激光多普勒测速技术原理及其应用

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1、激光多普勒测速技术原理及其应用【摘要】激光多普勒测速仪(简称LDV)以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴•约翰(Doppler,ChristianJohann)发现的声学效应。在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是

2、称这一频率差为多普勒频差或频移。1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。二十世纪六十年代，激光器得以发明。激光的出现大力地促进了各个学科的发展。由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cumm

3、ins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]o激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。1.激光多普勒效应2.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。3.光路模式4.1参考光模式图2所示是参考光模式，激光经分光镜分成两束光，其中一束是弱光用作参考光，另一束是强光用作照射

4、光束，它们聚焦到测量区。光电检测器接受参考光，同时接受另一束照射光束经过粒子散射在同一方向上的散射光，它们在光电检测器件中进行光外差，从而得到多普勒频移。为了使参考光和散射光强度基本相近，必须使参考光减弱。通常参考光束和照射光束的光强比为1：99左右，这里可以用中性滤光片来减弱参考光，或者选择合适的分光镜的分光比来实现。参考光模式的光学单元具有结构紧凑、调节方便和使用灵活的优点。4.2单光束-双散射模式单光束-双散射模式一般用得较少，它没有明显的优点,但是可以用它来接收两个互相垂直平面的两对散射光，同时测量两个速度分量，而旋转双孔光阑到任意角度，可接收测量平面上任意方向的两

5、个速度分量。4.3双光束-双散射模式5•多普勒信号处理如图5所示是激光多普勒测速系统图，光学系统测量运动物体，产生多普勒频移信号，光电检测器完成信号的收集及光电转换。但是，实际上接收到的多普勒信号很小且存在噪声，所以信号要进行放大和滤波等处理。根据多普勒信号的特点，已研制出多种信号处理系统，如：频谱分析仪、频率跟踪器、计数型处理机、F-P扫描干涉仪、滤波器组、光子计数相关法、快速傅里叶变换［5］。其中，频率跟踪是目前性能较优，在国内外使用最广泛的信号处理机，其最大优点是可用于信噪比较低的场合，同时可以得到实时速度信息。频率跟踪法是应用一个闭环负反馈信号跟踪系统实现信号的连续

6、实时测量，其原理如图6所示。多普勒信号首先经过滤波、放大电路后，滤掉低频信号,获得信噪比较高的纯净的多普勒信号，然后输入到频率跟踪电路，由其中的压控振荡器输出瑞引出方波频率信号，由高线性F/V转换电路转换为线性模拟电压，再由A/D转换。6.激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速具有许多优点，它广泛地应用于空气动力学和流体力学，用来测量风洞、水筒、水工模型、射流元件等各场合中流体的流场分布和有关的物理参量，它也适用于边界层流体的测量和二相流的测量。近来，已能测量亚音速、超音速喷气流的速度，所以被用来研究喷气过程、燃烧过程，为燃气轮机、气缸、锅炉、原子能反应堆等方面的设计研究提

7、供了实验数据和测试结果［6］。激光多普勒速度计已从科研的实验室进人工厂现场，如测铝板、钢板的轧制速度，固体粉末输送速度，天然气输送以及控制棉纱、纸、人造纤维的运动速度以提高产品质量。结合其他技术，还可以扩大测速仪的用途，同时测量浓度，或者振动等其他物理参量。现在，激光多普勒测速技术已逐渐在国民经济各部门得到实际应用，并取到了良好的效果。这一技术本身也正在不断地深入发展，以适应迅猛发展的科学研究与生产的需要。7.结论阐述了激光多普勒测速技术的基本原理，介绍了三种光路模式和多普勒信号处理方法，最后总结了该测量技术的应用