（光学专业论文）固体激光多普勒测速仪研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 激光多普勒测速仪是一种非接触测量固体表面运动速度的工具，由于具有不破坏被 测表面，不打滑，精度高等优点，被广泛地用于科研领域和工业领域。激光多普勒测速 仪的测量精度受很多因素影响：光电探测器、环境状况、频谱加宽，信号处理等。国内 还没有测量固体表面运动速度的多普勒测速仪，所用仪器全都高价进口，国外虽然有成 形的产品，但是对于固体激光多普勒信号的产生机理尚没有完善的理论阐述。因此，研 制固体激光多普勒测速仪不仅意义重大，还有很好的市场前景。 本文首先介绍了激光多普勒测速技术的发展历史、研究现状和发展趋势，然后介绍 了多普勒测速仪的测量原理、测量方法、光路布置、信号处理。根据条纹模型和散射机 理建立了固体激光多普勒测速的数学模型，并通过数值模拟，分析了固体激光多普测速 多普勒信号的形成机理，且模拟详细分析了固体表面特性和测量精度之问的关系。多普 勒测速仪能够精确的测量出固体表面运动速度，要求当被测固体的表面粗糙度在一定范 围内，而且这个范围由条纹间距和有效探测体宽度决定。这对多普勒测速仪的研制、设 计和应用都有具有一定的指导意义。 最后，根据数值模拟结论和测速原理，在实验室搭建了一个固体激光多普勒测速系 统，并且成功、准确地测量出固体表面运动速度。系统采用d s p 处理器处理信号，具 有实时、准确测量优点，适合于工业应用。为下一步的产品开发提供了可靠的理论和实 验基础。 关键词：激光多普勒测速仪( l d v ) ：数值模拟；数字信号处理；快速傅里叶变换 ( f f t ) ；固体表面 固体激光多普勒测速仪研究 t h e s t u d y o fl a s e r d o p p l e r v e l o c i m e t e rf o rs o l i ds u r f a c e a b s t r a c t l a s e r d o p p l e r v e l o c i p e d e s ( l d v ) i s a n o - c o n t a c t t e c h n i q u e f o rs w e d m e a s u r e m e n t o f m o v i n g s o l i d - s t a t es 1 l r f a c e s , w h i c hi sa p p l i e d e x t e n s i v e l y i na n a l y s i so f t h em o t i o no f as o l i d b o d y b o t hi nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di nt h ei n d u s t r i a le x p e r i m e n t a t i o nf i e l d sw i t hn o d a m a g e t ot h es l l l f a c ea n dn o s l i p p a g ea n dh i 曲a c c u r a c y t h ea p p l i c a b i l i t ya n da c c u r a c y o f t h e t e c h n i q u ed e p e n d o i lt h ec o n d i t i o n si nw h i c ht h es y s t e m o p e r a t e s ：t h e c h a r a c t e r i s t i c so f t h e s u r f a c em e a s u r e d , p h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r , t h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s , s p e c t r u mb r o a d e n e d ， s i g n a lp r o c e s s i n g e t e o u rc o u n t r yi m p o r tc o m p l e t e l yl d v f o rs o l i di nl l i g hp r i c eb e c a u s eo f w i t h o u tn a t i v e p r o d u c ta n dt e c h n o l o g y n o w , n o t h e o r i e sc a n e x p l a i np e r f e c t l yt h er e a s o no f d o p p l e rs i g n a lg e n e r a t i n gi nl d v f o rs o l i d , s od e v e l o p i n 培t h el d v f o rs o l i di sv e r yi m p o r t a n t a n dh a v ea b i gp o t e n t i a lm a r