1、1. 用于車載自主導(dǎo)航激光多普勒測速儀的初步研究針對應(yīng)用：用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)，固體表面運動測速。認(rèn)為：激光多普勒測速精度高，空間分辨率好，動態(tài)響應(yīng)快，測量范圍大，非接觸測量，是速度測速技術(shù)的重要發(fā)展方向。緒論：已有測速方式比較，多普勒測速現(xiàn)狀、原理、直接和外差。雙光束差動模式、參考光模式及自混合光路結(jié)構(gòu)比較，提出多點分層技術(shù)、Janus配置技術(shù)。理論：散斑場推出多普勒頻移產(chǎn)生機理，根據(jù)散斑場隨機過程推出固態(tài)散射面激光多普勒信號強度表達式，與聚焦光斑直徑相關(guān)，據(jù)此分析信號強度、信噪比。根據(jù)條紋模型和粒子隨機散射機理，模擬固體表面運動多普勒信號時域特征，分析固體表面特性（粒子尺寸及散射系數(shù)有關(guān)）影響

2、。分析參考光模式中，信號光與參考光最佳匹配及失配下外差效率，分析光學(xué)參數(shù)影響。信號處理分析：誤差分析：分析測量誤差，提出控制措施，引入Cramer-Rao Lower Bound評估測量精度。實驗研究。這篇文獻介紹全面，思路清晰，理論分析較完整，針對固體表面測速，精度評估也是亮點，時間也較新（2011），選作總結(jié)模板。緒論激光問世光學(xué)測量發(fā)展。1842多普勒多普勒頻移，1964 Yeh和Cummins水流粒子散射光頻移多普勒頻移技術(shù)可以實現(xiàn)流速測量?，F(xiàn)在LDV用于液體、氣體流速測量成熟產(chǎn)品，而固體表面測速，表面粗糙不一，散射特性各異，環(huán)境影響，信號產(chǎn)生機理不完善。背景：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)線速度三種方

3、式：加速度計、全球定位系統(tǒng)、里程計。多普勒測速是重要發(fā)展方向：非接觸、精度高、空間分辨率好、測速范圍廣、動態(tài)響應(yīng)快、方向靈密度好可多維測量。幾種固體表面測速的光學(xué)非接觸測試方法：（1）激光相關(guān)法：激光分兩束相互平行，聚焦到固體被測物表面，間距h，兩探測器接收兩散射光信號，分析找到兩隨機相關(guān)信號之間的時間延遲，則運動速度為h/。（2）雙頻激光干涉：雙頻激光器激光分成兩束，一束直接拍頻，另一路分出兩頻率，其中一頻率用于測被測物并附加多普勒平移，利用角錐棱鏡平行返回，同另一頻率拍頻，兩組拍頻信號處理得到運動速度。這能增強抗干擾能力，提高精度，但同時需要角錐棱鏡不方便。（3）空間濾波測速：激光直接照在

4、被測物，散射光將圖像信號經(jīng)接收物鏡傳到光柵（空間濾波器）上，再經(jīng)聚焦透鏡傳至光電檢測器。運動表面特征信息經(jīng)光柵產(chǎn)生一定頻率的輸出信號，該頻率與運動速度成正比。（4）激光多普勒技術(shù)激光多普勒技術(shù)發(fā)展概況與研究現(xiàn)狀：從Yeh和Cummins激光多普勒流速測量，已50年發(fā)展。理論分析、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進、信號處理方法等改進和深入研究。理論研究：一是電流信號分析由激光束平面波到高斯光束分析，以及選擇合適散射粒子的理論。二是多普勒加寬分析，包括有限渡越時間、散射角變化、速度梯度、光學(xué)元件振動、相干性展寬、探測器孔徑加寬、散斑加寬等。三是信噪比分析，影響因素、雙光束和參考光束型系統(tǒng)信噪比差別，散射粒子多少影響。

5、此外，相位多普勒粒徑測速技術(shù)是理論上突破，可同時得到粒徑信息。激光多普勒技術(shù)理論上趨于成熟和完善。LDV光機系統(tǒng)及應(yīng)用：參考光束型前向散射雙光束系統(tǒng)及優(yōu)點雙散射光束型自混頻及雙自混頻系統(tǒng)后向散射型。辨別速度方向頻移裝置：布拉格盒、旋轉(zhuǎn)光柵、電光相位調(diào)制等。多維測量雙色激光系統(tǒng)測二維單色經(jīng)偏振分離測二維二維布拉格器件調(diào)制出兩頻移測二維雙光束結(jié)合參考光束測三維。小型化、新型、實用商品化，如光纖化、集成光學(xué)、半導(dǎo)體激光器、特殊分光器件等使小型化，多點測量、全場測速、連續(xù)掃描測振等新型，應(yīng)用實用方面流體、湍流、血流、燃燒過程、風(fēng)速遙測等等。今年來，固體表面測速。信號處理方法進展：多普勒信號不連續(xù)、變頻

