主要探讨了采用光学频移技术的激光测速系统，特别是利用声光调制器作为频移器件的应用。文章介绍了频移原理及其在解决激光测速仪方向模糊问题上的作用，同时也讨论了不同类型的光学频移器件的优缺点。作者通过实际实验，展示了该系统在测量二维阶跃扩张管道中高湍流度回流流动的能力，从而获取平均速度、湍流度等关键数据。" 激光测速系统，特别是激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry, LDV），已经成为流体力学研究中不可或缺的工具。LDV通过测量激光光束与运动粒子相互作用时产生的多普勒频移来确定流体的速度。然而，传统LDV系统往往存在方向模糊问题，即无法区分流体的速度正反向。为了解决这个问题，引入了光学频移技术。 光学频移的基本原理是改变返回到探测器的激光频率，使得正向和反向流动产生的频移信号位于不同的频率范围内，从而可以分别解析。这种方法不仅解决了方向模糊问题，还提升了信号处理的性能，比如更容易去除基底频谱、突破横向速度限制以及扩大信号的动态范围。 文中提到的三种常见的光学频移器件包括旋转光栅、声光器件和电光器件。旋转光栅虽然结构简单，但其衍射效率低且频移量小，稳定性受光栅质量影响。电光器件则可以快速精确地控制频率变化，但需要高驱动电压，可能引入视频干扰。相比之下，声光器件，尤其是声光调制器，具有高衍射效率、低驱动电压和小巧的体积，更有利于系统集成，因此被认为具有较大的发展潜力。 文章中，研究者选择声光调制器作为频移元件，构建了一套频移型激光测速系统，并将其应用于二维单边阶跃扩张管道的流场测量。高湍流度回流流场的特性使得这一测量更具挑战性，但实验结果表明，该系统能够成功地测量出流场的平均速度和湍流度，验证了系统的有效性和准确性。 这项工作展示了光学频移技术在提高激光测速系统性能方面的潜力，特别是在处理复杂流场如高湍流度回流流动时的优势。通过不断优化和改进，这类系统有望在流体动力学研究和工业应用中发挥更大的作用。