k e t i nt h i sp a p e r , t h e h i s t o r y ，s t a t u sq u o a n dt r e n do f l d vi sf i r s t l yi n t r o d u c e da n dt h e p r i n c i p l e ，m e t h o d , o p t i c a ld e s i g n a n d s i g r 脚p r o c e s s i n g o f l d vi ss e c o n d l ys u m m a r i z e d t h e n b a s e do i lat h e o r e t i cm o d e l o f f r i n g e s a n dt h ep r i n c i p l e o f l i g h ti n t e r f e r i n ga n ds c a t t e r i n g ，a m a t h e m a t i cm o d e lo f l d vf o rs o l i d - s t a t es u r f a c e sh a sb e e n d e v e l o p e df o ra n a l y z i n gt h er e a s o n o f d o p p l e rs i g n a lf o r m i n g a n dw e a n a l y z e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ec h a m c t e f i s t i e so f t h e s o l i d - s t a t es u r f a c ea n dt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y f o rv e l o c i t yt h r o u g h c o m p u t e rs i m u l a t i o ni n d e t a i l s ，t h er e s l 】1 t so f e x p e r i m e n ta c _ e o r dw i t ht h er e s u l _ c so f s i m u l a t i o ne x a c t l y t h e a n a l y s i s l e a d st ot h ec o n c l u s i o nt h a tl d v s y s t e m c a nm e a s u r e p r e c i s e l y t h es p e e d o f m o v i n g s o l i d s t a t e s u r f a c e ，w h i c hs u r f a c er o u g h n e s sw i t h i nt h er a r l g ed e p e n d i n go nt h em e a s u r i n gv o l u m ea n d f r i n g es p a c i n g t h es t u d y i su s e f u lf o rt h e d e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o no f l d v a tl a s t ，b a s e do nt h er e s u l to f n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e t h e o r yo f l d v , w ed e s i g na l d vf o rs o l i di nl a b o r a t o r ya n dm e a s u r e a c c u r a t e l y t h e v e l o c i t yo f s o l i ds u r f a c ei ns u c c e s st h e s y s t e m h a st h ec h a r a c t e r so f r e a l - t i m ea n d p r e c i s e b e c a u s e o f u s i n g t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，s o i ti ss u i t a b l ef o ri n d u s t r ya p p l i c a t i o n e x a c t l y t h es t u d yo f l d v f o rs o l i ds u r f a c e o f f e r st h e t h e o r ya n de x p e r i m e n t a li n f o r m a t i o n f o r d e v e l o p i n g t h ec o m m e r c i a l p r o d u c t k e yw o r d s ：l a s e r d o p p l e r v e l o c l m e t e r ( l d v ) ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i g i 衄ls i g n a l p r o c e s s i n g ；f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ( f f d ；s o f i ds u r f a c e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：t 獭 作者签名：1 聋3 越：数 日期：旦! 