6、、變幅，隨機，信噪比低。最早頻譜分析法由掃描得到信號頻率功率特性曲線，掃描速度慢，不實時（1）濾波器組分析法：用多個不同特征頻率的濾波器同時濾波得到最大輸出的濾波器中心頻率，即信號頻率。信號頻率較大時所需LC回路數(shù)目多，不實用。（2）頻率跟蹤法：信號在寬頻范圍內(nèi)（幾時KHz-十幾MHz）均勻放大，同時窄帶濾波，實時易數(shù)字化，但要求信號基本連續(xù)且信噪比高，否則可能失去跟蹤或錯誤跟蹤。（3）近年，計數(shù)型信號處理法：計算固定時間內(nèi)信號周期數(shù)，得到信號頻率。精度高，實時。但與頻率跟蹤法同樣是將信號通過帶通濾波器濾去高于和低于門檻的信號后進行處理，對信噪比要求高。頻域內(nèi)處理：將采集的信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)頻譜，

7、用快速傅里葉變換FFT或自相關(guān)函數(shù)計算出最大值，再求多普勒頻率。頻域內(nèi)的處理方法可對任何信噪比的信號進行處理，具有很高的可靠性，相應(yīng)的數(shù)字頻譜分析方法，使LDV信號處理性能明顯改善，噪聲適應(yīng)力增強。激光多普勒技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀：多國已有成熟產(chǎn)品，如德國、美國、英國丹麥奧地利新加坡等。美國和德國為代表性。美國Optodyne公司、TSI公司、德國Polytec公司、丹麥DANTEC公司、英國proton公司、Moor公司、瑞典Perimed公司、新加坡、日本卡西歐及歐姆龍公司等。國內(nèi)：清華大學(xué)一維二維三維LDV，用于水庫泄洪洞模型實驗和熱核反應(yīng)堆換熱器模型測試驗證，中科大單模VCSEL自混合LD

8、V，用于計算機表面跟蹤輸入，天津大學(xué)（1）差動LDV用于微機電系統(tǒng)器件運動測量（2）數(shù)字分析-頻率跟蹤型LDV（3）地球物理勘探中的應(yīng)用（4）固體表面面內(nèi)位移遠距離測量，西安交大固態(tài)物體掃描LDV測振，電子科大高精度LDV信號處理機和光纖LDV，大連理工大學(xué)固體測速LDV。激光多普勒原理1842年多普勒在聲學(xué)上發(fā)現(xiàn)多普勒頻移，即聲源與接收器存在相對運動時，接收器收到的頻率和聲源發(fā)出的頻率不同，其差即多普勒頻移，與二者相對運動速度大小和方向有關(guān)。1905年愛因斯坦指出光波同樣存在多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)原理公式車載中多普勒效應(yīng)原理多普勒頻率探測原理：（1）運動速度越大，對應(yīng)多普勒頻率越高，相對光波

9、高光頻（1014Hz量級）可比擬，如高速（幾百、幾千m/s），多普勒頻移數(shù)百MHz，可以用F-P干涉儀進行直接測量，通過信號光束與參考光束通過F-P干涉儀形成同心圓環(huán)之間的相對位移得出頻率差，相對位移偏移方向得出頻移符號。精度可達1MHz。（2）低速（小于百米/秒），多普勒頻移相對光波頻率很小，由于不能直接測量出光波頻率再準(zhǔn)確相減，而采用光學(xué)外差技術(shù)。光學(xué)外差原理高通。LDV的光路結(jié)構(gòu)前向散射最強，但固體表面不能透過散射光，因此只能用后向散射型。雙光束差動型：可以用干涉條紋模型解釋雙光束差動型LDV工作原理，由1969年Rudd提出。該模型如下：將激光束看成平面波，兩平面波以夾角會聚在物面上，

