激光多普勒测速

课程考核论文

课程名称：       图像传感与测量            

论文题目：     激光多普勒测速技术                           

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激光多普勒测速技术

一、引言

激光多普勒测速技术即LDV(Laser Doppler Velocimetry)是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事、航空航天、机械、能源、冶金、水利、钢铁、计量、医学、环保等领域[1]。

激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段。

第一个阶段是19至1972年，这是激光测速发展的初期。在此期间，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便[2]。

第二个阶段是1973至1980年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了很大的发展。光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。

第三个阶段是1981年至今。在此期间，应用研究得到快速发展[3]。

在发表的论文中，有关流动研究的论文急剧增加。系统，光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平，使用调整更加方便。此外，半导体激光器的应用是其小型化成为可能，推动激光多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。

二、主要内容

激光的多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础，当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度，入射光和速度方向的夹角都有关系。

由于其有许多潜在的独特功能，激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具[4]。

1.激光多普勒测速原理

激光测速的原理大致是这样：激光束射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的频率改变了，通过光电装置测出频率的变化，就测得了粒子的速度，也就是流动的速度 [5]。

设一束散射光与另一束参考光的频率分别为，它们到达光探测器阴极表面的电场强度分别为：

式中，分别为两束光在光阴极表面处的振幅，分别为两束光的初始相位。两束光在光阴极表面混频，其合成的电场强度为：

光强度与光的电场强度的平方成正比：

式中为常数，为两束光初始相位差，。其中第一项为直流分量，可用电容器隔去，第二项为交流分量，其中是得到的多普勒频移。多普勒频移与物体运动速度的关系为：

式中：是激光的传播矢量，为散射光传播矢量，是物理运动速度方向单位矢量，是物理运动速度[6]。

2.激光多普勒测速特点

激光多普勒测速与传统的测速相比具有如下优点：

（1）属于非接触测量：激光束的交点就是测量探头。测量过程对流场无干扰，不影响流场分布，这对回旋流场尤为适用，可测远距离的速度场分布或狭窄流道中的速度分布。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。

（2）空间分辨率极高：目前测点可小于，随着所用激光波长的减小，光路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。

（3）动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。

（4）测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪器。测速精度一般可达。

（5）测量量程大：因为频差与速度成简单线性关系，不论低速或高速都不需校正，他允许有很大的频移，目前已能测的速度，这是普通测速仪不能比拟的。

（6）测量速度方向的灵敏性好：因光束分离器旋转时测点不变，所以可方便地测量任意方向的速度分量，并可用作常量二维流动的测量研究。

激光多普勒测速仪本质上是利用检测流体中和流体以同一速度运动的微小颗粒的散射光来测定流体速度的仪器，由此也带来一定的局限性。

（1）被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。

（2）在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作散射中心。

（3）流速很高时要求提高激光输出功率，由于信号频率很高而使信号处理困难。

（4）价格较贵。

（5）使用时要有一定的防震要求，并使管道和光学系统无相对运动[7]。

尽管如此，这种测速方法所具有的优越性，使它在许多场合成为一种必不可少的检测手段。多年的研究使多普勒测速仪技术得以迅速发展，从不能辨别流向到可以辨别流向，从一维测量发展到测量，围绕这一技术的基本原理、设计方法和应用技术，学者们曾在有关杂志及重大国际会议上发表了许多论文。早在七十年代就有重要著作面世，而且它的应用面也不断扩大，从流体测速到固体测速，从单相流到多相流，从流体力学实验室速度场测量到实际上较远距离的大气风速测量，从一般气、液体速度测量到人体血管中血流速度测量，其应用范围有了极大的扩展。反过来，各类应用对这一测速技术及测速仪器也提出许多更新更高的要求[8]。

3.激光多普勒测速技术的应用

（1）多普勒雷达。其工作原理为：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。

（2）多普勒测速仪。激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处理器和数据处理系统或数据处理器。它可以精确方便地测算出船舶航行的速度，使现代大型船舶进出港口变得十分容易。一般的船用测速仪只能测出船与海水之间的速度，而不能测得船与海底的相对速度。由于海水是随风浪而动的，有时即使船速很小，但风浪很大时，船相对于海底的速度仍然很大，这就给船舶靠岸造成了很大的困难[9]。

（3）血液流动的研究[10]。近年来迅速形成的力学分支——生物力学，他把血液流体力学作为一个重要的研究课题，推动了激光多普勒测速的研究。它是利用多普勒效应原理，对运动的脏器和血流进行探测的仪器。其中，经颅多普勒是一个有效的无创伤性的脑血管检查方法，属超声检查范围，因此对受检查者毫无创伤和痛苦。许多脑血管检查方法如放射性核素的脑血流量测定、脑血管造影、数字减影血管造影等均具有一定创伤性及并发症，经颅多普勒安全、无创伤性，适宜于普通的临床应用。

（4）超音速风洞中激光测速[11]。激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造，其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心。因此在风洞中必须掺入少量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激光多普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统进行了测量，获得了很好的结果。

激光多普勒测速技术应用范围相当广泛，除了上述用途之外，还可以用于振动测量、固体表面速度的测量、大气风速的测量以及湍流的测量等，其特点是快速无惰性，不接触被测表面，因此不会损伤被测表面，精度与可靠性较高。而且该项技术已经由实验研究进入实用化，在各个部门的应用正在不断扩大[12]。

三、总结

阐述了激光多普勒测速技术的基本原理及特点，总结了该测量技术的应用领域。激光多普勒测速技术已经发展到能够成功地进行大部分速度测量的水平。光学、电子学以及其他有关技术方面的改进促进了激光多普勒测速技术的进展。今后，激光多普勒测速技术应该朝着提高信号质量和从噪声信号中更加准确地提取信息的方向努力，并且使之变得更简便、更易于操作。

四、参考文献

[1]沈熊. 激光多普勒测速技术及应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.

[2]Julien Perchoux，Thierry Bosch. Multimode VSCELs for selfmixing velocity measurements[C]. 2007 IEEE sensors. 2007：419-422.

[3]张艳艳，巩轲，何淑芳，霍玉晶. 激光多普勒测速技术进展[J]. 激光与红外,  2010,3(11).

[4]施卫东，汪飞. 激光多普勒测速技术的基本原理与结构[J]. 佳木斯大学学报：自然科学版, 1992,2(3):348-353.

[5]陈益萍. 激光多普勒测速技术原理及其应用[J]. 电子世界, 2013.

[6]刘玉民，张钟梅，韩克礼. 激光多普勒测速与光的干涉[J]. 激光与红外, 1980,2(12):233-240. 

[7]王素红. 激光多普勒测速技术[J]. 现代物理知识, 2008,90(4):569-574.

[8]刘友，杨晓涛，马修真. 基于激光多普勒测速的流场测试技术[J]. 激光与红外, 2012,8(1):32-36.

[9]孙渝生，赵建新，范丽娟. 激光多普勒测速技术的最新发展[J]. 传感器世界, 1998,11(5):53-57.

[10]孙渝生. 激光多普勒测量技术及应用[M]. 上海科学文献出版社, 1995.

[11]沈熊. 激光多普勒测速技术应用的新进展[J]. 力学与实践, 1983,3(4): 33-40. 

[12]赵建新，孙渝生等. 激光多普勒测速技术的最新发展动向[J]. 激光技术, 1993,10(3):11-17.