激光多普勒测速原理及应用1

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1、姓名：贾国辉学院：电气工程学院学号：201623030109激光多普勒测速原理及应用摘要激光多普勒测速技术（LDV）是伴 随着激光器的诞生而产生的一种新的 测量技术，自1964 年应用激光多普勒 效应首次测得流体速度以来，发生了 巨大的变化。它是利用激光的多普勒 效应来对流体或固体速度进行测量的 一种技术，广泛应用于军事、航空航 天、机械、能源、冶金、水利、计量、 医学、环保等领域。随着我国经济和 科技的快速发展各门技术的蓬勃兴 起，激光测速技术必将得到进一步的 应用和发展。本文将介绍激光多普勒 测速技术的原理和应用使读者对这一 测量技术从原理到应用有比较完整和 感性的认识。关键字 多普勒测速

2、 多普勒频移 散射光 粒子1、引言激光多普勒测速仪是利用激光多 普勒效应来测量流体或固体运动速度 的一种仪器，利用微粒散射光的多普 勒频移来获得速度信息。由于流体分 子的散射作用很弱，必须在流体中散 播适当尺寸和浓度的微粒作为示踪粒 子。激光测速的主要优点在于非接触 测量，线性特性，较高的空间分辨率 和快速动态响应，采用近代光-电子学 和微处理机技术的 LDV 系统，可以比 较容易地实现二维，三维等流动的测 量，并获得各种复杂流动结构的定量 信息。当然，它也有局限性，列如， 测量区必须是光线可及的，而且要存 在适当的散射微粒。在信号处理方面， 虽然多普勒频移的线性公式是简单 的，但是实际上，由

3、于有限测量体积 的存在、各种频宽加宽、偏置和噪声 等来源都会影响最终的测量精度。（1）1964 至 1972 年，这是激光 测速发展的初期。在此期间，大多数 的光学装置都比较简单，用各种元件 拼搭而成，光学性能和效率不高（2）1973 至 1980 年，在此期间， 激光测速在光学系统和信号处理器方 面有了很大的发展。光束扩展，空间 滤波，偏振分离，频率分离，光学频 移等近代光学技术相继应用到激光测 速仪中。（3）1981 年至今。在此期间，应 用研究得到快速发展。2、激光多普勒测速原理在激光多普勒测速仪中，依靠运 动微粒散射光与照射光之间光波的频 差（或称频移）来获得速度信息。这 里存在着光波

4、从（静止）光源T （运 动）微粒T （静止）光检测器三者之间 的传播关系。当一束具有单一频率的激光照射 到一个运动微粒上时，微粒接受到的 光波频率与光源频率会有差异，其增 减的多少与微粒运动速度以及照射光 与速度方向之间的夹角有关。如果用 一个静止的光检测器来接收运动威力 的散射光，那么观察到的光波频率就 经历了两次多普勒效应。下面来推导 多普勒总频移量的关系式。设光源0,运动微粒P和静止光检 测器 S 之间的相对位置如图 1 所示。照射光的频率为 f ,粒子 P 的运动速0度为U。根据相对论变换公式，经多普 勒效应后粒子接收到的光波频率为：U * e0f0*1 - ( )2式中：e是入射光单

5、位向量；c是介质0中的光速。当U * e0c 时，可得近U*e似式为：f= f *(1 - -0c有两种：直接检测和外差检测。但可见光波的频率通常在1014 Hz左2.1激光多普勒测速基本模式激光多普勒测速的检测方法主要子条件下，经过一次多普勒效应的频 率关系式。运动的微粒被静止的光源照射，就 如同一个新的光源一样向四周发出散 射光。当静止的观察者(或光检测器) 从某个方向上观察粒子的散射光时， 由于它们之间又有相对运动，接收到 的散射光频率又会同粒子接收到的光 波频率不同，其大小为：f$_f*(l + 丁)式中，e是粒子散s射光单位向量。括号中U*e取正号 s时因为选择e由粒子指向光检测器。

6、s它与光源频率之间的差值叫做多 普勒频移：1f = f - f = IU *(e - e )1D s 0 九s 0式中：九是介质中的激光波长。由上 式可知，如果已知光源，粒子和光检 测器三者之间的相对位置，就能确定 速度U在(e -e )方向的投影大小。s0也不过108 - 109 Hz。因为常用的光电 器件不能响应光波的频率，直接检测 对探测器的光电器件性能要求太高， 所以基本不用。光学外差检测是一种更通用的激 光多普勒检测技术。利用同一相干光 源的两束光按一定条件投射到光检测 器上，进行干涉并通过光电转换器的 平方率效应(即光强变化)得到其频 差，这就是所需要的多普勒频移。其 他与光频接近