10、形成明暗相間干涉條紋，條紋間距為當(dāng)運動表面從垂直于條紋區(qū)的方向通過時，散射出光強隨時間（位置）變化的光波即多普勒信號，該信號頻率即多普勒頻率為運動速度v除以條紋間距，同前公式。參考光束型：參考光模式需要嚴(yán)格的條件空間相位條件和外差條件。因為信號光與參考光是在探測器面上混頻轉(zhuǎn)化成電流輸出的，總電流是光敏面上每一微分面元電流之后，要求在整個面上兩束光保持同樣相位關(guān)系，由干涉混頻條件要求，即得出上面條件：（1）激光器單頻基模（2）兩光束在光敏面上重合，光斑直徑相等，否則不重合部分形成噪聲（3）兩光束必須空間準(zhǔn)直及角準(zhǔn)直（最大允許偏差角，a為探測器面上的混頻孔徑）（4）角準(zhǔn)直下還必須盡量曲率匹配（5）

11、兩光束同偏振。此外，兩光束之間光程差不能超過相干長度，干涉時兩光強盡量一致。自混頻：本質(zhì)是參考光模型，但結(jié)構(gòu)簡單。各模式特點：雙光束型：優(yōu)點：（1）多普勒頻移與散射方向無關(guān)，可以通過增大接收孔徑得到較強散射光，這是最大優(yōu)點（2）光路調(diào)整比參考光模式容易，靠檢查兩光束是否相交（參考光是共線）（3）測量精度高，后向散射可用聚焦透鏡作接收透鏡，結(jié)構(gòu)緊湊（4）進入探測器的散射光來自兩束具有同樣強度光束的交點，在交點光斑中任何位置處都發(fā)生幾乎同樣高效率的拍頻，從而總的多普勒信號加強，信噪比更好（參考光模式中，單束光入射到物面，入射光斑中不同位置散射光強不同，返回艾里斑光強分布與參考光的近似平面波或高斯光

12、強分布不能很好匹配，受像差影響更難，且光斑中各位置光程不同因而相位關(guān)系不一致，拍頻效果因而不能很好兩束光非同條件的）。缺點：要保證物體在控制體內(nèi)，因此不能進行離焦測量，測量距離受聚焦透鏡焦距限制。參考光模式特點：優(yōu)點：（1）不存在控制體，可以進行離焦測量，測量距離不受接收透鏡中透鏡焦距限制（2）測量精度高缺點：（1）多普勒頻移是散射角函數(shù)，因此測量物體振動或不規(guī)則表面引起散射角變化會嚴(yán)重影響測量精度（2）光束準(zhǔn)直要求高，因而要求精確調(diào)整且隔離外界影響（3）散射光角擴散引起多普勒頻率加寬進而影響測量精度，采用光闌限制接收方向減輕，但同時會使接收光能減少降低信噪比。自混頻特點：優(yōu)點：（1）光路簡單

13、，可以簡化探測器（2）靈敏度高（3）可用于粗糙表面測量缺點：（1）易受工作電流和外界溫度影響，從而使得測量精度不高（2）無法判定運動方向（3）探測光強不能太強，限制信噪比根據(jù)車載LDV應(yīng)用，要求精度高，能離焦測量，適應(yīng)顛簸搖擺，需要改進設(shè)計多點分層技術(shù)用于雙光束模式，Janus配置用于參考光模式減小顛簸對測量精度影響。方向辨別：若不對一束光頻移，則拍頻后得到頻移無論是正向還是反向運動，都是同樣大小頻移，不能區(qū)分，因此需要在一路中引入頻移。引入頻移好處：（1）辨別運動方向（2）消除多普勒信號基底頻譜：雙光束為例：由于激光束空間高斯光強分布，使得信號電流中含有高斯分布信號成分，相應(yīng)于低頻頻譜，其帶

14、寬通常不超過多普勒頻移的0.14倍，可以通過高通濾波器去除而不影響測量。但如果測低速物體，多普勒頻移距離基底信號頻譜不遠，二頻譜帶容易重疊，因此引入光學(xué)頻移，保證即使低速測量下仍能有效通過高通濾波器去除基底信號進行測量。光學(xué)頻移方法：（1）旋轉(zhuǎn)光柵法（2）電光調(diào)制法（3）聲光調(diào)制法，比較如下聲光頻移合適，但要注意其附加相位差即頻率漂移等對測量精度影響。光路設(shè)置考慮：（1）激光源：單色性好，頻率穩(wěn)定，光束質(zhì)量好，功率要足夠。（2）光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)：1、雙光束：兩光束強度比不低于0.7:1，選擇焦距較大的會聚透鏡獲得較大控制體，會聚角取220度之間，具體值由被測物速度范圍和信號處理機的頻率處理范圍決定

