2. 中国科学院 光电研究院, 北京 100094;
3. 北京尚水信息技术股份有限公司, 北京 100085
2. Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China;
3. Beijing Sinfotek Company, Beijing 100085, China
流体力学(水力学)是水利、能源(水电、火电、核电)、航空航天、传热传质等领域的基础学科，而流体测量又是流体力学研究的重要手段。很多重要的流体现象，比如激波现象、边界层、壁面猝发、湍流边界层中大涡结构都是通过流体实验发现的。对于流动测量，分为接触式测量和非接触式测量。与接触式测量相比，非接触式测量不会对原流场产生扰动，是精细流动测量，尤其是湍流测量的重要手段。
流体力学(水力学)中有标量场和矢量场。常见的标量场有温度场、浓度场等，常见的矢量场有速度场。研究以浓度场和温度场为代表的水体标量场是水力学的基础问题。
激光诱导荧光(LIF，Laser-Induced Fluorescence)技术属于激光光谱学诊断技术，是一种新的流动显示和非接触式流动测量方法，不仅可以定性揭示流动的内部结构，而且与图像处理技术结合可以进行浓度场、温度场、压力场以及速度场的定量测量，对解决当前重大火电和核电工程中的温排水测量和重大水电工程中的流动模拟和污染物模拟测量，对开展湍流基础研究和流体力学(水力学)教学演示具有重要价值。同时，在火焰燃烧、过程工程和化学工程领域也得到广泛应用，发展前景较为广阔。
本文分理论、关键问题和设备研制3个部分系统介绍LIF技术测量水体标量场的研究成果和进展。
1 理论 1.1 LIF技术测量浓度场原理在测量流体中加入少量荧光物质，用适当波长的激光照射测量流体，就会出现荧光，图 1所示是荧光素钠的激发-发射光谱。
如图 2所示，假设每平方厘米上光强度为I0的入射光，照射到1个吸光截面积为A的盛有荧光物质的液池。入射光穿过y处的一层很薄的液层Δy，如该薄层所吸收的光能量为ΔI，所发射的荧光强度为F，则[2]
(1)
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| 图 2 液池中激光诱导荧光示意 Fig.2 The laser-induced fluorescence signal of liquid pool |
式中：Φ为荧光效率。
根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律可知，被薄层吸收的光能量ΔI为：
(2)
记K=SaΔyI0，将(2) 式代入(1) 式有：
(3)
式中：入射光强度I0、吸光截面积Sa和薄层厚度Δy可人为控制和选定，K可以看作常数；吸光系数值的大小取决于吸光物质的性质、入射光波长、溶液温度和溶剂性质等，与溶液浓度大小和液层厚度无关。
设H0=KΦε=ΦεSaΔyI0，则
(4)
式中：参数H0为综合荧光参数，表示荧光效率Φ、吸光系数ε和片光的综合影响；C(y)是指y处的溶液浓度；exp[-ε∫0yC(r)dr]表示激光光束到达y处以前的激光光强衰减。
在LIF技术中，液池中任一点的荧光强度F与浓度和路径的关系可用式(4) 表示。对于所研究的流动水体，选择恰当的激光光源和荧光物质，当参数H0为常数，即荧光效率Φ、吸光系数ε和片光在实验过程中不变时，利用数字图像采集系统获得了液池内荧光强度的分布，利用(4) 式进行校正，就可得到液池内的浓度场，这就是LIF技术测量浓度场的理论根据。图 3表示荧光素钠的浓度与荧光强度成线性关系。
有一类荧光物质，如罗丹明B，对温度的变化十分敏感，随着温度的增加，其荧光效率Φ或吸光系数ε显著减低。因此，可以选择此类物质作为温度敏感的荧光示踪物质，用于温度场测量。
图 4所示是罗丹明B在不同温度下的激发-发射光谱。可以看出，随着温度增加，荧光受到抑制，强度显著降低。用波长532nm、脉冲能量100mJ、片光厚度0.5mm的绿光作为激发光，将浓度为47.5×10-3ppm(47.5μg/L)荧光物质罗丹明B加热到80℃，置于50mm×50mm×200mm的方形有机玻璃容器内进行冷却，获得荧光强度随温度的变化，如图 5所示，可以发现，罗丹明B的荧光强度随温度呈线性变化。
设参数H=H(T)=-k1T+k2，保持实验过程中液池荧光物质的浓度C不变，则式(4) 变成
(5)
式中：T为温度；k1、k2为常数；C为浓度；y为激光通过的液池厚度。
在浓度不变的条件下，式(5) 反映了液池中任一点的荧光强度F与温度和路径的关系，利用该公式可以获得温度场，这就是LIF技术测量温度场的原理。
1.3 PLIF技术测量速度场PLIF(Planar Laser-Induced Fluorescence)技术主要用于测量标量场，包括浓度场、温度场等，但标量场测量与速度场测量结合起来时，可以获得流动的更完整信息和计算标量通量。过去，很多学者将PLIF技术与粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry，PIV)、激光多普勒测速仪(Laser-Droppler Velocimetry，LDV)、粒子追踪测速仪(Particle Tracking Velocimetry，PTV)、分子标记测速仪(Molecular Tagging Velocimetry，MTV)结合起来，同时获得标量场与速度场。