7、或更高的的频率信息都 因为远远超过光电器件的频率响应而 被滤去。2.2在激光测速中有三种常见的 外差检测基本模式：参考光模式，单 光束-双散射模式和双光束-双散射模 式。(1) 参考光模式将一束参考光直接照射到光检测 器上，同散射光束进行光学外差。这 束参考光必须取自同一个激光源，但 并不一定要与照射光束相交。之所以 使它通过测量点并与照射光相交是出 于光学上的调准方便，这样可以比较 容易实现参考光束与散射光束的共轴单光束-双散射模式仅利圖前向参考光模式光路对准。这种光路模式叫做参考光 模式。图(a)所示情况下，测得的速 度分量垂直于照射光束同参考光束交 角的平分线，这一平分线通常也就是 入射

8、光学单元的光轴。图(b)所示的布 置，可以实现并行于光轴速度分量的 测量。由上图可知，参考光模式的结构简单， 但其光路对准很麻烦。(2)单光束 - 双散射模式 这种工作模式利用一束光在两个 不同方向上的散射光进行光外差而获 得多普勒频移。将一束经过聚焦的光 束照射到流体中，在与系统轴线对称 的两个方向上收集粒子的散射光。当可见， 用一束入射光，多普勒频移只决定于 两束散射光的方向，而与入射光的方 向无关。但由于两束散射光由探测器 接收，而多普勒频移与散射光的散射 角直接相关，所以精度要求越高的情 况下，探测器的收集立体角要求越小。(3)双光束-双散射模式这种模式利用两束不同方向的入 射光在同一

9、方向上的散射光汇聚到光 电探测器中进行外差而获得多普勒频 移。双光束或条纹系统应用两束等强 度的相交光束，在它们的相交体积中 得到一组条纹图形。每个离子穿过条 纹图形时，光电检测器上的散射光强这两束光合成时，他们波前的相对相 位取决于粒子到各收集光阑的距离。 所以，当粒子运动穿过光束时，这两 束散射光束干涉相长或相消，导致载 光阴极上得到以多普勒频率脉动的光 强。这个系统除了能在两个互相垂直 平面中利用收集到的一对散射光测量两个瞬时速度分量以外，与度发生强弱的变化，变化率与速度成 正比。光束1和光束2在同一方向的散 射光的频率分别为： f 二 f +1U *(e - e )，si0 九s 01

10、f = f + U *(e e )。所以两者相s 20 九s 02条纹模式相比没有明显的优点。入射干频差(即多普勒频移)为:光束在e ,e两个方向上的散射光频 s1 s 2率分别是f = f + U *(e 一 e )，si0 九si 0f = f + U *( e 一 e )。将这两个方 s 20 九s 2 0向的散射光汇集在一起在光检测器 中进行光学外差，可得到多普勒频移1f = f 一 f = IU *(e 一 e )1。Dsis 2 九si s 2f = f f =丄丨U*(e e )I。D si s 厂九0i 02可见，双光束-双散射模式的频 移只决定于两束入射光方向，而与散 射光方

11、向无关。从而可以采用大的收 集立体角以提高散射光功率。3、激光多普勒测速的应用激光多普勒测速是利用激光多普 勒效应来测量流体或固体运动速度的，通常由五个部分组成：激光器， 入射光学单元，接收或收集光学单元, 多普勒信号处理器和数据处理系统或 数据处理器。它可以精确方便地测算 出船舶航行的速度，使现代大型船舶 进出港口变得十分容易。一般的船用 测速仪只能测出船与海水之间的速 度，而不能测得船与海底的相对速度。由于海水是随风浪而动的，有时即使 船速很小，但风浪很大时，船相对于 海底的速度仍然很大，这就给船舶靠 岸造成了很大的困难。近年来迅速形成的力学分支一生 物力学，他把血液流体力学作为一个 重要

12、的研究课题，推动了激光多普勒 测速的研究。它是利用多普勒效应原 理，对运动的脏器和血流进行探测的 仪器。其中，经颅多普勒是一个有效 的无创伤性的脑血管检查方法，属超 声检查范围，因此对受检查者毫无创 伤和痛苦。许多脑血管检查方法如放 射性核素的脑血流量测定、脑血管造 影、数字减影血管造影等均具有一定 创伤性及并发症，经颅多普勒安全、 无创伤性，适宜于普通的临床应用。探测宜观察目镜显微物镜流体激光多普勒显微镜4、结论多普勒激光测速是一门涉及激 光、光学、电子、信号处理、计算机 和软件的光机电一体化技术，同时又 与流体力学密切相关，应用性很强。 正是因为流体运动的形态十分复杂， 传统的测试方法局限

13、性大，因而这项 技术才获得了十分重要的发展原动 力，成为科研和新产品研发过程中的 有效手段。由于LDV技术具有上述潜 在的独特功能，激光多普勒技术吸引 了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题， 流动测量实验的有力工具。 使激光测速技术得到飞速发展，成为参考文献1. Yeh Y, Cummins H Z. Localized flow measurements with a He-Ne laser spectrometer. Appl. Phys. Letters, 1964,176(4)2. 清华大学工程力学系，水利工程系激光测速研究组.应用激光测量溢流坝 下游水平护坦

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