2.2 关键技术与技术路线

潮流的特点是非恒定、长周期。潮流环境下的射流紊动扩散研究对PIV-PLIF同步测量系统提出四方面要求：①测量面积大，可以覆盖射流随潮摆动扫过的主要影响区域；②采样频率与图像分辨率高，能够动态、实时捕捉紊动射流中较小尺度的脉动涡旋；③数据传输快、存储容量大，可以保证连续采集时海量图像数据的高速传输与存储；④软件系统应具备计算和分析浓度场、流场及其紊动参数的功能。

2.2.1 关键技术

（1）大尺寸均匀片光的生成。PIV-PLIF测量系统需要将激光输出的光束通过扩束光学组件扩展为片光。目前，常用的经半圆柱透镜扩展生成的片光，光强近似于高斯分布，非常不均匀，中间与两端能量差别较大。该类型片光一方面会限制测量范围，另一方面浓度场校正也比较复杂。如何将光强分布不均匀的扇形片光整形为均匀分布的矩形片光是实现大范围测量的关键技术，也是难点之一。

（2）流场与浓度场图像高速同步采集。根据PIV与PLIF的测量原理可知，PIV需要采集水体中示踪粒子的散射光，其波长就是激光波长；而PLIF需要采集荧光溶液被激光激发后产生的荧光。目前常用方式是在一套光路系统下，利用荧光与散射光波长不同的特点，通过装有不同滤光镜的两台相机分别采集流场与浓度场图像。因此，系统设计中必然涉及两个相机的同步控制。为捕获高频小涡的脉动，要求相机具有较高的频响特性和分辨率。两台高分辨率相机在连续高速采集的过程中每秒将生成上百兆的数据流，对系统的数据传输速度以及存储容量提出较高要求。

（3）浓度场校正技术。采用PLIF技术测量浓度场时，由于激光片光横向光强不均匀并沿光程方向衰减，即使是相同浓度的荧光溶液，在不同位置也会被激发出不同强度的荧光。对于小尺寸片光，上述影响不明显，因此很多系统在计算浓度场时不考虑光强修正；但是对于大尺寸片光，如果不对横向与纵向的光强进行修正，就会影响浓度场测量结果。因此，大范围测量时的浓度场校正就显得十分重要，也成为开发本系统的关键技术。

2.2.2 技术路线

为解决大范围、高帧频PIV-PLIF同步测量系统的上述关键技术问题，本研究在系统设计上需要重点考虑以下问题：激光器类型及与之匹配的荧光物质的选择；大尺寸均匀片光的形成方法；流场与浓度场图像同步高速采集、传输、存储的方法；浓度场校正方法；图像预处理方法以及射流流场与浓度场研究对系统软件功能的要求。

（1）激光器。激光器是PIV-PLIF同步测量系统的基础设备。激光器的选择主要考虑三个因素：①输出的激发光波长有相应的荧光物质匹配，且荧光效率高，信噪比大；②输出功率稳定，尽量减小光强波动对PLIF测量精度的影响；③激光强度较大，保证扩展为片光后的光强能够满足PIV与PLIF测量要求。

目前，常用的激光器有两种类型，连续波氩离子（Ar⁺）激光器与Nd：YAG脉冲固体激光器。连续波氩离子（Ar⁺）激光器具有较好的空间模式与空间指向性，光束质量好，输出功率稳定，变幅小于1%。该激光器在可见光区可同时输出7～8条光谱线，其中514.5nm和488nm为最强，约占其总输出功率的30%～40%，可分别用于激发罗丹明6G与荧光素钠。Nd：YAG激光器的优势为输出功率高，瞬间可达10⁷W量级^［223］，对于流场测试非常有利，但脉冲间能量波动大，光束分布也有差异，会影响浓度场测量。Nd：YAG激光器输出波长主要为532nm，可激发罗丹明B或罗丹明6G产生荧光。

PLIF需要采集荧光光强，对激光输出功率的稳定性、光强分布的均匀性等均有较高要求。PIV需要采集水体中示踪粒子的散射光，只要光强足够即可，对光强分布的均匀性没有过高要求。氩离子（Ar⁺）连续激光器对于PIV-PLIF同步测量技术更具优势。