选，曼 大连理工大学硕士学位论文 1 8 4 2 年奥地利科学家d o p p l e r ，c h r i s t i a n j o h a n n 首次发现，任何形式的波传播，由 于波源，接收器。传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生d o p p l e r 频 移。早在1 9 0 5 年爱医斯坦就证明了在光波中也存在多普勒效应。1 9 6 0 年第一台激光器 的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。y e h 和 c u m m i n s l 】在1 9 6 4 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，从此就开创了- f 崭新的 测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒铡速仪( l d v ) 。激光多普勒测速技术 ( 简称u ) v ) 是激光的一种重要技术运用，是一种测量流体或固体速度的新技术，它具 有非接触测量、精度商、测点小、动态响应快、可测多维速度和判别速度方向等优点。 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、生物学、 航空、航天、机械和医学，以及工业生产等领域的速度测量及其他有关测量。激光测速 技术发展至今已有4 0 年历史，其发展大体上可分成三个阶段 第一个阶段：1 9 6 4 1 9 7 2 年，这是激光测速发展的初期。在此期间，大多数的光学 装鬣都比较简单，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。各 种外差检测模式都在被采用和实验当中，频移技术虽然一开始就已经出现，但是由于器 件效率不高和增加了光学系统的复杂性，难以得到推广。初期的信号处理器大多采用已 有的频谱分析仪，用它处理数据费时，精度差，更重要的是不能得到瞬时脉动速度。国 内也有初步研究，在王大珩的带领下，1 9 6 6 年4 月中国科学院( 长春) 光学精密仪器 机械研究所研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。当时已有人开始研制频率跟踪器和计数 式处理器，但还只是作为雏形停留在实验室中。因此，在这期间，进行的流动测量，大 多是在低湍流条件下进行的，实验结果以平均分布为主。 第二阶段：1 9 7 3 1 9 8 0 ，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面都有了 很大的发展。首先是集成光学单元的出现，使光路结构大为紧凑，调准也方便多了，因 而有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、空间滤波、偏振分离、频率 ( 色) 分离、光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中，并成为系列化产品不 可缺少的一部分。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理器以及光子相关器件都陆 续成为产品并被投入市场，它们同集成式光学系统_ 起成为研究复杂流体的有用工具。 1 9 7 5 年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速仪国际讨论会”标志着这一技术 的成熟。国内也出现了一些自行研制的仪器i 圳，虽然都处于实验阶段，但为推广应用 创造了条件。如果说，计算机的发展给计算流体力学发展创造了物质条件，那么，现代 固体激光多昔勒测速仪研究 测量技术的发展则开创了实验流体力学的新局面，并为验证数值计算结果的正确性提供 i r 实验依据，而激光测速就其发展速度或是应用范围都名列前茅。随着对湍流动态流动 研究的深入，给l d v 技术提出了新的问题，这就是所谓多普勒频率的不确定性问题。 它主要影响到湍流的测量精度。现在对影响多普勒频率加宽的因素己基本清楚，同时提 出了一些修正方法。但是，在大多数场合，它一般不是测量的关键问题。粒子的跟随性 是又一个问题，理论和实验证明，粒子在微米数量级时，跟随性一般可达到9 9 友右。 从实用观点看，这是可以被接受的。由于计数式处理器能适用于稀少粒子场合，因而越 来越多地被采用。稀少粒子采样造成的速度偏置现象，会使统计结果产生误差，这一直 是实践中要解决的问题。