激光多普勒测速和激光测距

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1、激光多普勒测速和激光测距1目录激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术应用激光测距技术脉冲激光测距相位激光测距22021/9/153激光多普勒测速技术概述1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化——多普勒效应。2021/9/154激光多普勒测速技术1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学

2、以及工业生产中的速度测量。2021/9/155激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。2021/9/156激光多普勒测速技术多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在《论物体的电动力学》中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光

3、学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。2021/9/157激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。设声源的频率为f，声波在媒质中的速度为v，波长λ=v/f①声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为同理，观测者背离声源有2021/9/158激光多普勒测速技术激光多普勒测速

4、技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理②声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了v2T距离，波长变为S1S2v2Dv2Tλ'λ声源向静止观察者运动的多普勒效应示意图则，频率为同理，声源背离观测者运动有2021/9/159激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理②声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1综合上述情况，可以得到：观测

5、者向着声源运动时，取正号；反之取负号声源向着观测者运动时，取负号；反之取正号总之当声源和观测者相向运动时，接收频率升高；当声源和观测者背离运动时，接收频率降低；强调：声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应2021/9/1510激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速度的大小。如图示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效应示意图K'系中静止的光源从K'系的t1'时刻开始发出一

6、列光波，这个波列的发射截止时间为t2'，于是在K'系中此波列发射的时间为（t2'－t1'），在这段时间内发射的波数为N，光源的频率为2021/9/1511激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效应示意图在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻（光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为2021/9/1512激光多普勒测速技术激光

7、多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者D收到这N个波共需时2021/9/1513激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者接收光波的频率为根据时间相对性这就是光学多普勒效应公式2021/9/1514激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cosθ＝±1（远离时取1，接近时取－1）：纵向多普勒效应若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则cosθ＝0横向多普勒效应同样的v值下，横向多普勒效应比纵向多普勒

8、效应要小很多。2021/9/1515激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理如图。由于v/c非常小，只取级数展开的前两项，即考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量2021/9/