（2）荧光物质。荧光物质的选取对PLIF技术非常重要。根据荧光产生的过程可知，荧光波长总是大于其激发光波长，这就为分离激光和荧光提供了可能。浓度场测量荧光物质的选择一般考虑以下几方面因素：①根据已有激光器波长来选择与之匹配的荧光物质，并且激光波长应尽量接近荧光物质激发光谱峰值，保证较高的荧光效率。②激发光与荧光之间的Stokes位移应尽可能大，以便在使用滤光片拦截激发光时，荧光通过率高。同时，荧光物质具有较高的量子产生率和适中的吸光系数，量子产生率高则荧光强，有利于检测到荧光信号。但吸光系数太大，又会使激发光在穿过荧光物质溶液时很快被吸收，光程太短会限制了测量的范围。③具有较好的抗干扰能力，对温度、pH值不敏感。④可溶于水，并且毒性较低。

荧光物质的种类很多，唐洪武（2010）、黄真理（2014）对常见荧光物质的特性进行了总结^{［136，223］}。目前，常用于PLIF浓度场测量的荧光物质主要有两种，罗丹明6G和荧光素钠，其特性对比见表2.1。罗丹明6G（Rhodamine 6G），吸收峰值为525nm，可用氩离子（Ar⁺）激光器中的514.5nm或Nd：YAG激光器的532nm的绿光去激发，发射光谱峰值为555nm；荧光素钠（Fluorescein Sodium），吸收峰值为490nm，与氩离子（Ar⁺）激光器中488nm的蓝光相匹配，发射峰值为515nm。这两种荧光物质的量子产生率都比较高，对温度不敏感，可用于浓度测量。荧光素钠对人体几乎无毒性，具有优良的环保特性。

综合考虑流场与浓度场对激光器的要求以及两种常见的荧光物质特性，拟选择美国Coherent公司生产的氩离子（Ar⁺）连续气体激光器，分离出波长为488nm的蓝光作为激发光源，以荧光素钠作为浓度场测量的示踪剂。

（3）大尺寸均匀片光。片光尺寸决定了PIV-PLIF系统的单次测量范围，对非恒定流条件下流场与浓度场测试尤为重要。传统的片光产生方式多用柱面透镜扩展激光光束，片光光强呈不均匀的高斯分布。片光光强分布不均一方面会直接影响浓度场测量结果，另一方面也限制了流场与浓度场的有效测量区域。

本系统采用鲍威尔棱镜（Powell lens）与菲涅尔透镜（Fresnel lens）组合生成矩形片光。鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，它使激光束通过后被划成光密度比较均匀、稳定性好的一条直线。该划线模式优于柱面透镜的扩束模式，光强呈现中间段比较平坦两端大的分布形式^{［204，224］}。鲍威尔棱镜扩束后的片光均匀性一般不低于75%，高质量的鲍威尔棱镜均匀性更可接近80%。与此同时，鲍威尔棱镜在片光扇角选择上也比较灵活，扇角甚至可以超过90°，便于将激光束扩展为大面积片光。但大扩角也会导致光强沿光程方向衰减较快，激光功率不能被高效利用的问题。为此，需要将扩展后的扇形光聚拢，形成矩形片光。菲涅尔透镜具有平行聚焦和进一步均化光强分布的特性，如果将鲍威尔棱镜置于菲涅尔透镜的焦点，扇形片光经菲涅尔透镜后就会形成光强分布更为均匀的平行光。菲涅尔透镜的长度决定了片光的尺寸，它具有成本低，制作方便的优势，容易满足大尺寸片光的要求。但菲涅尔透镜加工工艺决定了工作面由许多不同焦距的同心圆环透镜构成，经菲涅尔透镜射出的片光将由密集的、明暗相间的平行干涉条纹组成，条纹间距与菲涅尔透镜齿距有关。

（4）流场与浓度场图像同步高速采集、传输与存储。为满足潮流中射流研究提出的高频率采样及捕捉微小湍流结构的要求，必须选择高分辨率的高速相机以及配套的图像采集卡。与CCD相机比，CMOS相机像素读取速度更快，适合于高帧频图像采集^{［152，156］}。