此外，如果利用频率跟踪器和计数式处理器的得到大量实时信 息，也成为一个突出的问题。传统的模拟式仪表已不能适应对湍流微观结构和动态流动 特性等课题的深入研究。 第三阶段：1 9 8 0 现在。在此期间，应用研究得到迅速开展。在发表的文章中，有 关流动研究的论文急剧增加，关于钡4 量技术和装置方面的文章相对减少。这一时期明显 的标志是1 9 8 2 年首次在里斯本召开的“激光技术在流体力学中的应用国际讨论会”， 该国际会议每两年召开一次。此外，还有每逢单数年召开的“激光测速进展与应用 国际会议”。发表的论文中7 0 都是应用研究成果，遍及剪切流、内流、两相流、分离 流、燃烧、棒束间流动、旋转机械、固体测速和测长等各领域。为了促进国内和国外在 测速领域的交流，清华大学先后于1 9 8 9 、1 9 9 4 、1 9 9 7 年在北京举办了三届“流体动态 测量与应用国际会议”，激光测速是其中一个重要讨论课题。并且清华大学承担起的激 光多普勒测速仪研制工作，先后研制成我国第一台一维、二维和三维频移l d v 系统， 并成功应用于小浪底水库泄洪洞模型实验和5 兆瓦低温供热核反应堆换热器模型实验的 测试验证。这些成果弥补了国内在激光多普勒测速领域的空白，占领了国内多普勒钡4 速 仪的制高点。b m e ee t r u a x ，h h b o s s e l ，j w b i b r 0 1 5 - 6 等人在固体表面速度测量方面 做了很多工作，使这一技术得以在工业上应用。但由于没有高速d s p 器件的支持，测 量精度只能达到o 1 。八十年代末九十年代初，半导体激光器被用在激光多普勒测速 仪上，使得激光多普勒测数仪向小型化发展，发展了自混频效应激光多普勒测速方法。 自混频效应激光多普勒测速系统同差动型测量系统相比，前者的结构简单，操作容易， 但是自混频效应激光多普勒测速方法是通过检测激光器光强的波动频率来进行测量的， 激光光强并不是非常的稳定，当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应的改 变，这会影响到多普勒频率的测量精度，精度更低，只能达到1 左右。在差动激光外 差方法中，激光光强的波动只是影响到信号的信噪比，并不会影响多普勒频率测量的精 - 2 - 大连理工大学硕士学位论文 度，因而精度较高。近几年，s a h i n k a y a l 7 4 0 】等人发展了双自混频技术，但精度始终不 高，徘徊在1 0 2 e 右，无法满足高精度的测量需要。这个时期l d v 的另一个重大进展是 相位多普勒粒径测速技术( p h a s ed o p p l e rs i z i n ga n e m o m e t r y ，p d s a ) 。f d u r s t 和 m z a r e f 发现，球形粒子对两束相交光束散射时，在周围光场形成明暗相间的干涉条 纹：当利用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在一定相位差，与粒子的大 小成正比，具体地说，是与散射点的曲率半径有关。随后，b a c h a l o 又将这一发现应用 于粒子的大小测量中，即p d a ( 相位多普勒法) 。在2 0 世纪8 0 年代中开始出现实用的商 用产品，并直接占领市场。这一技术的产品化仪器有d a n t e c 公司的产品，可以测速近 5 0 0 m s ，精度优于2 ，测粒子直径0 5 - 1 0 0 0 0 u m ，精度优于4 9 。这种仪器的优点是 只在原有的l d v 系统上增加一个或多个光检测器和一套位相检测器，就能同时得到粒 子的速度和粒径信息，所增加的成本为l d v 系统的1 3 1 4 ，而得到的信息却具有十分 重要的意义。它不仅可用于两相流研究，而且对于单项流研究也是需要的。因为示踪粒 子的大小与跟随性有很大的关系，直接影响到测量结果的精度和可靠性。基于这一特 性，。过去单一功能的l d v 系统已逐渐被多功能的p d s a 系统取代。 激光多普勒技术本身还在继续发展，如多维系统( 主要是三维) ，光纤传输技术及 数字信号处理技术和微机数据处理技术等的出现把l d v 技术推向更高的水平，使用调 攫更加方便，计算处理速度越快，实时性能越好。此外，半导体激光器和雪崩光电二极 管的应用使l d v 的小型化成为可能，推动l d v 走出实验室，迈向工业和现场应【l z l 。 9 0 年代以来，r g b r o w n 等介绍了“小型固态光子相关激光多普勒测速仪”；j e t i n k ， l ，s n i c h i e s t 等人研制了“小型激光二极管多普勒测速仪”；s c h n i d t ，s t o r k 等人 发明了衍射分束器。r o s s 采用参考光和差动光路相结合的办法提出了一种l d y 三维测 量的新方法，在保持结构紧凑、使用方便的特点上，提高了信噪比，空间分辨率和测量 精度也达到了工程要求。为了弥补l d v 单点澳4 量的不足，出现了多点l d v 系统，由于 其光路系统太复杂，推广受到限制。2 0 世纪9 0 年代出现的全场多普勒测速( d o p p l e r g l o b a lv e l o m e t r y ，d g v ) 技术可以说是l d v 用于多点测量的突破性进展。