矢量场(流场)和标量场(温度场与浓度场)的同步测量，目前采用最多的是PLIF结合PIV的测量技术。PIV技术是目前应用较多的流体速度场测量技术之一，其基本原理是将示踪粒子加入流场中，在脉冲激光片光源的照射下示踪粒子反射激光，用两次曝光法记录同一示踪粒子在特定时间间隔内的运动轨迹，利用PIV软件处理获得流速场信息。相对于PLIF技术而言，PIV技术测量速度场已经比较成熟，成为丹麦Dantec公司、美国TSI公司和德国LaVision公司的主要产品。为了同步测量流场与标量场，将PIV与PLIF技术结合起来，PLIF技术成为PIV设备的附属升级产品。PLIF结合PIV的测量方法也存在一定缺陷。首先，PIV系统主要采用Nd：YAG脉冲激光器输出的532nm绿光，国际上大部分PIV定型产品均首选此光源。然而，由于脉冲激光器及其激光波长532nm的选定，荧光物质通常选择罗丹明B或罗丹明6G，这就限制了PLIF技术的发展和应用。另一方面，PIV系统使用的片光通常是通过半圆柱透镜的办法获得扇形片光源，在PIV系统基础上附加的PLIF系统主要是一套处理软件。由于存在激光片光不均匀等问题，PIV系统附加的PLIF技术多用于流动显示，如果进行浓度场(温度场)定量测量，校正十分麻烦和困难，因此精度和应用范围有限。也有很多学者选择利用PIV系统的Nd：YAG脉冲激光器来测量速度场，同时用氩(Ar+)离子激光器来测量浓度场。显然，这是由于PIV和PLIF不能很好融合成一体化设备，通过这种“混搭”的办法实现浓度场和速度场的同步测量。
1.4 发展历程(从LIF到3DLIF)LIF技术应用于流体测量始于20世纪70年代，伴随着计算机技术、激光技术、数字图像处理技术等方面的进步，经历了从定性到定量，从一维(LIF)、二维(PLIF)到三维(3DLIF，Three Dimensional Laser-Induced Fluorescence)测量的发展历程，如图 6所示。
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| 图 6 激光诱导荧光测量流体技术的发展过程 Fig.6 The development process of LIF techniques |
1970年代到1980年代，LIF技术主要发展了一维测量，关键技术是图像采集、处理和光束沿光程衰减校正。
1980年代开始，LIF技术主要发展了二维测量，即PLIF技术。在PLIF技术基础上，部分学者开展了三维测量的研究工作，对获得的图像进行了校正。在中国，申功炘[4]和黄真理[5-6]等人最早开展了PLIF技术空间流动显示及测量水体中射流浓度场的研究。PLIF技术在二维测量中的主要难题是激光片光源高斯分布的不均匀性和沿光程衰减对测量范围和精度的影响，给后期校正带来麻烦和降低测量精度。
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技术基础上发展3DLIF技术，能够实现三维测量。
目前，世界上只有丹麦Dantec Dynamics公司、美国TSI公司和德国LaVision公司提供PLIF技术测量水体或气体的浓度场和温度场的设备。这3家公司是国际上著名的、专业从事流动测量仪器研发的公司，主要研发PIV系统，为科研单位的实验室提供流体速度场的测量设备，是国内外PIV系统的主要供应商，PLIF是PIV基础上的附带产品。因此，目前国际上只有PLIF测量设备，没有3DLIF的定型产品。
激光诱导荧光(LIF)技术测量设备的发展趋势，可以从2个方面归纳：
(1) 三维定量测量(3DLIF技术)的工程化和产业化
3DLIF技术尚处于实验室研发阶段，三维测量的工程化和产业化关键是：如何利用激光片光源对测量空间进行扫描，如何同步获取二维清晰浓度场信息和片光源移动空间位置信息，如何快速标定和校正图像，重建三维浓度场，形成工程化产品。3DLIF技术三维定量测量系统的工程化和产业化，是激光诱导荧光技术高端流体测量设备未来的发展方向。
(2) 利用3DLIF技术直接测量速度场
PLIF技术主要用于测量标量场，包括浓度场、温度场等，但标量场测量与速度场测量结合起来时，可以获得流动的更完整信息和计算标量通量。
通过PLIF技术获取浓度场的三维时空分布，进而利用对流扩散方程反演速度场[14]。今后，PLIF技术最终可能脱离PIV技术，独自完成流场、温度场、浓度场、压力场、密度场的测量。利用3DLIF技术直接测量速度场，也是3DLIF技术的重要发展方向。
2 关键问题LIF技术测量水体标量场，需要选择恰当的激光片光源技术。根据温度场或浓度场测量需求，选择合适的、相互匹配的激光波长和荧光物质。为了把图像信号转换成测量信息，需要进行标定和校正。下文将分别介绍LIF技术测量水体标量场时会碰到的关键技术的研究进展。
2.1 激光器和片光源 2.1.1 激光器类型激光器是LIF技术的重要设备，是激光诱导荧光的激发光源。激光器的选择主要根据测量参量确定，激光输出波长需要与测量所用荧光染料的激发光谱相匹配。
国内外LIF技术测量水体标量场研究中，目前采用的都是激光器生产厂商的定型产品，没有针对LIF技术的专用激光器。主要有2种激光器：第1种是连续波(CW，Continuous Wave)氩离子(Ar+)激光器，输出主要波长是488nm和514.5nm，与488nm匹配测量浓度场的荧光物质一般选择荧光素钠。第2种是Nd：YAG脉冲固体激光器，波长是532nm绿光，匹配的荧光物质一般选择罗丹明B(温度场)和罗丹明6G(浓度场)。当然，针对不同的测量参数，通过选择适当波长的激光器及其相应的荧光物质，可以满足火焰OH浓度、气体紊动、压力场、密度场等不同测量参数的需求，这也是PLIF技术具有广泛应用前景之处。