15、，保證最好靈敏度和精度，透鏡焦距與有效通光孔徑比大于4時可以采用單透鏡，否則復(fù)合透鏡減小像差。2、參考光模式：（3）光接收系統(tǒng)：采用像差較小接收透鏡，可以在探測器前加干涉濾光片去除雜散光，甚至在接收光學(xué)系統(tǒng)元件之間加接內(nèi)壁涂有無光黑漆的一定長度光束延伸筒。探測器前光闌孔徑大?。弘p光束模式：盡量與控制體大小相當(dāng)（成像關(guān)系），參考光模式：由兩光束的角準(zhǔn)直條件決定（我覺得，即外差條件）。（4）光電探測器：根據(jù)速度分布和頻率范圍及散射光強度選擇。散射光強，則可用光電二極管，信噪比較高，裝置簡單，價格低廉，散射光弱，光電倍增管或雪崩二極管。低速情況，多普勒頻率KHz左右，優(yōu)先PIN，中速，MHz左右，優(yōu)

16、先PMT，高速，100MHz左右，優(yōu)先APD。（5）增透膜：提高光能利用率，減少雜散光（6）高斯光束準(zhǔn)直：調(diào)整高斯光束束腰位置（雙光束中），使得束腰在探測器光敏面上與信號光混頻。固態(tài)散射體LDV技術(shù)與流體測速不同，固體時利用固體表面上自然顆粒散射產(chǎn)生信號。固體表面形貌復(fù)雜，探測體內(nèi)存在大量粒子，粒子大小和數(shù)量隨機，因此信號強度、相位隨機（隨機尺度？我覺得應(yīng)在單個干涉條紋尺度以內(nèi)，隨機程度不影響宏觀干涉條紋分布）。特別是粗糙表面。如果說固體是剛體，假設(shè)是一整塊，而不是微粒群，那光信號應(yīng)該和單個粒子穿過干涉條紋一樣或類似。如果不是一整塊，而是大量隨機粒子，但是隨機概率均勻，即數(shù)量均勻，粒子大小均勻

17、，且單干涉條紋范圍內(nèi)粒子足夠多，則在單條紋范圍內(nèi)粒子隨機大小和相位不影響宏觀光強和相位分布，因此可以將改固體表面視作一整塊剛體。用散斑統(tǒng)計理論來證明這一點。散斑：文獻中散斑說明：從光波長尺度來看，一般固體表面是粗糙的，表面可看作大量無規(guī)則面元，相干光照射表面時，每個面元為一衍射單元，整個表面為“相位光柵”，且不同面元引入相位差可達2的若干倍。不同面元發(fā)出光在表面空間發(fā)生干涉，干涉效果隨空間變化而急劇無規(guī)則變化，從而形成無規(guī)則分布顆粒狀結(jié)構(gòu)衍射圖樣，即為散斑。散斑按近場和遠場分為菲涅爾散斑和夫瑯禾費散斑，大致可以一倍透鏡焦距為界。這篇文獻中，作者同某些文獻中一樣分析，即把多普勒效應(yīng)看成是兩散斑場

18、的疊加。我覺得，這說的思維不清，解釋不明，存在矛盾。作者以參考光型為例子說明的，通過探測光束光程變化對應(yīng)在探測器上和參考光（也是散斑）相干周期變化得出多普勒頻率，只是公式上的必然，確沒有認(rèn)真解釋，也沒有考慮條件，而正是這些條件，更能讓人理解這機理。我的分析如下：如果散斑較大，整個被測物面干涉場不是規(guī)律條紋，而是均勻散斑顆粒，這光返回到探測器表面，同參考光斑干涉，由于均勻散斑分布，亦即相位散斑分布，與參考光斑干涉總結(jié)果是光強散斑分布，整個面上光功率總和一定。當(dāng)被測物沿著軸向運動時，產(chǎn)生光程差，則各個散斑相位同等變化，干涉后總光功率不變，即探測器輸出光電流大小不隨被測物運動而改變，沒有多普勒信號。這是散斑分布的一種極端例子，不那么極端時，多是散斑大且不是那么均勻分布，使得總光強分布這塊很強那塊很弱，特別是總光功率雖在一時刻一定，但隨被測物運動（假設(shè)勻速），不呈正弦變化，而是不規(guī)則，形成很大