利用激光多普勒法测速

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1、基于双频激光多普勒法—测生物血流速学号：04095077姓名：刘雨林班级：040951班【摘要】本文设计了基于光纤结构流体速度测量装置，利用双频激光器作为光源，采用光纤代替传统的光路，采用光纤分束器实现分光，采用制冷的雪崩光电二极管(APD)为探测器，来建成一个多普勒高精度测速系统。利用一种新的双频激光多普勒测速方法：同偏振的双频激光器作为光源,，并用两个线偏振光同时传感物体的速度,，可以大大提高最高可测量速度。可以实现对高速运动的血细胞速度的高精度测量。【关键词】激光多普勒测速;流体流速；双频激光器;高速度;偏振。【引言】光技术

2、作为一种新兴的科学技术,正在迅速发展,已达到较高的实用水平。由于激光具有强度大、单色性好、相干性好、方向性强等特性,而被广泛地用于许多科学技术领域。激光在生物科学和医学领域得到了广泛的应用,用这种方法可以测量生物体的血液流速。从60年代激光出现以后，人们就开始考虑如何利用激光的单色性好和定向性好的特点来完成非接触的速度测量问题。1964年杨(YEN)和古明斯(Cumnis)首先利用激光的多普勒频移测定了水层流的分布，从而为激光多普勒技术的发展揭开了序幕[1]。它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流体，属于一种无干扰流场测量技术。

3、多普勒效应是指产生波的振源和接收波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的信号频率与振源的频率存在差值的现象。激光多普勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速度进行测量的测速技术[2]。传统的测量方法，如热线热膜流速计、毕托管、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等自发明以来为流动领域的研究和发展起了极大的促进作用，但是这些测量方法是接触式的，必须把探头插入流场。对流场有较大干扰．影响测量的真实性和可靠性。激光多普勒测速技术(LDA)，是用于流体科学实验的主要方法之一，对于研究流体力学

4、中基础理论所涉及的重大问题。提供了一个有效的实验段．它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流动．属于一种无干扰流场测量技术。对生物血管的湍流的研究，激光多普勒技术的空间分辨率高，并且具有跟踪快速变化速度的能力，且可非直接接触。结合生物学显微测量，LDA技术可用于研究生物系统狭窄流道内的流动分布，把LDA和显微镜结合，对于生物学显微测量来说是一项很方便实用的测试技术。LDA技术发展趋势为[3]：(1)集成化，即集成光学组合件代替离散的光学元件；(2)光纤化，即用大功率光学纤维代替部分光学传送部件，使体积大幅度缩小，重量减轻，机动性、

5、灵活性、可靠性提高。(3)智能化，即排除了人为因素的限制，确保了测量的有效性和正确性。同时提高了自动化程度。(4)精确化，即利用现代的数字信号处理技术，改善了系统的信号处理能力，并且在设计思想上有了一系列根本性突破。(5)利用全部光散射模式，即利用了几何散射理论，又利用了米氏散射理论。(6)测量范围扩大到亚微米范围甚至纳米范围。激光多普勒测量方法能非常容易的实现实时在线测量。激光多普勒信号的测量范围非常的广，对环境的适应能力强，受环境影响小。随着光电子的快速发展，激光多普勒测量仪器越来越朝着便携式、坚固耐用和小型化的商用方向发展。

6、3、目前已有的单频激光多普勒测速仪,光路调节难度大,存频率的直流漂移,受环境影响严重,抗干扰能力差的缺点,并且信号处理比较复杂,应用受到很大的限制。已有的外差式双频激光测速仪采用外差干涉测量原理,是交流测量系统,不存在单频激光多普勒测速仪的频率直流漂移问题,具有信号噪声小,抗干扰能力强的优点。但是，外差式双频激光测速仪的最大测量速度受限于双频激光器的频差，最高测速一般在1000mm/s以下[4-5]。它们均无法满足对更高速运动物体进行速度测量的需求。为了实现对更高速运动物体的速度测量，利用新的双频激光多普勒测速方法，可以对高速运动

7、物体的速度进行高精度测量。【多普勒测速原理】多普勒效应是指产生波的振源和接收波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的信号频率与振源的频率存在差值的现象。爱因斯坦1905年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应[6]。只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。1964年Yeh和Cummins首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速。我们考虑一个以速度M运动的光源。其光波的传播方向为向着观察者，光源原本与观察者的距离为G（t），当光源运动时，光波从光源到观察者的空间距离

8、被压缩到（C-Uᵖ·wᵖ）L那么静止观察者所记录到的光源的波长就变为：λ1=（C-Uᵖ·Lᵖ）∕VV1=V∕（1-1∕C·Uᵖ·Lᵖ）其中c为光速，入为波长，V为频率。λ1为观察到的波长，U1为观察到的频率。【系统设计】采用双频激光器为光源，来建成