美国科罗拉多大学土木与环境工程系J.P.Crimaldi[15]综述了水体中PLIF技术测量浓度场研究工作，认为在流体力学的文献中，四分之三的PLIF试验采用氩离子(Ar+)激光器作为激发光源，荧光素钠是最常用的荧光物质。氩离子(Ar+)激光器TEM00模式下光强为高斯分布，优点是光束质量好、连续输出便于流动显示、输出功率稳定便于简化校正。Nd：YAG脉冲固体激光器输出的激光为脉冲式，优点是功率大，缺点是光束质量稍差，输出功率和光强分布容易随脉冲改变(不稳定)。
从流动显示和激光器功率稳定性的角度来看，激光器应该选择连续而非脉冲激光器，这样流动显示更为方便和直观。激光器波长包括蓝光和绿光，用于测量浓度场和温度场。其中，典型的搭配方案为：蓝光与荧光素钠搭配测量浓度场，绿光与罗丹明6G搭配测量浓度场，绿光与罗丹明B搭配测量温度场。
作为3DLIF技术的激发光源，现有的激光器定型产品都存在某些缺陷和不足。3DLIF技术对激光器有特殊要求，如均匀性好的片光源、稳定的光强输出、激光方向性比较好，与PIV技术对激光器的要求不同。
2.1.2 基于传统激光器的片光源传统激光器输出的激光大都是直径为毫米量级的圆形光束，通过半圆柱透镜，使高斯分布的激光束扩展成扇形片光源，如图 7(a)所示，这便是传统的片光源系统。扇形片光源横向光强分布仍然为高斯分布，光强沿光程衰减(纵向分布不均匀)。
利用传统激光器输出的圆形光束获得片光源，振镜(扫描镜)也是科研中采用的一种方法。把光束照射到振镜上，通过振镜高频转动，形成横向光密度分布均匀，但沿光程衰减的扇形片光源，如图 7(b)所示。
在片光技术方面，为解决片光源移动的便携性问题，D.J.Koga等人[16]针对氩离子激光器，利用光导纤维传输激光，在光纤末端设计一套便携式的光学镜片组合，对光纤输出的激光进行“整形”和“准直”，最后通过柱面镜获得扇形片光源。另一方面，为了解决片光扇形分布带来的沿程光密度衰减和测量校正的问题，唐静等[17]研发了宽度为4.4cm的新型激光片光源系统，用于水下尾流气泡幕图像探测。美国TSI公司为PLIF技术研发了10cm宽度的矩形片光源，用于火焰燃烧测量。
矩形均匀片光源是理想的片光源，利用这样的片光源系统开展PLIF或3DLIF技术测量，后期校正简单、方便。从工程应用的角度来看，片光源宽度越大，越有利于应用。但是，大尺寸的片光源，通常需要经过扩束、准直等一系列光学整形，激光的匀化技术也比较复杂，因此，矩形均匀片光源的宽度选择，需要综合平衡考虑需求、技术和成本等因素。
2.1.3 片光源三维扫描方式如何让片光源扫描，获得多幅二维浓度场，并通过简单方便的三维重建技术获得三维浓度场，这是一个一直没有很好解决、影响设备产业化的问题。
如图 8所示，X.D.Tian等[10]报道，国际上解决三维浓度场测量的片光源扫描系统有3种方式：(1) 振镜；(2) 旋转鼓；(3) 旋转扫描器。这些片光源扫描解决方案，有这样几个特点：(1) 振镜方案简单、快速，容易实现，是采用最多的技术。旋转鼓和旋转扫描器方案，获得的是平行片光，此为优势；但三维截面是固定的，截面数量有限，此为劣势。(2) 3种方案均为科研实验探索，未能进入设备生产和产业化阶段。(3) 没有进行片光的均匀化整形。因此，在测量范围较小时才能保证精度，同时增加了后期校正的难度。(4) 振镜方案，扇形扫描的片光源之间不平行，带来水槽对片光的反射不同，对测量精度和校正影响较大。因此，使片光源尽可能平行扫描测量区域，对测量精度和后期三维重建是必要的。
图 9所示为X.D. Tian等采用3DLIF技术测量三维浓度场示意图，用2个相互垂直的快速振镜来完成三维空间扫描，在水槽前用一个250mm直径的凸透镜来准直。E. Van Vliet等[11]采用类似图 8(a)振镜加圆柱透镜的方案，利用凸透镜对片光进行准直获得170mm(光强1/e宽度)高斯分布的片光。由于测量宽度为25mm，因此认为高斯分布片光在测量区域是均匀的。也就是说，用大尺寸高斯分布片光源测量小尺寸区域流动，忽略片光高斯分布的影响。这种测量装置可用于科研，不宜产业化，因为这种分离式的测量装置调试很困难，也不具备便捷性、安全性和可维修性。
2.2 荧光物质 2.2.1 常用荧光物质
LIF技术中，作为示踪剂的荧光物质选择需要综合考虑多种因素：
(1) 根据激光波长来选择，相互匹配。不同的荧光物质有不同的激发波长，应尽量使激发光谱的峰值与激光波长接近。同时，激发谱和发射谱重叠较少，使截止滤光片对荧光光强的阻隔影响小。
(2) 可溶于水(试验中一般使用普通自来水运行)且其水溶液呈无色或浅色，不影响荧光的透过。
(3) 具有适中的量子产率和吸光系数。量子产率高，荧光强，这对测量有利。而吸光系数太大，使光线穿过的光程太短，从而限制了测量范围。
(4) 对外界自然条件如温度的敏感性要小。否则，试验现场温度的变化使试验结果容易失去可比性。如果测量温度场，则需选择对温度敏感的物质，而对其他因素的敏感性要差。
(5) 对人体无害，如无致癌作用。
根据已有文献和我们的经验，在水体测量中，可用蓝光与荧光素钠相匹配来测量浓度场，绿光与罗丹明B相匹配来测量温度场。如何选择蓝光和绿光的波长？换句话说，激光器的波长如何与荧光物质匹配？这取决于所选荧光物质的激发和发射光谱。下面从荧光素钠、罗丹明6G和罗丹明B的光谱特点出发，分析这3种常见的荧光物质所适用的激发光波长范围。