它将散射光的 多普勒频移信息转变为光强信息，从而可以用传统的图像处理方法来得到一个平面场中 微粒的三维速度信息。受频率分辨率的限制，目前这一技术比较适用于中高速流畅的测 量，但是可以预期，随着科技水平的不断提高，d g v 技术也必将在新世纪中得到更大 的发展和应用。 由于l d v 系统复杂、技术含量高，涉及光、机、电、计算机软件和流体力学，我国 长期依赖进口来满足科研和教学需要，花费了大量外汇。激光多普勒技术测量固体表面 3 - 固体激光多普勒测速仪研究 的运动速度是十分有意义，它能使这一技术在工业上得到广泛应用。例如冶金工业中钢 板和铝板压制和卷筒重的测量和控制，都可以采用多普勒技术。用激光测速计测定在轧 制生产中高速行进钢板的移动速度，不仅可以采用不接触钢板进行测定的方式，而且钢板 移动速度愈大 其测量精度越高。对固体表面的速度测量以后，很容易得到位移( 长 度) 和加速度等参数。这些应用需要速度澳9 量有很高的精度，而且要求有较大的场深和 动态范围。由于像钢板、钢坯等表面粗糙度不一，周围环境恶劣，这就对用于固体表面 速度测量的多普勒测速系统和数据处理系统提出了很高的要求。对于固体激光多普勒 测速仪，国际上已有产品投放市场，但大多为八十年代末的产品，急需技术更新。国外 虽然有成形的产品，但是对于固体激光多普勒信号的产生机理尚没有完善的理论阐述。 国内没有固体表面速度高精度测量仪的生产厂家，现在国内使用的激光多普勒测速仪器 全都是进口的，因而研制激光多普勒测速仪不仅具有重大意义，其市场前景也非常乐 观。 本文在内容上是这样安排的：全文共分五章。在第一章介绍了激光多普勒效应原理 指出了激光多普勒测速的优点，并描述了激光测速的三种基本光学模式和光路结构，着 重介绍测量固体速度所采用的模式双光束双散射模式。第二章分析了激光多普勒 信号的特性，并介绍了几种信号处理方法，分别介绍其优缺点。第三章是理论计算部 分，是本文的重点，对固体多普勒测速进行数值模拟，提出了一个数学模型模拟固体多 普勒信号的形成机理，并对不同固体表面状态下的信号进行模拟比较。第四章是实验部 分，也是本文的重点。在实验室搭建了固体多酱勒测速系统，成功精确地测量出固体运 动的速度。然后详细介绍了系统的各个部分，并给出了信号处理算法流程。实验结果证 明了该系统的正确性和可行性。第五章是结论和研究展望。 4 大连理工大学硕士学位论文 1 激光多普勒原理及光路结构 1 1 光学多普勒效应 激光多普勒测速仪利用了光学多普勒效应来进行速度测量，光学多普勒效应是指： 任何形式的光波传播，由于光源、接收器、传播介质或中间反射器、或散射体的运动， 都会使光波频率发生变化，这种现象就是光学的多普勒效应。下面介绍下散射面光学 多普勒频移的相对论基础原理。 在狭义相对论中，相互之间作匀速运动的参照系之间的时空变换满足洛伦兹变换。 如图1 1 所示，参照系x 0y 相对于参照系x o y 以速度v 运动，方向为x 轴正方向。 x 图1 1 豫个作相对运动的参考系 f i g 1 1t w o r e f e r e n c ef r & m e so f r e l a t i v em o t i o n 设参照系x 一0 y 的空间坐标和时间坐标分别为x 、y 和t 。参照系x o y 的空间坐标 和时间坐标分别为x 、y 和t 。e hx o y - - - x 一0y 。的洛伦兹变换为 是 z 所 z = 8 y = y f ，：! 二堡竺 口 其中，c 为光速，侈= ( i 一v 下- ) “2 。这是个可逆交换，其逆变换x 一0y 专x o y - 5 - 固体激光多普勒测速仪研究 工+ 竹 x = 一 8 y = y 1 r + 玢c 2 f = 8 ( 1 2 ) 设有一束x o y 参照系中的入射光，光线方向与x 轴正方向夹角为o ，如图1 2 所 示。则此平面波可以表示为 e ：e 。c o s 2 矿( 卜x 。c o s 8 一生墅皇+ 们 c c ( 1 3 ) 其中f 是光频率，6 是与初相有关的个量。 散射体沿x 轴正方向运动，速度为v 。建立相对于散射体静止的x oy 参照系，则 此参照系沿x 轴正方向以速度v 运动，在两个参照系上研究的物理现象满足上述的洛伦 兹变换。 我们片i 洛伦兹变换将这一束光变换到x 一0y 1 参照系，也就是在x o y 参照系观察 这束光。将式( 1 2 ) 代入式( 1 3 ) 作洛伦兹变换到x 一0 y 参照系，得到 e 2 岛一z 矿。护旦等盟胪酉c o s o 面- v 丁cx i 瓮等埘 ( 14 ) r ，z 其中，p = ( 1 - ) “2 ，根据狭义相对论所有相互间作匀速运动的参照系应该是等价 的，它们的物理规律应该具有相同的形式，所以有 e = 毛c 。s 坷，( ，一生里哩一y 。s i n o + 们 c c 。 一6 ( 1 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 y o 0 p 0 8 v 肆 弋j a ( a ) x o y 参照系中的入射光 ( b ) 由移动物体p 产生的多普勒频 图1 2 光学多普勒效应原理图 f i g 1 2s c h e m eo f o p t i c a jd o p p l e re f f e c t 对照两个式子，可以得出 厂，：厂1 - v , , c o s o c p c o s 护，= ! ! ! 