1、1/23激光多普勒測(cè)速技術(shù)姓名：學(xué)號(hào)：學(xué)院：能源與動(dòng)力工程專業(yè)：工程熱物理2/231.激光多普勒測(cè)速的基本原理2.激光多普勒測(cè)速的光路模式3.激光多普勒測(cè)速的信號(hào)處理4.激光多普勒測(cè)速的技術(shù)應(yīng)用主要內(nèi)容5.擴(kuò)展光束型多普勒測(cè)量系統(tǒng)3/23 光學(xué)多普勒效應(yīng)就是：當(dāng)光源與光接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射光波與接收光波之間會(huì)產(chǎn)生頻率偏移，其大小與光源和光接收器之間的相對(duì)速度有關(guān)。 運(yùn)動(dòng)粒子P以速度 通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子相對(duì)于入射光來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的，即光源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)；而相對(duì)于光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)粒子的散射光相對(duì)于探測(cè)器是運(yùn)動(dòng)的，即光源運(yùn)動(dòng)，接收器靜止。u圖1 運(yùn)動(dòng)粒子的散射光1.激光多普勒測(cè)速的基本

2、原理4/23根據(jù)相對(duì)論，運(yùn)動(dòng)微粒P接收到的光波頻率fP與光源頻率fo之間的關(guān)系為)1 (0ceuffoP靜止的光檢測(cè)器接收到粒子散射光的頻率fS為)1 (ceuffsPS光檢測(cè)器接收到的光波頻率與入射光波頻率之差稱為多普勒頻移，用fD表示，則)(1)(0oossoSDeeuceeuffff5/23當(dāng)入射光、散射光和速度方向布置成如圖所示的那樣，就可以得到簡(jiǎn)單的多普勒平移表達(dá)式：yDuf2/sin2圖中為入射光方向與接收光方向的夾角，粒子的速度投影到該夾角一半的垂直線方向上即得到 。yu圖2 多普勒測(cè)速特殊布置6/23光外差光波的頻率：51014 Hz多普勒頻移：108109 Hz 當(dāng)來(lái)自同一個(gè)

3、相干光源的兩束光波按一定條件投射到光電檢測(cè)器表面時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換的平方律效應(yīng)可得到它們之間的頻差。這個(gè)頻差就是所需要的多普勒頻移，其它與光頻接近或更高頻率信息都因遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光電檢測(cè)器的頻率響應(yīng)被濾去。這就是光外差，或稱為光混頻。利用光電檢測(cè)器來(lái)收集散射光，就能把光學(xué)多普勒頻移變?yōu)殡娏鞯淖兓缓蟛捎酶鞣N電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，就能取得速度信息。 直接檢測(cè)散射光的光頻，這種方法的典型分辨率為5MHz，對(duì)于大多數(shù)的低速測(cè)量，將超出光電檢測(cè)器的響應(yīng)頻率。7/23 圖中所示是參考光模式，激光經(jīng)分光鏡分成兩束光，其中一束是弱光用作參考光，另一束是強(qiáng)光用作照射光束， 它們聚焦到測(cè)量區(qū)。光電檢測(cè)器接受參考光， 同

4、時(shí)接受另一束照射光束經(jīng)過(guò)粒子散射在同一方向上的散射光，它們?cè)诠怆姍z測(cè)器件中進(jìn)行光外差，從而得到多普勒頻移。為了使參考光和散射光強(qiáng)度基本相近，必須使參考光減弱。通常參考光束和照射光束的光強(qiáng)比為1：9左右，這里可以用中性濾光片來(lái)減弱參考光，或者選擇合適的分光鏡的分光比來(lái)實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：參考光模式的光學(xué)單元具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便和使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。2.激光多普勒測(cè)速的光路模式8/23 圖中所示是單光束一雙散射模式， 一束人射激光束直接聚焦于測(cè)量點(diǎn)上，該入射光束在兩個(gè)不同方向上散射，兩束散射光進(jìn)行光外差而得到多普勒頻移。如圖3所示，兩支對(duì)稱的散射光束通過(guò)置于大透鏡前的雙孔光闌，其余的散射光則被遮擋住，然后，

