【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于流场速度探测，具体涉及一种检测流场局部速度分布的方法及系统。
技术介绍
1、流场测速在医疗、气象、航天航海等各个方面都有十分重要的意义。在医疗方面，通过监测血液的流动情况可以反映人体器官病变状态并可根据结果调整诊断方案；气象方面，对高空湍流以及风沙流的流速监测对天气预测和灾害防范等方面起到重要作用；航天航海方面，通过对机翼、船舰螺旋桨等航行体周围流场速度的探测可以实现对飞机、船舰等的识别和探测。
2、从最初的单点的接触式测速技术(毕托管、热线风速仪)到非接触式、无干扰的激光测速技术，近年来流场测量技术迅速发展。激光测速技术大致分为两类：基于固体力学散斑法的粒子图像测速技术(particle image velocimetry,piv)和基于多普勒效应的激光多普勒测速技术(laser doppler velocimetry,ldv)。piv测速法通过对散布到流场中的示踪粒子进行两次或多次曝光获得多帧图像，再利用图像互相关方法对拍摄所得的多帧图像进行分析从而获得流场切面上多点的流体速度分布。ldv测速技术通过测量激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频移的关系得到速度。激光多普勒测速法对流场无干扰，测速范围广，测量精度高。
3、然而，现有的ldv测速方法只能对流场中单点的速度进行探测，不能实现对流场局部区域内多点速度的探测和识别。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中所存在的上述问题，本专利技术提供了一种检测流场局部速度分布的方法及系统
2、本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
3、本专利技术提供一种检测流场局部速度分布的方法，包括：
4、分别生成第一高斯光束和具有变化角向相位梯度的涡旋光束；其中，所述涡旋光束是根据第二高斯光束生成，所述第一高斯光束和所述第二高斯光束是对原始高斯光束进行分束获得，所述涡旋光束携带n个不同的拓扑荷数，且所述涡旋光束的光斑半径已知；n为大于或等于2的整数；
5、将所述涡旋光束正入射到被测流场中，得到携带流体局部速度分布信息的目标探测光；
6、将所述第一高斯光束和所述目标探测光进行干涉，得到外差干涉信号；
7、对所述外差干涉信号进行探测和分析，得到所述外差干涉信号的多普勒频谱；
8、根据所述多普勒频谱、所述n个不同的拓扑荷数、所述n个不同的拓扑荷数在光场内的分布区域和所述涡旋光束的光斑半径，确定所述被测流场中的流体粒子的速度和所述流体粒子的分布区域。
9、本专利技术还提供一种检测流场局部速度分布的系统，包括：
10、光束生成子系统，用于分别生成第一高斯光束和具有变化角向相位梯度的涡旋光束；其中，所述涡旋光束是根据第二高斯光束生成，所述第一高斯光束和所述第二高斯光束是对原始高斯光束进行分束获得，所述涡旋光束携带n个不同的拓扑荷数，且所述涡旋光束的光斑半径已知；n为大于或等于2的整数；
11、光束干涉子系统，用于对所述第一高斯光束和目标探测光进行干涉，得到外差干涉信号；其中，所述目标探测光是所述涡旋光束照射被测流场后得到的携带流体局部速度分布信息的光束；
12、探测设备，用于对所述外差干涉信号进行探测；
13、频谱分析设备，用于对探测到的所述外差干涉信号进行频谱分析，得到所述外差干涉信号的多普勒频谱；
14、计算设备，用于根据所述多普勒频谱、所述n个不同的拓扑荷数、所述n个不同的拓扑荷数在光场内的分布区域和所述涡旋光束的光斑半径，确定所述被测流场中的流体粒子的速度和所述流体粒子的分布区域。
15、与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
16、本专利技术首先生成具有变化角向相位梯度的涡旋光束，该涡旋光束携带多个不同拓扑荷数，且光斑半径已知，之后，将该涡旋光束作为探测光照射到二维流场(即被测流场)中，流场中的粒子在光束传输截面不同区域以各自速度沿一定方向运动，之后经过运动粒子散射的探测光和作为参考光的高斯光干涉后得到外差干涉信号，然后，根据外差干涉信号得到相应的多普勒频谱，最终根据多普勒频谱、多个不同拓扑荷数、多个不同的拓扑荷数在光场内的分布区域和光斑半径，实现对流场局部的粒子的位置分布与速度的识别和探测。由于，光场中每个区域内产生的多普勒频移不仅与该区域内的粒子的速度相关，还与该区域的拓扑荷数相关，在一个很小的局部区域，当粒子的速度区别不大时，在不同角向位置携带不同拓扑荷数的涡旋光可以将散射光频率在频谱域内分散开，因此可以根据不同位置(不同拓扑荷数的分布区域)与速度的对应关系，从而实现流场中局部不同位置处具有微小区别的粒子速度大小的检测，以及具有该速度大小的粒子的分布区域的检测，并且，探测精度高、操作简单且对被测流场无接触。
17、以下将结合附图及对本专利技术做进一步详细说明。
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1.一种检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，所述分别生成第一高斯光束和具有变化角向相位梯度的涡旋光束，包括：
3.根据权利要求2所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，沿着光束的传输路径，所述第一透镜组依次包括：第一平凸透镜、第二平凸透镜和偏振片。
4.根据权利要求2所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，沿着光束的传输路径，所述第二透镜组依次包括：第三平凸透镜、小孔光阑、第四平凸透镜和第五平凸透镜。
5.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，所述n个不同的拓扑荷数中，相邻两个拓扑荷数之间的数值间隔大于或等于预设值。
6.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，采用所述涡旋光束照射被测流场，得到携带流体局部速度分布信息的目标探测光，包括：
7.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，根据所述多普勒频谱、所述n个不同的拓扑荷数、所述n个不同的拓扑荷数在光场内的分布
8.一种检测流场局部速度分布的系统，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的检测流场局部速度分布的系统，其特征在于，所述光束生成子系统包括：
10.根据权利要求9所述的检测流场局部速度分布的系统，其特征在于，所述光束生成子系统还包括：
...【技术特征摘要】
1.一种检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，所述分别生成第一高斯光束和具有变化角向相位梯度的涡旋光束，包括：
3.根据权利要求2所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，沿着光束的传输路径，所述第一透镜组依次包括：第一平凸透镜、第二平凸透镜和偏振片。
4.根据权利要求2所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，沿着光束的传输路径，所述第二透镜组依次包括：第三平凸透镜、小孔光阑、第四平凸透镜和第五平凸透镜。
5.根据权利要求1所述的检测流场局部速度分布的方法，其特征在于，所述n个不同的拓扑荷数中，相邻两个拓扑荷数之间的数值间隔大于或等于预设值...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲁振中，刘敏，马琳，胡紫琦，黄尚涛，韩彪，廖家莉，王子豪，孙艳玲，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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