荧光素钠：常用于测量浓度场，分子式C20H10O5Na2，激发-发射光谱如图 1所示。荧光素钠的优点是：量子产率高，对pH值敏感而且荧光波长随pH值变化，无毒或低毒。文献[18]介绍，荧光素钠对温度的敏感度受激发波长的影响很大，在488nm激发状态下，温度变化-0.2%/℃，在514.5nm激发状态下，温度变化+2.5%/℃。
罗丹明6G：常用于测量浓度场，分子式C28H31N2O3Cl，激发-发射光谱如图 10(a)所示。罗丹明6G的优点是：量子产率很高，对温度不敏感，也不受pH值的影响。缺点是有毒性。
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| 图 10 罗丹明6G和罗丹明B的激发-发射光谱 Fig.10 Excitation-emission spectrums of Rh6G and RhB |
罗丹明B：常用于测量温度场，分子式C28H31ClN2O3，激发-发射光谱如图 10(b)所示。罗丹明B的优点是：量子产率高，易溶于水，化学稳定性好，对温度和pH值敏感。罗丹明B接触皮肤或眼睛具有毒性。
根据3种常见荧光物质在水体中的激发谱，可以发现，荧光素钠在蓝光波长460~500nm之间时量子产率相对较高，489nm是激发谱峰值(量子产率最高)。小于460nm或大于500nm，常温下量子产率较低，荧光信号弱，不便于测量。因此，与荧光素钠相匹配的激光波长最好在蓝光460~500nm之间。同样，罗丹明6G适宜的激光波长在500~550nm之间。罗丹明B适宜的波长在525~575nm之间。这样，荧光量子产率相对较高，测量效果和精度易于保证。
综上所述，选择上述3种常见的荧光物质(荧光素钠、罗丹明6G和罗丹明B)测量浓度场和温度场，研发专用激光器适宜激光波长范围如表 1所示。
目前使用的3种主要荧光物质中，罗丹明B和罗丹明6G都具有一定的毒性，长期接触对人体健康不利。由于分子探针等荧光标记技术的发展，新型合成荧光物质大量涌现，筛选更好的荧光物质是PLIF技术定量测量浓度场(温度场)的基础工作。
Karasso和Mungal[1]研究了一种浓度场测量用的新型荧光示踪剂——5(6)-羧基-2′，7′-二氯荧光素(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)，对比研究了Nd:YAG/荧光素钠、Nd:YAG/二氯荧光素、铜蒸汽激光器/荧光素钠3种组合测量浓度场的适应性。研究表明：荧光素钠与氩离子激光器或铜蒸汽激光器组合适用于浓度场测量，与脉冲的Nd:YAG激光器组合不适合浓度场测量，因为发生荧光淬灭现象导致荧光光强和浓度之间呈现非线性。
J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同荧光染料组合测量pH值和温度场的比值技术(Ratiometric Technique)——双激发激光诱导荧光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)，研究了9种水溶性荧光染料的光谱特性和不同荧光染料组合测量pH值和浓度场的适应性。
根据文献资料，已有10多种新型荧光物质用于PLIF技术测量浓度场和温度场的实验研究，如表 2所示。这些荧光物质，与不同的激发波长和不同的溶剂组合在一起，或者2种不同发射波长和环境(pH值、温度和浓度)敏感性的荧光物质组合在一起，实现二维或三维测量浓度场和温度场的目标，拓宽了荧光物质选择的思路。今后，需要在研发3DLIF技术时进一步开展新型荧光物质光谱特性和影响因素研究。
| 序号 | 荧光物质名称 | 文献 |
| 1 | Carboxy-seminapthorhodafluoror SNARF | [22] |
| 2 | Seminaphthofluoresceinor SNAFL | |
| 3 | 1，4-Dihydroxyphthalonitrile(DHPN) | |
| 4 | Hydroxypyrene-1，3，6 trisulfonic acid (HPTS) | |
| 5 | Lucifer yellow | |
| 6 | Phloxine B | |
| 7 | Kiton red | |
| 8 | LDS 698(or pyridine 1) | |
| 9 | Rhodamine系列：Rhodamine B，Rhodamine 6G，Rhodamine WT，Rhodamine 610，Rhodamine110，Sulforhodamine 640 | |
| 10 | 5(6)-Carboxy-2′, 7′-dichlorofluorescein | [1] |
| 11 | Pyrromethene 556 | [23] |
| 12 | Alexa dyes(Alexa 350，Alexa 430，Alexa 488，Alexa 532，Alexa 546，Alexa 568，and Alexa 594 dyes) | [24] |
不同的片光源技术和测量方案，有不同的校正技术，目的是提高测量精度。利用PLIF技术获得的二维图像信息，由于片光源的光强不均匀和沿光程衰减的影响，往往需要对获得的湍流图像进行了校正，才能保证测量精度。广泛应用的PLIF校正方法是：先在测量空间获取背景图像和均匀浓度的荧光图像，然后再进行浓度测量，获得测量图像，利用下式获得校正图像：
(16)