5、兩支散射光被光束分離器結(jié)合成單光束，然后在光電檢測(cè)器中進(jìn)行光外差。特點(diǎn)：?jiǎn)喂馐浑p散射模式一般用得較少，它沒(méi)有明顯的優(yōu)點(diǎn)，可以用它來(lái)接收兩個(gè)互相垂直平面的兩對(duì)散射光， 同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)速度分量，而旋轉(zhuǎn)雙孔光闌到任意角度， 可接收測(cè)量平面上任意方向的兩個(gè)速度分量。9/23 如圖所示是雙光束一雙散射模式，激光經(jīng)分光鏡分成兩束強(qiáng)度相等、互相平行的光束，通過(guò)聚焦透鏡，會(huì)聚于被測(cè)點(diǎn)，然后這兩束入射光在同一方向的散射光匯聚到光電檢測(cè)器中進(jìn)行外差而獲得多普勒頻移。特點(diǎn)：雙光束一雙散射模式是目前應(yīng)用最廣泛的光路模式。它的多普勒頻移只取決于兩束入射光方向，而與散射光方向無(wú)關(guān)，這是該模式的重要特點(diǎn)。因?yàn)楣饨邮掌骺梢苑?/p>

6、在任意位置，而且可以采用大的收集立體角以提高散射光功率。入射光系統(tǒng)可制成集成化光學(xué)單元， 大大提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)固性和易調(diào)準(zhǔn)性。10/23 如圖所示是激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)圖，光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體，產(chǎn)生多普勒頻移信號(hào)，光電檢測(cè)器完成信號(hào)的收集及光電轉(zhuǎn)換。但是，實(shí)際上接收到的多普勒信號(hào)很小且存在噪聲，所以信號(hào)要進(jìn)行放大和濾波等處理。根據(jù)多普勒信號(hào)的特點(diǎn)， 己研制出多種信號(hào)處理系統(tǒng)，如：頻譜分析儀、頻率跟蹤器、計(jì)數(shù)型處理機(jī)、FP掃描干涉儀、濾波器組、光子計(jì)數(shù)相關(guān)法、快速傅里葉變換。3.激光多普勒測(cè)速的信號(hào)處理圖6 測(cè)量系統(tǒng)框架圖11/23 頻率跟蹤是目前性能較優(yōu)，在國(guó)內(nèi)外使用最廣泛的信號(hào)處理機(jī)，其最大

7、優(yōu)點(diǎn)是可用于信噪比較低的場(chǎng)合， 同時(shí)可以得到實(shí)時(shí)速度信息。頻率跟蹤法是應(yīng)用一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋信號(hào)跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，其原理如圖6所示。多普勒信號(hào)首先經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后，濾掉低頻信號(hào)，獲得信噪比較高的純凈的多普勒信號(hào)，然后輸入到頻率跟蹤電路， 由其中的壓控振蕩器輸出瑞引出方波頻率信號(hào)， 由高線性F/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為線性模擬電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換。圖7 頻率跟蹤原理圖12/23光電檢測(cè)器與光電效應(yīng)圖9 光電檢測(cè)器模塊結(jié)構(gòu)框圖圖8 完整的光電檢測(cè)電路13/23 半導(dǎo)體材料的價(jià)帶與導(dǎo)帶間有一個(gè)帶隙,其能量間隔為Eg。一般情況下,價(jià)帶中的電子不會(huì)自發(fā)地躍遷到導(dǎo)帶,所以半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性遠(yuǎn)不如導(dǎo)體

8、。但如果通過(guò)某種方式給價(jià)帶中的電子提供能量,就可以將其激發(fā)到導(dǎo)帶中,形成載流子,增加導(dǎo)電性。光照就是一種激勵(lì)方式。當(dāng)入射光的能量hEg (Eg為帶隙間隔)時(shí),價(jià)帶中的電子就會(huì)吸收光子的能量,躍遷到導(dǎo)帶,而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴,形成一對(duì)可以導(dǎo)電的電子空穴對(duì)。這里的電子并未逸出形成光電子,但顯然存在著由于光照而產(chǎn)生的電效應(yīng)。因此,這種光電效應(yīng)就是一種內(nèi)光電效應(yīng)。圖10 不同材料能帶分布圖r-費(fèi)米能級(jí)14/23 激光多普勒測(cè)速具有許多優(yōu)點(diǎn)，它廣泛地應(yīng)用于空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)，用來(lái)測(cè)量風(fēng)洞、水筒、水工模型、射流元件等各場(chǎng)合中流體的流場(chǎng)分布和有關(guān)的物理參量，它也適用于邊界層流體的測(cè)量和二相流的測(cè)量。近來(lái)

