1。1 研究背景

粒子成像技术（Particle Image Velocimetry简称 ）是一项应用范围非常广的新型流场测试方法。该技术由于采用了非接触式的光学方法检测，因此具有测量精度高、极小地破坏原流场情况、实时测量分析等优点。由于 技术综合运用光学原理、数字图像处理、数模信号转换、等多种尖端技术，因此它满足实验中对快速变化的流场的检测，填充了人类在这一项领域上的空白，并为更精确的测控快速变化的流场奠定了基础。

1。1。1  技术的原理

 测试系统由光源、模拟流场装置和光强接收设备。测试时，光源照射到实验流场的某一区域，短时间内对实验区域多次曝光。通过将CCD拍摄照片中的示踪粒子进行比对进而分析得出实验流场的全部信息。在 测试系统中光源一般采用短脉冲激光，而接收设备采用跨帧CCD。实验时通过将激光器曝光间隔与CCD接收间隔设置同步从而得到多幅图像。为缩短曝光时间，测试过程中通常采用多个CCD来接受散射光。这样，通过将CCD接收时刻均匀设置在单个CCD接收最小间隔中，可获得更精确的流场信息[1]。

由于曝光时间间隔的设置范围可以从纳秒量级到秒量级，因此 技术可测试的实验对象范围非常大。但无论哪种测试对象，良好的相干光源与适当的示踪粒子是决定测试实验精度的两个主导因素。

1。1。2 示踪粒子的选择

对于运用某种物质标记的粒子的选择问题，依据已有的流体力学理论可知：示踪粒子体积越小，此时嵌入在流场的微粒移动状况越近似于流场的真实运动状况——良好的随动性[2]。然而，对于粒子成像的可见性，其规律恰恰相反，为了接收到较强的散射光，通常以增大粒子的体积来扩大有效散射平面从而提高散射光强是我们较为常用的方法。因此， 测试技术中示踪粒子的选取依据是一对相互对立的标准，即嵌入流场中标记的颗粒跟随性与可见性两方面标准必须适当地进行折中考虑[3]。作为实验探究的对象——微粒，其散射光强与其自身参数（形状、大小、粒子折射率）和入射光波长、观察角度都有关系。因此，通过改变参数来探究微粒的光散射特性，从理论上提出一个标准，简化示踪粒子选择过程，是一项意义重大的研究。

1。2 光散射相关的概念                                     

光的散射定义为入射光线穿过不均匀介质后，一部分光线将不沿着原入射方向继续传播的现象。散射光是指光与微粒发生一系列作用后传播路径产生偏离的光波。如图1。1所示，依据散射光波相对于入射光波频率差异，可以将散射划分两种类型,即非弹性光散射和弹性光散射。当散射光波的频率与入射光波的频率相同，此时未产生其他频率的散射光，这种散射称为弹性光散射。反之为非弹性光散射。表述弹性光散射的系统学说主要是Mie散射理论，表述非弹性光散射的系统学说主要是拉曼散射原理。图 1。1 光散射的分类From+优 尔-论+文W网www.youerw.com 加QQ752018`766

本篇论文讨论分析的实验对象时有关微粒的弹性光散射。1。2节主要对使天空呈现蔚蓝的瑞利散射和生活中容易观察到的衍射散射进行简要分析。有关适用范围最广泛的Mie散射理论会在第二章进行具体详尽讨论。

 1。2。1 瑞利散射

只有当粒子有效尺寸仅为入射光线波长的十分之一以下时，此时光与物质相互作用所引起的散射属于Rayleigh散射。Rayleigh散射在光与固体和液体相互作用时会产生，但以气体作为散射微粒时最为显著。依据Rayleigh散射定律：