黄真理[5]提出二维数字校正技术解决了片光源的光强高斯分布和沿程衰减问题。J.Coppeta和C.Rogers[22]采用不同荧光染料组合测量pH值和温度场的比值技术——双激发激光诱导荧光(Dual Emission Laser Induced Fluorescence)。Sakakibara and Adrian[25]，Hishida and Sakakibara[26]，Kim et al[27]提出双色/双染料技术(Two-color/Two-dye Techniques)提高测量精度。具体做法是：选择2种荧光物质，罗丹明B和罗丹明110(Rhodamine 110)，一种(罗丹明B)对温度很敏感，一种(罗丹明110) 对温度不敏感。2种荧光物质的光谱差别较大，可以通过光学仪器将发射谱分开，由2台相机采集。这样，校正图像如下：
(17)
Lavieille et al，Matthias Bruchhausen et al，S.A. Kaiser和M.B. Long提出双色/单染料技术(Two-color/Single-dye Technique)测量二维温度场[28-29]，该方法与双色/双染料技术不同之处就是，荧光物质为罗丹明B一种，将罗丹明B的发射谱分成对温度敏感性完全不同的2个光谱带，短波长为“蓝色”，长波长为“红色”，形象称为双色。分光后分别由2台相机收集，2个光谱带图像的比值为校正图像。
在图像处理过程中，片光光强校正是一个非常重要的步骤，包括片光由于荧光物质吸收沿光程的衰减、片光光强在横向分布不均匀等，因此，根据需要对片光光强进行校正，以提高测量精度。
(1) 片光光强不均匀和沿程衰减校正
激光片光通过荧光液池时沿光程方向光强呈指数衰减。当使用矩形均匀片光时，如图 11所示，只需进行沿光程的衰减校正。如果使用传统的扇形高斯分布的片光源，如图 12所示，进行二维数字校正[5]。
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| 图 11 矩形均匀片光光强分布示意 Fig.11 Rectangular uniform light-sheet intensity distribution |
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| 图 12 扇形高斯分布片光源 Fig.12 The fan-type light-sheet with Gaussian intensity distribution |
(2) 荧光效应影响因素校正
荧光物质的荧光效应受到很多环境因素的影响，包括荧光物质浓度、激光功率、溶液pH值和温度等[30]。这些因素如果在测量过程中发生变化，对荧光光强会产生影响，需要根据实际影响的大小决定是否需要校正。
3 3DLIF测量仪器设备研制PLIF技术，又称平面激光诱导荧光技术，是通过采用激光片光源，能实时获得二维分布信息的实验方法。3DLIF技术，中文叫“三维激光诱导荧光技术”，是在PLIF技术基础上发展起来的新型流体测量技术。移动激光片光源扫描测量空间，同步控制片光源扫描、相机和激光器运行，采集多截面二维信息和位置信息，通过标定和校正以及三维重建技术，获得流动的三维结构和三维浓度(温度)场。
目前，国内外尚没有3DLIF测量系统的定型产品和设备。一方面是由于PLIF设备是在国外公司的成熟产品——PIV设备基础上发展起来的，属于PIV附加的功能，这一技术路线影响了3DLIF设备研发。另一方面，以乔治亚理工学院[10]为代表的研究团队开发的3DLIF测量设备，由于片光源及其扫描技术的限制，这种分离式的测量装置调试很困难，也不具备便捷性、安全性和可维修性，使3DLIF测量设备很难走向工程化和产业化。因此，研制水体3DLIF测量系统，需要在设计思想和技术路线上进行创新，在片光源及其扫描方式的关键技术上取得突破，才能形成便捷、安全和可维修的3DLIF测量仪器。
根据国内外的研究成果，从工程化和产业化的需求出发，我们开展了基于3DLIF技术的水体三维标量场测量设备研究，研发兼顾工程应用和基础研究、满足大尺度范围、高频脉动和非恒定流动测量需求的三维浓度场和温度场测量设备。
3.1 技术路线图 13所示为基于新型激光片光技术三维浓度场(温度场)测量项目设备的技术路线。要研制测量流体三维浓度(温度)场设备，首先需要研制新型矩形均匀片状光系统，激光波长为473nm(蓝光)和532nm(绿光)，输出功率分别在2W以上。
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| 图 13 3DLIF技术测量三维浓度(温度)场技术路线图 Fig.13 Roadmap of three dimensional scalar fields measurement by 3DLIF |
有了矩形均匀片光源，利用矩形均匀片光源照射测量区域，可以获得二维图像。为了提高测量精度，采用校正测量装置和校正测量软件对二维图像进行校正。通过标定和校正，获得二维浓度(温度)场。
为了完成三维测量，需要研制片光源扫描系统，以完成测量空间的三维扫描，与相机同步采样相配合，获得三维浓度(温度)分布(包括时均和瞬时场)。
图像采集装置是指相机在计算机软件系统的精确同步控制下采集和存储测量区域的荧光图像。因此，相机需要具有快速采集和存储图像的功能和较高的动态响应。考虑到非恒定流动和湍流高频率脉动测量的需要，选择高速相机及配套的图像采集卡(相机速度越高，相应的成像技术难度越高)。同步控制主要针对片光源扫描平台运动、高速相机快门和激光器运行，要求同步完成图像采集信号控制、片光源位置信息、激光器相关参数获取。