当两台高分辨率相机同步高速采集流场与浓度场图像时，每秒将产生几百兆字节（MB）的数据流。潮流周期较长，如果连续采集流场与浓度随潮过程，产生的数据量高达几太字节（TB）。因此，不仅要求系统具备高速传输能力，还要有强大的存储能力。Camera Link是一个工业高速串口数据的连接协议，近些年很多高速相机配套的图像采集卡都带有Camera Link接口。磁盘阵列是目前提高计算机性能和扩大磁盘容量常用的一种技术，其基本原理是利用多块独立的物理硬盘按照不同RAID级别组合形成一个硬盘组，不仅可以增强数据集成度，增强容错功能，增加处理量或容量，还可以自动进行数据备份，在连续存储数据方面具有更高的安全性。

为同时测量流场与浓度场，两台相机需要分别采集流场中示踪粒子的散射光以及浓度场中荧光素钠溶液产生的荧光。这两种光的波长不一样，散射光波长等于激发光波长，为488nm；荧光波长约515nm，需要在PIV与PLIF相机镜头前安装不同的滤光片。

为保证双相机高频、连续采集图像数据的同步性，还要在系统硬件和软件结构上进行合理设计。本项研究采用两个采集卡分别安装在两台计算机，通过TCP网络协议以软件控制的方式实现双相机的同步采集控制。

基于上述分析，本系统拟采用两台高分辨率、高速CMOS数字相机进行图像采集。每台相机为保证高的数据传输速度，均带有双Camera Link接口的图像采集卡。为保证足够大的存储空间，考虑采用两台配有磁盘阵列的工控机分别存储流场与浓度场图像。双相机的同步采集通过软件控制实现，当一台计算机发送命令给采集卡驱动相机开始采集时，同步通过TCP网络协议发送给另一台计算机，并驱动该计算机的图像采集也触发相机开始采集。

（5）浓度校正方法。PLIF测量浓度场的关键是将荧光灰度图像转换为真实浓度场。根据前面论述可知，对于相同浓度的荧光溶液，入射光强不同，就会产生不同的荧光光强。因此，当片光光强分布不均匀时必须进行校正，才能获得正确的浓度场。

片光的不均匀主要体现在两个方面：①横向分布不均匀；②沿光程衰减。其中，后者服从Beer-Lambert定律，沿光程呈指数衰减，便于校正；前者根据片光类型不同，光强分布各异，有的可用公式描述，如柱面透镜扩展的高斯分布片光，适合用数字校正方法。有的无法用公式描述，校正问题就成为难点。

本系统采用鲍威尔棱镜与菲涅尔透镜组合扩展激光束后形成的矩形平行片光，虽然横向光强分布已经比较均匀，但还会存在一定差异，而且其分布形式比较复杂，难以用统一公式去描述。考虑到片光由一系列密集的、明暗相间的平行条纹组成，拟建立基于各列独立处理的浓度场校正方法。

（6）图像预处理方法。几何畸变与噪声是图像采集过程中不可避免的问题。为获得真实可靠的图像，提高图像质量，必须对其进行预处理。

引起成像畸变的主要原因是相机物镜的几何畸变，分为径向畸变、切向畸变、偏心畸变以及仿射畸变四类。采用标定方式可对图像畸变进行校正。

噪声按其产生的原因可以分为内部噪声和外部噪声。①内部噪声由系统内部成像原件及电路系统产生。数字图像中最常见的内部噪声有椒盐噪声、脉冲噪声等。椒盐噪声是由图像传感器、传输信道、解码处理等产生的黑、白相间的亮、暗点。脉冲噪声只含有随机的白或黑强灰度值（正或负脉冲噪声），由持续时间短和幅度大的不规则脉冲尖峰组成。针对椒盐噪声、脉冲噪声，系统可选用中值滤波器进行滤波。②外部噪声由系统成像光路中的外部干扰形成。水中不可避免出现的杂质群会对荧光进行散射或遮挡，导致采集的图像出现非连续性的乘性噪声。可选用高斯滤波器进行平滑处理。

（7）软件功能要求。软件主要功能应包括：测量系统的参数标定；流场和浓度场图像的同步采集、存储；图像校正与处理；流场与浓度场的计算与叠加；紊动参数的计算分析。

基于上述分析，系统研发技术路线如图2.2所示。整个系统包括硬件与软件两部分。硬件系统由激光器与光学系统、示踪物质以及图像采集传输与存储系统组成；软件系统由图像采集模块、标定模块、流场与浓度场计算模块及紊动参数计算模块组成。

图2.2 PIV-PLIF同步测量系统研发技术路线