翌二兰! 1 1 一v c o s 0 c s i n 0 ，：旦! 墅堡 ( 1 6 ) 其中，= ( 】一v 2 l ，2 ，f 为在x 。1 y 参照系中观察到的光频率，护为光在 x 一0 y 参照系中相对于x 轴的夹角。但由于是在x 0 y 参照系中观察，同样分析在x o y 参 照系中观察到的散射后的频率为 卜，半旧，一耖 ( 1 7 ) 可见，光频率发生了变化，这就是光的多普勒效应。 卣于测量速度远小于光速，由于光源s 与接收器q 静止，中间散射体p 以速度v 运 动，而引起光频率发生变化。当静止的观察者( 或光检测器) 从某一方向观察粒子的散 射光时t 由于它们之间又有相对运动，接受到的散射光频率又会同粒子接受到的光波频 率不同，其值为： 7 ， 茎 )蔓 固体激光多普勒测速仪研究 广吖学旧- 一v 2 1 ” 以相对光源静止的参照系为观察系，由接收器q 接收散射光后，频率变为 如图1 2 ( b ) 所示，q = 0 2 = 万2 一口2 ，故最终频移公式为 v v l 厂_ ，知c o s 舻警蛾圆2c ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 其中v 是散射体的速度； 口是双入射光束之间的夹角； 五是入射光的波长，实验采用氦氖激光器，波长为6 3 2 8 n m 。 1 2 光学外差检测 利用激光多普勒效应测量运动散射目标的速度得到的是强度变化的光信号，它的变 化频移包含了所需要的速度信息。为了处理这类信号，通常采用光电器件将光信号转换 成电信号。实现这种转换的装置通常被称为光检测器和量子检测器。 任何现有的检测器无论其最后的功能是什么，其最初工序总是实现光电转换，即 光子使电子改变能态，其结果使光信号的光子流导致电子流。 表明可以利用下列之一的光电机理实现光电转换： 1 ) 光电效应 2 ) 光发射相应 3 ) 光导效应 基本上光检测器的材料是半导体或近绝缘体。这类材料的能带结构决定了光检测器 光电机理的形式。上面的这些效应分两类： 8 篙 母 岳 吵 。 盔堡望三查堂堡圭鲨堡茎 一 1 、“内部的光效应”( 光导或光电效应) 的含义是入射光子是使能电予从禁带跃 迁到导带，因而产生电流流动。半导体和绝缘体常常由于热激励是少量电子跃迁到导带 中o 2 、“外部的光电效应”( 光发射效应) 指的是入射光子使电子离开半导体材料。 由于热激励也会发射出一些电子。 为了将光信息转换为电信号，在激光多普勒测速技术中使用的大多数检测采用光发 射。通过二次电子发射的得到的内部放大可免除噪声放大，因此，可使信号增强而不会 降低信噪比。由于多普勒信号比较弱，测速仪中使用的光电检测测器一般为光电倍增管 或雪崩二级管。 要获得运动微粒的散射光频移，必须通过光检测器的平方律效应来实现，这就是所 谓的外差检测f 1 3 j 。激光的高度相干性，单色性和方向性。使光频段的外差探设4 成为现 实。光电探测器除了具有解调光功率的包络变化的能力外，只要光谱响应匹配和频率响 应合适，也同要有实现光外差探测的能力。光外差探测系统的方框图如图1 3 所示。由 图可见，光外差探测系统与直接探钡系统比较，多了一个本振激光。现在光电探测器起 着光混频器的作用，它对信号光和本振光的差频分量响应，输出一个中频光电流。由于 信号光和本振光是在光电探测器上相干涉，困此外差探测器又常常称为相干探测。相对 而已，直接探测也成为非相干探测。 图1 3 光外差探测器系统框图 f i g 1 3s c h e m a t i co f o g d c a lh e t e r o d y n es y s t e m 假定同方向至0 达且同偏振方向的信号光束本振激光束的电场分别为 。9 - 固体激光多普勒测速仪研究 e s ( t ) = e s c o s ( t o s t + p s ) e l ( t ) = e l c o s ( b ) l t + 吼) 由光电探测器的平方律特性，其输出光电流为 i ( t ) = d ( 【e 。t ) + e l ( t 盱) ( 1 1 2 ) 上式有四项，相应于四个频率成分。考虑到光电探测器的特性，( c o s 2 ( s t + 纸) ) 和 ( c o s 2 。t + 吼) ) 两项给出两个直流分量：( c o s + 吼) + 瓴+ 吼埽项由于0 。+ 吼) 太 高，光电探测器根本不响应：丽( ( c o s 。一吼) + 钒一吼渤项只要差频宙。一吼= 出。小 于光电探测器的截止响应频率，探测器就有相应的脚。的光电流输出。经过计算可化为 下式： 埘= 。p 譬坞即。s 妇岍吼) 】 ( 1 1 3 ) 这个光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤掉，最后只剩下中频交流分量 i d ( t ) = d e s e l c o s 国d t + 纸一吼) 】 ( 1 1 4 ) 对于激光多普勒测速，就是多普勒频率。这个结果表明，光频外差探测是一种全息 探测技术。