3.2 总体技术方案3DLIF技术类似于医疗上使用CT扫描技术，通过用激光片光对测量流动空间进行断面扫描，得到多个截面的二维图像信息，通过标定和校正以及三维重建技术，获得精细三维浓度(温度)场。3DLIF技术测量和显示流体三维浓度(温度)场系统，是一项集光机电为一体的复杂系统，分7个分系统进行研发，如图 14所示。
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| 图 14 3DLIF标量场测量设备总体框架 Fig.14 Overall framework of 3DLIF equipment |
图 15为硬件系统示意图，由7个分系统组成。
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| 图 15 3DLIF标量场测量设备硬件系统示意图 Fig.15 Schematic of 3DLIF hardware system |
(1) 激光器和片光源分系统，研制测量所需要的大尺寸矩形均匀片光源。激光器的激发波长考虑蓝光473nm和绿光532nm。
(2) 扫描运动平台分系统。用于搭载片光源扫描，搭载相机同步运动采集三维信息。
(3) 图像采集存储分系统。解决荧光信号采集和存储问题。
(4) 同步控制分系统。控制扫描平台运行、高速相机曝光和对焦、激光器运行。
(5) 计算机和图像处理软件分系统。是测量系器控制扫描平台运行、高速相机曝光和对焦、激光器运行，采集、存储信号，把采集到的图像信息进行处理和校正，计算出断面的瞬时和时均标量信息，并将多个断面的标量信息转换成三维标量场。
(6) 标定与校正分系统。设计快捷、方便、简单的标定与校正装置(校正盒)，以获得浓度-灰度曲线，以及荧光光强在测量区域的分布，用于荧光信号校正和荧光信号与浓度(温度)场的转换。校正软件对噪音、片光沿光程衰减、片光光强分布不均匀、激光功率变化、光学畸变等因素校正。
(7) 系统集成。将上述6个分系统各个模块进行有机集成，形成一个安全、稳定、方便、实用的示范样机。
3.3 仪器总体技术指标仪器总体技术指标如表 3所示。
| 技术指标 | 精度或范围 |
| 三维测量范围 | (0.3~0.5) m×1m×1m |
| 测量精度 | < 10-2ppm(浓度场)；< 0.2℃(温度场) |
| 最大扫描速度 | 1m/s |
| 图像分辨率 | 1280pixel×1024pixel |
| 满分辨率帧速 | 500帧/s |
3DLIF技术三维测量需要解决的问题是：如何利用激光片光源对测量空间进行扫描，如何同步获取二维清晰浓度场信息和片光源移动空间位置信息，如何快速标定和校正图像，重建三维标量场。3DLIF技术三维测量涉及的关键技术解决方案分述如下：
3.4.1 总体设计与系统集成技术3DLIF项目涉及激光光学、精密仪器、自动控制、图像处理、水力学和流体力学等多学科的交叉。基于3DLIF技术研制流体三维标量场高端测量设备，在国内尚属首次。
从PLIF技术发展到3DLIF技术用于三维浓度测量时，系统集成更加复杂，涉及众多软件与硬件分系统，比如激光器、片光源、扫描平台、高速CMOS相机、高速存储系统、同步控制系统、二维图像处理，三维重构、测量校正装置、测量校正软件等。如何将各分系统高效集成，使之成为有机整体，并且形成产业化，是研发测量设备的关键。
3.4.2 大尺寸矩形均匀片光源技术作为激发光的矩形均匀片光源，直接关系到荧光光强转化为测量物理量(温度、浓度等)的精度。片光源通常包括激光器和光学整形系统。
目前，PLIF技术或3DLIF技术主要有2类激光器：一是脉冲激光器，比如Nd：YAG激光器；二是连续光激光器，比如Ar+激光器。Ar+激光器主波长为488nm和514.5nm，光束质量好，可连续输出，在TEM00模式下，输出光强满足高斯分布，输出功率稳定。Nd：YAG激光器输出脉冲光，功率大，但光束质量稍差，输出光强与功率变化较大。从流动显示的直观性角度来看，应该采用连续激光器。
现有的激光器定型产品，通常产生点状光束，简单利用柱面镜扩展为扇形片光源。目前采用的片光源形状大部分为扇形。从光强分布的均匀性来看，扇形片光源光强的横向分布(垂直于光程方向)为不均匀的高斯分布，光密度沿光程衰减。因此，由于激光器功率、光强分布的不均匀和沿程衰减等因素的影响，扇形片光源的测量范围常常受限，给后期校正带来很多困难。为了解决片光不均匀(高斯分布)对测量精度的影响，美国TSI公司研制了宽度为10cm的矩形均匀片光系统，该片光系统基本能满足火焰燃烧等小尺度问题，但对于水力学或流体力学中1m左右宽度的水槽实验流动环境来说，10cm宽度的片光源远不能满足要求，没有工程应用价值。因此，研发大尺度的均匀片光源是应用3DLIF技术进行三维测量的关键技术之一，对测量精度、便捷性和工程应用都有十分重要的价值。
片光源需要通过搭载平台实现对测量区域的扫描。从激光器的体积、重量、冷却方式考虑，要获得3DLIF技术所用片光源，固体激光器有显著的优势。因此，推荐将研发的重点放在473nm和532nm的固体激光器上，采用半导体端面泵浦Nd:YVO4腔内倍频激光技术实现片状的532 nm绿光和473nm蓝光的输出。通过合色棱镜使蓝绿2束激光在空间上完全重合，实现双波长的共光路输出；而后通过扩束准直系统分别实现激光光束子午和弧矢方向的不等比例扩束，最终形成均匀性>90%，在测量范围内光斑尺寸为500mm×2.0mm的片状激光光束。矩形均匀片光系统结构如图 16所示。