9、， 已能測(cè)量亞音速、超音速噴氣流的速度，所以被用來(lái)研究噴氣過(guò)程、燃燒過(guò)程，為燃?xì)廨啓C(jī)、氣缸、鍋爐、原子能反應(yīng)堆等方面的設(shè)計(jì)研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果。激光器；分光、聚焦光路系統(tǒng)；光信號(hào)收集與檢測(cè)系統(tǒng)；頻率信號(hào)處理系統(tǒng)。4.激光多普勒測(cè)速的技術(shù)應(yīng)用15/23 激光多普勒用于測(cè)量流體速度場(chǎng)時(shí)，是以流體中的粒子作為媒介來(lái)測(cè)量流體流速的，只有在流體中存在適當(dāng)?shù)纳⑸淞Ｗ拥那闆r下才能工作，這些散射粒子又稱為示蹤粒子。 散射微粒應(yīng)該具有以下三個(gè)基本特性：能夠很好地跟隨流體的運(yùn)動(dòng)；具有高的散射效率；具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)。被測(cè)流體被測(cè)流體可添加的散射微粒可添加的散射微粒被測(cè)流體被測(cè)流體可添加的散射微可添加的

10、散射微粒粒水滑石粉、聚苯乙烯空氣硅油、水蒸氣油氧化鐵火焰氧化鈦、氧化鎂示蹤粒子16/23論文題目： 擴(kuò)展光束型激光多普勒速度測(cè)量系統(tǒng)作 者： 李秀明， 黃戰(zhàn)華， 朱猛作者單位： 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院刊 名： 光學(xué)精密工程(ISTIC、EI、 PKU)英文刊名： Optics and Precision Engineering年，卷(期)： 2013,21(5)基金資助： 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目文獻(xiàn)簡(jiǎn)介17/23 由于雙光束多普勒測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)體部分一般都很小，在測(cè)量固體表面速度時(shí)，必須嚴(yán)格控制固體的運(yùn)動(dòng)軌跡，使它經(jīng)過(guò)多普勒測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)體，否則測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。顯然，雙光束多普勒測(cè)

11、量方法只適用于運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制的情況，不適用于非精密控制的情況。 為了獲得高速?gòu)椡柙诔鎏藕蟮乃矔r(shí)速度以及在不同位置時(shí)的速度分布，提出了一種基于擴(kuò)展光束的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)出射的激光束進(jìn)行兩次擴(kuò)展，使擴(kuò)展后的相干光束在空間某一位置相交來(lái)形成具有一定延展范圍的探測(cè)體。該方法有效避免了經(jīng)典雙光束多普勒測(cè)速系統(tǒng)由于探測(cè)體積小而導(dǎo)致的物體偏離探測(cè)區(qū)域的情況，因此，在實(shí)際測(cè)量彈丸速度的過(guò)程中能夠解決傳統(tǒng)多普勒系統(tǒng)因彈道偏差而導(dǎo)致的無(wú)法測(cè)速的問(wèn)題。研究背景18/23圖12 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖測(cè)量系統(tǒng)原理19/23圖13 探測(cè)體結(jié)構(gòu)x方向擴(kuò)展y方向擴(kuò)展2sin2tandLy2sinxL20/23圖14

12、 原理簡(jiǎn)圖圖15 接受實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)過(guò)程 為驗(yàn)證散射面大小對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響以及方便光路調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中暫不進(jìn)行第二次擴(kuò)束。21/23圖16 信號(hào)處理結(jié)構(gòu)圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析22/23圖17 擴(kuò)展光束照射下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖18 激光束照射下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)速度vx 峰值頻率fd 測(cè)量速度v 相對(duì)誤差 14.83m/s 3.60MHz 15.08m/s 1.70%真實(shí)速度vx 峰值頻率fd 測(cè)量速度v 相對(duì)誤差 15.26m/s 3.62MHz 15.35m/s 0.57%23/23 實(shí)驗(yàn)通過(guò)固定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速并徑向移動(dòng)轉(zhuǎn)盤來(lái)獲取不同的速度值，多次測(cè)量的結(jié)果及相對(duì)誤差。在擴(kuò)展光束條件下獲得的測(cè)量結(jié)果的平均誤差為1 2 ，在原始激光條件下測(cè)得結(jié)果的平均誤差為0.5 1.5 。 兩種方法的精度差異可能有幾方面原因：首先是由光束的擴(kuò)展而直接引起的信噪比下降；其次可能是由擴(kuò)展光束不完善而引起探測(cè)體內(nèi)條紋的不均勻；此外，由測(cè)量區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)盤徑向不同點(diǎn)的速度差異而引