激光多普勒在粒子散射测量中的应用

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1、西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规

2、定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：翩签名：羔边b翠期日第一章绪论第一章绪论§1．1研究背景和意义随着现代工业技术的飞速发展，需要在许多特殊环境下进行测量，这对测试测量技术提出了新的课题【I】。其中一些场合要求对物体进行非接触性测量，如对经过烧灼的导弹导航头

3、外形的检测，对高温环境下物体变形的检测等。因而激光多普勒技术的发展受到越来越多的专家和学者的关注，其在军工业，机械加工业以及航空业中也都具有很高的实用价值。在民用技术方面【2’3】，激光多普勒技术应用于测量道路运输车辆的速度和车辆之间的距离，气象部门可以利用大气中水汽、粒子的激光散射，测量大气的污染度，风速风向。水文检测部门利用激光与流体散射特征，测量水的速度等【4'5l。生物化学以及医学领域利用生物粒子的激光散射特征，可以实现生物光学检测、成像和疾病医学诊疗等。这些问题中都涉及到目标或者复杂群聚粒子、随机分布层内群聚簇粒子随机分布的光(电磁波

4、)散射特性分析。同时激光散射理论分析与建模研究是研究生物蛋白质溶液、化学凝胶光散射特性的理论基础，尤其在环保和生物医学诊疗中更是表现出其日益重要的地位。激光散射距离多普勒成像技术，是利用窄脉冲激光束照射运动目标，产生目标二维强度分布、一维距离像、多普勒效应(速度)的四维信息，其根据目标(如弹头、诱饵等)的平动、转动和振动，通过目标上各单元到探测器距离不同的散射回波的相干探测，及激光信号所引起的多普勒频率差，并运用多普勒调制和信号处理技术，获取运动目标上相应各点的回波强度、距离像以及相对径向距离，径向速度和横向速度，从而获得目标形状和微运动特征信

5、息的技术【6．7J。自激光器出现以来，激光多普勒技术由于它具有非接触测量、高的时间和空间分辨率以及高测量精度等优点，已成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法【4】。许多地方，如水下、燃烧缸内、原子反应堆、大气风速及高压、带腐蚀性流体等场合的测量都寄希望于激光多普勒测量技术。由于现代科学技术、特别是半导体器件，光纤光学及计算机科学的发展，激光多普勒测量技术正向仪器的小型化，使用方便化发展，使用光纤使得测量探头的可动部分缩到很小。近几年来，采用新型半导体激光器作为发射光源，用雪崩二极管或PIN管作为探测元件，使得光学系统小型化成为可能。计算机的发

6、展使时域内信号处理的可靠性提高，并向频域处理的方向发展。随着电路器件水平的不断进步，FFr运算速度的提高，2激光多普勒在粒子散射测量中的应用使频域内的信号处理方法用于准实时测量或趋向实时测量。近年来国外还发展了一些新的信号处理技术，一方面使得激光多普勒信号处理系统也趋于小型化，另一方面使得信号处理的自动化能力提高，使人工干预减到最小。§1．2激光多普勒的发展和历史1842年物理科学家Doppl盯’CMsti锄JohaIln首次发现，任何形式的波传播，由于波源，光电检测器，传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler频移f引。声

7、学中的Doppl盯频移是由于声源和光电检测器之间的相对运动；包含光波在内的电磁波也会产生这种形式的频移。二十世纪六十年代，激光器得以发明，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年埘l和C1姗mi璐首次观察了粒子中的散射光频移，证实了可以利用激光多普勒频移来测量流体速度f41。这可视为激光多普勒技术发展的起点。For锄锄和George，Golesfecion和K∞id，Pike，Huf；ll(e等人【91进一步论述了多普勒技术原理，特点及其应用，使得该项技术初步得以实用化，不仅可以测量液体流速，还可以

8、测量气体的流速。在随后的几十年中，激光多普勒频移技术得到了长足的发展，至今己成为一门涉及光学，机械学，仪器仪表学，光电检测学，生物医学和信号处理技术等