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| 图 16 激光片光系统和关键部件 Fig.16 Laser-sheet system and its key parts |
新型激光片光技术的关键技术如下：
(1) 基于阵列化结构的片状光激光光源
不同于单点激光输出后采用复杂的扩展整形方式，采用多点半导体激光bar泵浦的阵列化的扁平式固体激光器结构，能够直接实现片状激光的输出，从而大幅降低激光光束准直整形难度。
(2) 片状光泵浦匀化技术
点状阵列激光光束输出后再进行整形匀化将增加光束的光学扩展量，增加系统复杂度，从而降低激光光束的准直性。因此，在激光器中加入光波导正对半导体激光bar的输出光束整形，实现将离散的泵浦光束匀化为片状匀化光束，从而能够直接得到匀化的片状输出光束，大幅简化匀化整形结构，并由于不增加扩展量从而提高了光束准直度。
(3) 高效率小型化的片状473nm蓝光激光器
473nm蓝光激光器的基频光946nm激发属准三能级结构，下能级布局一定的粒子数，因此存在较严重的重吸收问题。重吸收主要由泵浦功率、基态粒子数和晶体温度决定，因此，在激光器的YAG晶体采用Nd离子中部掺杂的波导结构，通过泵浦光束在波导内的多次反射提高晶体内部的泵浦功率密度，而且波导结构能够更易控制晶体温度，从而提高基频光的转化效率，实现小型化、高功率的473nm蓝光输出。
(4) 高精度扩束准直系统
在本方案准直系统中，大口径准直光束的均匀性和片光源厚度方向的准直度是主要设计难点，在本方案中通过光学设计将激光腰斑位于测量应用范围之间兼顾前后两端的片光厚度，从而降低了对光束准直度的要求；在优化光束均匀性的过程中，把镜头的残余畸变优化成桶形畸变，可有效消除镜头边缘光线的不均匀性，保证照度均匀性大于90%。
3.4.3 片光源扫描技术片光源扫描可分为有垂向和横向扫描。对不同的实验室环境条件和不同流动形态，有的适宜垂向扫描，有的适宜横向扫描。片光源扫描平台提供连续匀速运动和间歇式运动2种运动模式。连续匀速运动是指片光源以均匀速度扫描，相机同步记录拍摄，计算机记录下每帧图像的空间坐标位置。间歇运动方式是指片光源在控制时间内，对扫描空间取若干固定断面进行扫描，获得固定截面的荧光图像和坐标位置。
如何设计一个运动装置，带动矩形均匀片光源完成对测量空间的扫描？为此，我们设计了2个可行技术方案。一是扫描运动平台方案，如图 17(a)所示；二是平行反射镜扫描方案，如图 17(b)所示。
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| 图 17 片光源扫描系统设计方案示意图 Fig.17 Schematic of laser-sheet scanningsystem design |
(1) 扫描运动平台。是为片光源提供安装及扫描运动机构，为图像采集系统提供安装和移动机构，保证2套平台同步运动，能够实现2套运动平台之间的位置关系调节，实现空间运动方向一致，能够调节运动平台与水槽之间的位置关系，以测量相应的位置。设计电控柜，用于放置图像存储系统、同步控制箱、电源和计算机等。
扫描运动平台组成：片光源运动机构、相机运动机构、位置调节装置、平行性调节与测量装置、机柜。机柜用于安装计算机、图像存储单元、控制箱、电源及相关附件等，操作者可以实时进行控制和操作。
3DLIF项目采用片光源扫描运动机构与相机运动机构同步运动方案，可避免物距变化或者快速调焦对图像清晰度的影响，解决了相机对焦和视场统一的问题。因此，在总体设计中，将片光源扫描运动机构与相机运动机构进行一体化设计，集成在一个“移动平台集成箱”中。
(2) 平行反射镜扫描仪。是利用一组平行反射镜同步转动来完成片光对测量空间的三维扫描。图 17(b)所示是一组相互平行的反射镜组合，O1、O2分别为反射镜1和2的转动轴心。入射光的入射点O1固定不变。当反射镜1和2与水平面成45°角，光线从右入射通过O2反射到达反射镜2的轴心O2，反射后水平入射加入水槽。当反射镜组合顺时针同步转动，获得平行、连续的扫描片光，使片光从上到下平行移动，对水槽进行扫描。把O1O2反射镜组合称为平行反射镜扫描仪，采用联动机构连接，保证2个反射镜的平行和旋转的同步。
平行反射镜扫描仪是利用一组平行反射镜同步转动来完成垂直方向的三维扫描。与扫描运动平台方案相比，平行反射镜扫描仪方案具有造价低、结构组成和同步控制简单的特点，但是也存在片光移动速度和反射镜角速度之间非线性的问题，需要对伺服电机运动进行非线性控制。
3.4.4 图像同步高速采集与存储技术基于3DLIF技术的三维标量场测量，需要利用片光源扫描测量空间，把时间序列的平面信息融合成三维立体信息，相关的图像高速同步采集与存储涉及2个关键问题：一是同步问题；二是高速扫描带来的稳定性和成像质量问题。图像同步采集与存储涉及到片光源机械运动与图像采集的同步控制。图像高速采集与存储主要是为解决流动的非恒定性(随时间变化)和湍流脉动机理研究提出的要求。目前已有高速相机可满足高速采集、传输和存储的要求。此外，片光源在高速扫描时，对扫描平台的稳定性(尤其是初始加速段与末端减速段)、精度、寿命提出了很高要求。三维浓度(温度)场测量，数据量特别大，对数据的读写速度要求很高，基于固化硬盘与机械硬盘的综合存储模式是一种可行性较高的解决方案。关键技术如下：
(1) 同步控制技术