在直接探测中，只响应光功率的时变信息，而在光频外差探测中，光频电场 的振幅e ”频率、相位魄所携带的信息都可探测出来。也就是说，一个振幅调制、 频率调制以及相位调制的光波所携带的信息，通过光频外差探测方式均可实现解调。 13 激光测速光学布置的基本模式 可见光的频率通常在l o h h z 左右，而具有实用意义的激光多普勒频移最高也不过 i o l l 0 1 4 z 。常用的光电探测器不能响应光波的频率，所以用光电探测器直接检测散射光 的频率是很困难的。法布里一布罗 1 4 - 1 6 | ( f a b r a y - p e r o t ) 干涉仪可以直接检测散射光的频 1 0 大连理工大学硕士学位论文 移，但是其分辨率为5 兆，一般只适用于马赫数为0 5 以上的速度测量，对于低速、中 速测量时不适用的，因而限制了它的应用范围。 光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。当来自同一个相干光源的两 束光波按一定的条件投射到光电险测器表面对，通过光电转换的平方律效应能得到他们 之间的频差。这个频差就是多普勒频移，其他与光频接近或更高的频率都因为远远超过 光电探测器的频率响应而被滤去。在激光测速仪中有三种常见的外差检测基本模式：参 考光模式、单光束双散射模式和双光束双散射模式。 1 3 1 参考光模式 在参考光或“本振外差”模式中，激光束被分成束强的散射党和一束弱参考光。 参考光直接射到阴极上，在那里它与强光束散射的光进行差拍。这种散射是由随流体流 动豹粒子引起的。由于多普勒效应，散射光的频率已经改变，通过散射光与参考光的干 涉可得到正比于粒子速度的频差。这种装置被用于y e h 和c o m m i n s ( 1 9 6 4 ) 的开创性 工作中，随后一直被许多作者使用。为了使参考光同散射光的强度基本相近，必须把参 考光减弱。通常照射光束同参考光束的光强比在9 9 ：1 左右，这可以用中性滤光片或选 择分光镜的分光比来实现。 ( a ) 侧前向参考光模式光路( b ) 侧后向参考光模式光路 图1 4 参考光模式光路 f 酶1 4l l g h tp a t ho f m o d e lo f r e f e r e n c el i 四n 在图1 4 ( a ) 所示的情况下，铡得速度分两垂直于照射光束同参考光束交角的平分线，这 平分线通常也就是入射光学单元的光轴。在图1 4 所示的布置下，可以实现并行于 光轴速度分量的测量。这时候，光接收器位于入射光源的同侧，而参考光束来自光学单 元对面。 里堕墼兰堂塾型望垡婴窭 一一一 1 3 2 单光束双散射模式 这种工作模式利用一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差丽获得多普勒频 移。将一束经过聚焦的光束照射到流体中，在与系统轴线对称的两个方向上收集粒子的 散射光。当这两束光合成时，他们波前的相对相位取决于粒子到各收集光阑的距离。所 以，当粒子运动穿过光束时，这两束散射光束干涉相长或相消，导致载光阴极上得到以 多普勒频率脉动的光强。这个系统除了能在两个互相垂直平面中利用收集到的一对散射 光测量两个瞬时速度分量以外，与条纹模式相比没有明显的优点。光学装置如图1 5 所 示： u o -凡”毫： 、业“ 图1 5 单光束双散射模式光路 f 培1 5l i g h tp a t ho f t h em o d e lo f s i n g l e - b e a ma n d d o u b l es c a t t e r i n g 入射光束在p ；，和两个方向的散射频率为 f s 。= f o + ( 去) u ( e 。，e 。) 驴f 0 + ( 爿u ( e o e s ：) ( 1 1 5 ) 将这两个方向的散射光聚合一起在光电探测器中进行外差，可得到多酱勒频移为 f o = z ，一厶= p 0 。，一e 。) ( 1 1 6 ) 由上式得，多普勒频移只决定于两束散射光的方向，而与入射光的方向无关。用这 种光路布置测得的速度分量垂直于两束散射光的夹角的平分线。只要选择多对不同取向 的散射光束平面，就能实现多维翘量。 1 2 奎垄堡三查兰堡主鲨堡苎 1 3 3 双光束双散射模式 这种模式乘佣两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇聚到光电探狈9 器中进 行外差而获得多普勒频移。双光束或条纹系统应用两束等强度的相交光束，在它们的相 交体积中得到一组条纹图形。每个离子穿过条纹图形时，光电检测器上的散射光强度发 生强弱的变化，变化率与速度成正比。光学几何布置见图1 6 。 故 旦“2e s 2 。e s 光轴 图1 6 双光束取散射模式光路 f i g 1 6 l i g h t p a t h o f t h e m o d e lo f d o u b l e - b e a ma n d d o u b l es c a t t e r i n g 两束入射光在q 方向上的散射光频率为 耻f o + 盼( c s 。- e o ，) 铲f o + ( 去) u ( e o 。