3DLIF项目的同步控制，主要针对扫描运动平台、相机和激光器。实现扫描平台与照相平台的准确同步运行，是实现扫描位置与图像精确匹配的关键。同时，同步控制器还要监控激光器的运行状态，拟采用DSP28335设计同步控制器。DSP28335内部集成了振荡器OSC和基于锁相环PLL的时钟模块，外部晶振提供的时钟信号经过预先设置过的倍频和分频系数等时钟管理模块处理后才提供给DSP系统，既保证了系统时钟的可靠性，又具有了实时配置外设时钟的灵活性。DSP28335内部具有3个32位的CPU定时器以及4个通用定时器，资源非常丰富，CPU最高工作时钟150MHz，时钟最大分辨率可达10-8 s。利用其定时器对GPIO特定管脚进行信号的周期翻转，即可实现同步时钟的准确输出。
(2) 高速、高清晰图像采集系统
系统须满足在平台快速运动过程中完成图像采集，同时保持足够的图像清晰度，避免水面波动和快速运动对图像采集的影响，这对片光源设计、平台运动模式和图像采集带来了很大挑战。本系统采用光源从水槽底部垂直向上照射，相机从侧面获取图像的方式，避免了水表面波纹对图像质量的影响，采用防抖高速相机(帧频大、曝光时间短)，避免了运动过程中的抖动影响图像的清晰度。同时采用片光源扫描运动机构与相机运动机构同步运动，可避免物距变化或者快速调焦对图像清晰度的影响，解决了相机对焦和视场统一的问题。
(3) 高速、大容量存储系统
针对系统单次1小时不间断测量的特定要求和长期保存原始数据的应用需求，采用快速固态硬盘与大容量机械硬盘组合的存储方式，开发专用调度软件，实现高速大容量图像存储。
3.4.5 标定和校正以及三维重构技术对于定量的科学与工程研究而言，不仅需要直观地展示浓度(温度)的演化过程，而且需要知道浓度(温度)在时间和空间上的准确分布。PLIF技术属于二维测量，通过标定和校正获得的是二维浓度(温度)场。3DLIF技术测量三维浓度(温度)场，需要把片光源扫描获得的多个截面二维浓度(温度)场通过三维重构来实现，直观展现流体的三维结构。浓度(温度)场标定的难点在于如何快速、准确地将CCD/CMOS相机所采集的荧光光强转换成浓度值。校正的难点涉及激光片光源不均匀性、荧光沿光程衰减、相机和试验环境可变性等问题。浓度(温度)场三维重构的难点在于坐标系统的统一、采集图像与空间位置的精确匹配以及图像清晰度等方面。
(1) 浓度(温度)场标定和校正技术
激光诱导荧光技术是通过测量荧光光强(灰度)来实现浓度(温度)场的测量。因此，需要通过标定曲线来建立荧光光强(灰度)与测量物理量(浓度、温度)之间的关系。
通常需要在每次测量之前先进行标定。但是由于荧光效应的影响因素很多，给开展标定工作带来困难，特别是作为产业化的仪器设备，需要满足实际应用中快速简便的要求。因此，拟对影响荧光物质荧光效应的各种因素进行全面的实验和测试，给出标定参数的数据库，指导仪器使用者实现快速、简便标定的目的。
另一方面，由于激光沿光程衰减、片光源不均匀性、相机和试验环境可变性等问题，往往需要对采集的图像进行校正，消除试验过程中和数据采集过程中的误差，以便提高测量精度。因此，为了方便校正，需要对影响测量精度的各种因素进行全面实验和测试，给出校正参数的数据库，供仪器使用者参考。
(2) 标定和校正的智能识别技术
要保证测量的精度，需要在每次测量前进行标定和校正。为了使标定和校正更加便捷，本项目专门研发标定和校正装置，通过智能识别技术，实现图像采集和分析系统对标定和校正装置的自动识别、判读、信息提取和分析，获得标定和校正的所需参数。因此，需要将人工智能识别与标定(校正)装置的设计制造结合起来，形成一套标定和校正的智能识别技术。
(3) 计算机图像处理和三维重建技术
本项目采用的计算机，一台作为上位机，一台用于同步控制以及图像的采集、传输和存储。上位机包括图像处理和三维重建2个功能，完成图像预处理、标定、校正和三维浓度(温度)场重建等工作。
图像处理主要根据标定和校正分系统提供的灰度-浓度计算公式实现图像灰度到浓度的转换，将图像中的像素点坐标转换为空间三维坐标。
浓度(温度)场的三维重构通过插值算法对原始数据场进行插值，然后通过构网算法实现数据场点云的网格化，网格化后的数据通过计算每个数据点的颜色值，并根据着色模式的设置进行空间体(或空间面)的着色，最后实现浓度(温度)场的重构。关键技术在于优化算法，实现测量过程中的实时重构技术。
三维数据重构支持2种重构模式：面重构和体重构。面重构是指单独对计算机和图像处理软件系统输出的各个平面上的数据进行单独重构，如图 18(a)所示。体重构是指由多个平面上的数据组合成一个数据场后，通过体重构的方式进行重构表现，如图 18(b)所示。
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| 图 18 三维重构示意图 Fig.18 Schematic of 3D reconstruction |
LIF技术应用于流动测量始于20世纪70年代，伴随着计算机技术、激光技术、数字图像处理技术等方面的进步，经历了从定性到定量，从一维(LIF)、二维(PLIF)到三维(3DLIF)测量的发展历程, 在环境水力学和湍流基础研究等方面得到了广泛利用。
本文介绍了LIF技术应用于水体浓度场、温度场和速度场测量的基本原理，综述了激光诱导荧光(LIF)技术测量水体场的关键技术，包括激光器和片光源技术、荧光物质选择和校正技术。从工程化和产业化的需求出发，提出了基于3DLIF技术的水体三维标量场测量仪器的总体技术方案、技术路线和总体技术指标，并给出了3DLIF项目的关键技术及其解决方案。
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