e s ：) 厶= 工，一厶= 砉p o o l - 9 0 2 u 0 2 ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) 从上式可见，多普勒频移只取决于两束入射光方向，而与散射光方向无关。这是双 光身孓双散射模式的重要特点，因为光接收器可以放在任意位置，而且可以采用大的收 集立体角以提高散射光功率。入射光系统可制成集成化光学单元，大大提高了光学系统 的稳固性和易调准性，所以目前国际上几乎所有的激光测速仪都采用这种工作模式。 1 3 周体激光多普勒测速仪研究 1 4 激光测速的光路结构 在1 3 节中介绍了外差检测的三种基本模式，可以用不同的光学元件和光路结构来实 现。总的来说，都要有入射光系统和收集光系统两部分。入射光系统主要包括激光器、 分光单元、偏振单元和聚焦透镜。收集系统包括接收透镜、孔径光阑、针孔光阑和光电 探测器。图1 7 表示三种基本的光路结构，它们分别对应于三种光学模式。 1 4 1 参考光激光测速光路 光路结构示意图如图1 7 ( a ) 所示，从激光器发出的光束经分光镜分成两柬，再由聚 焦透镜汇聚到测量区。光检测器接收其中一束宜射光作为参考光，同时接收另一束照射 光经粒子散射在同一方向上的散射光，它们在光电器件中进行光外差作用，从而得到多 普勒频移。 ( c ) ( a ) 、参考光l d v ( b ) 、双光束l d v( c ) 、单光束l d v 图1 7 激光测速的基本光路结构 f i g , 1 , 7 s 虮j c 眦o f l i g h t p a t h o f l a s e r d o p p l e r v e l o c i m e t e r 1 4 2 双光束双散射光路结构 光路结构示意i 羽如图1 7 ( b ) 所示，这种光路结构并不需要接收参考光，而是接收两 束经相交区粒子散射发出的散射光。这种结构的特点是；多普勒频移与散射光方向无 关，可以使用相对口径大的接收透镜来增加接收到的散射光功率。一般两束光功率近似 相等，要求1 ：1 的分光比。 一1 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 4 3 单光束双散射光路结构 光路结构示意图如图1 7 ( c ) 所示，把光学单元和接收系统放在同一侧，在透镜前面 加一块开孔的障板，就成为一台单光束双散射激光测速仪。障板上开孔的位置和孔径 决定了接收散射光的方向角和立体角。由于多普勒频移同散射光方向有关，而与入射光 方向无关，孔径必须很小以减少由于散射光方向的扩展造成的多普勒频移加宽，这样就 大大降低了光能的利用率。 要是在障板上的沿着互相垂直的方向各开两个小孔，分别将透镜的散射光汇聚到两 套光接收系统，就可以实现二维速度测量。这时单光束双散射模式的优点。 1 5 双光束光路的基本参数一条纹模型1 1 7 - 1 8 双光路是目前激光测速中应用最广泛的光路形式，对于固体多普勒速度测量，也采 用这种光路结构。这种光路的两束入射光相交区中存在着一组明暗相间的条纹，因此可 以用“条纹模型”来解释。将激光多普勒信号看成是由一组干涉条纹图形产生的，可以 得到有关两束光相干和它们之间相对强度的结论，这类形式的信息对建立最佳光学装置 有很大的帮助。 1 5 1 入射光系统和控制体积 d i 琏妊 氏r 适 心 ? 夕 图1 8 敢光束光路的控制体 f i g 1 8 m e a s u r i n g v o l u m eo f t h e l i g h t p a t h o f d o u b l e - b e a m 1 5 固体激光多普勒测速仪研究 双光束系统晟基本的参数是测量体几何参数，它决定了激光多测速仪的灵敏系数和 空问分辨率。把两束入射光相交区称为控制体积，把接收到散射光的区域叫测量体积。 图1 8 表示与入射光学单元有关的主要光学参数，其中的d 一，是激光器光束的1 ：光强 一 p 直径，d 是聚焦前的光束间距，为聚焦透镜焦距，r 为光束的1 陀交角。 激光束以商斯光强传播的。双光束经透镜聚焦形成的相交区是一个椭球体，它的三 个主轴的长度可由下式决定 控制体高度 d ：! 生 。万见一， 控制体宽度 d 以= ! 三 6 0 s 茁 控制体长度 d ，m = 已 s l n r 根据控制体中干涉条纹的几何关系，得到条纹间距 办= 。i n 茁 ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) 当粒子一速度哆穿过控制体积中的于涉条纹区时，就会向四周空闯散射出明暗相 间的光信号，它的光强变化频率为 厶= 掣= 竽咖f 1 6 ( 1 2 3 ) 大连理工大学硕士学位论文 这正好和多普勒原理的公式符合，由如和办可得控制体中的条纹数为 n2 万d m 2 i 1 2 7 d 控制体体积由下式计算 一, 一一e 3 - z 2 面蒜 1 , 5 ，2 收集光系统和测量体积 图1 9 收集光系统参数 f i g 1 9 s y s t e m p a r a m e t e r o f c o l l e c t i n g l i g h t ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) 收集光系统是由带孔径光阑的接收透镜、针孔光阑和