第6章 激光测速与测距技术

1,2,思考与讨论,当奔驰的列车向你驶来，并经过你的身旁，而后又离开你驶向远方，在这一过程中，你有没有注意到你耳朵中听到的列车的鸣笛声有什么特殊的现象？,3,生活中的特殊现象,列车靠近时，鸣笛声越来越尖锐；列车远离时，鸣笛声越来越低吟。是不是列车的扩音器的频率本身发生了变化？,4,生活中的特殊现象,汽车驶近时，行驶的声音越来越尖锐；汽车远离时，行驶的声音越来越低吟。是不是汽车行驶的声音的频率本身也发生了变化？,5,生活中的特殊现象,飞机飞近时，轰鸣声越来越尖锐；飞机飞远时，轰鸣声越来嘶哑。是不是飞机的轰鸣声的频率本身也发生了变化？,6,6.1 多普勒效应,7,多普勒效应(Doppler effect),1、现象(1842年发现)：当汽车向你驶来时，感觉音调变高；当汽车离你远去时，感觉音调变低。,3、多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做多普勒效应。,2、音调：由频率决定，频率越高音调越高，频率越低音调越低。,注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。,8,多普勒效应实验,将蜂鸣器固定在一长竹杆的一端，然后用竹杆将蜂鸣器举起，并在头上快速旋转，即可感受多普勒效应。,9,多普勒效应实验,10,多普勒效应模拟,1、观察者静止不动，数经过的队伍中的人数，每分钟假设有30个人经过。,2、当观察者逆着队伍行走时，数经过的队伍中的人数，每分钟将大于30个人经过。,v测=0,3、当观察者与队伍同向行走且速度比队伍的小时，数经过的队伍中的人数，每分钟将小于30个人经过。,11,多普勒效应的成因,1、声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。,2、观察者听到的声音的音调，是观察者接收到的频率，即单位时间内接收到的完全波的个数。,3、由于相对运动，声源的频率没有变化，而是观察者接收到的频率发生了变化。,12,单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波，故观察者接收到的频率等于波源的频率。,1、波源和观察者没有相对运动时,多普勒效应的成因,2、观察者朝波源运动时,观察者在单位时间内接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。,3、观察者远离波源运动时,观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减少。,13,观察者感觉到波变得密集，即波长减小，接收到的频率增大。,观察者感到波变得稀疏，即波长增大，接收到的频率减少。,1、波源朝观察者运动时,2、波源远离观察者运动时,多普勒效应的成因,14,1、当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者相互远离，观察者接收到的频率减小。,2、在观察者运动的情况下，引起观察者接收频率的改变，是由于观测到的波的速度发生改变（波的波长不变）。,3、在波源运动的情况下，引起观察者接收频率的改变，是由于观测到的波的波长发生改变（波的速度不变）。,多普勒效应,15,15,一、波源和观察者相对于介质静止,观察者所接收的频率取决于单位时间内接收到波长的个数,此时，波的频率即为波源的频率。,16,16,二、 波源相对于介质不动，观察者相对于介质运动,1. 观察者向波源运动,由此可见，观察者所接收的频率大于波源的频率,17,17,2. 观察者以Vo离开波源运动,由此可见，观察者所接收的频率小于波源的频率,总之，波源静止，观察者以速率Vo运动时,18,18,三、观察者不动，波源相对于介质运动,1. 波源向观察者运动,假定在t时刻，波源处于S点处，经一个周期T后，波传播到D点，波源运动到C点。,19,19,由此看见，观察者所接收到的频率升高,2. 波源背离观察者运动,20,20,由此看见，观察者所接收到的频率降低,四、波源和观察者都相对于介质运动,即,波源运动等效于波长的变化,观察者运动等效于波速的变化,21,21,波源和观察者相向运动时， 前取正号， 前为负号；,波源和观察者相反运动时， 前取正号， 前为负号,频率改变的原因：在观察者运动的情况下，频率改变是由于观察者观测到的波数增加或减少；在波源运动的情况下，频率改变是由于波长的缩短或伸长。,22,1）观察者朝波源运动,2）观察者离波源运动,1、波源不动，观察者相对波源运动,多普勒效应中观测频率的计算,2、观察者不动，波源相对观察者运动,1）波源朝观察者运动,2）波源离观察者运动,23,多普勒效应是波动过程共有的特征，一切波（如电磁波和光波）都能发生多普勒效应。,应用1、雷达测速仪：交通警察向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波（通常是红外线），波被运动的汽车反射回来时，接收到的频率发生变化，由此可指示汽车的速度。,多普勒效应的应用,24,应用2、有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢；有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断飞行的炮弹是接近还是远去。,应用3、用多普勒效应测量其它星系向着还是远离地球运动的速率。,宇宙中的星球都在不停地运动测量星球上某些元素发出的光波的频率，然后跟地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。,应用4、临床上应用：彩色多普勒超声诊断系统,医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度这种方法俗称“彩超”，可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变。,多普勒效应的应用,25,应用5、军事应用(E-3“望楼” 预警机) 脉冲多普勒雷达，多谱勒导航仪,多普勒效应的应用,26,1、关于多普勒效应，下列说法正确的是（ ）A多普勒效应是由于波的干涉引起的B多普勒效应说明波源的频率发生改变C多普勒效应是由于波源与观察者之间 有相对运动而产生的D只有声波才可以产生多普勒效应,2、当火车进站鸣笛时，我们可听到的声调（ ）A变高 B不变高 C越来越沉 D不知声速和火车车速，不能判断,C,A,27,3、以速度u=20m/s奔驰的火车,鸣笛声频率为275Hz,已知常温下空气中的声速v=340m/s。当火车驶来时,站在铁道旁的观察者听到的笛声频率是多少？当火车驶去时,站在铁道旁的观察者听到的笛声频率是多少？,292Hz,260Hz,4、一个观察者在铁路附近，当火车驶近时，他听到的汽笛声频率为f1=440Hz，当火车驶远时，他听到的频率为f2=392Hz，在大气中声音速度为330m/s，求火车的速度？,19m/s,28,28,5、静止不动的超声波探测器能发射频率为100 kHz的超声波。有一车辆迎面驶来，探测器接收到从车辆反射回的超声波频率为112 kHz。如果空气中的声速为340 ms1 ，试求车辆的行驶速度。,解：超声波传向车辆时,超声波反射回探测器时,所以,解得,29,29,马 赫 锥,30,30,31,31,32,32,33,33,34,34,35,经典多普勒效应：,经典多普勒效应对光是不正确的,对于光波，有,在相对论中，不同的惯性系中波长和频率将不同，但两者的乘积恒为 c,光的多普勒效应, 为观察者实测到的光频率,0 为光源的固有频率,一. 相对论多普勒频移公式, 与空间有关 与时间有关,36,*推导,(x, y, z , t ),(0, 0, 0, t* ),37,1. 光的纵向多普勒效应,“红移”,(1) 若光源离开观察者，上式中 取正号，这时l 0 ，实测频率 l 大于光源固有频率0,38,例,解,求,一遥远的河外星系以很高的速率离开地球退行而去，其谱线发生红移。与固有频率 0 相对应的波长为 0 = 434 nm 的谱线，地面上观测记录的该谱线的波长 = 600 nm.,此河外星系的退行速率。,以v 表示本题所求的退行速率，以 表示与波长 对应的频率，则有0 = c/0 和 = c/ ，代入纵向多普勒效应式，有,代入题给数据，解得,39,散射物的多普勒频移,观察者静止位于一个坐标原点为的坐标系 中，在这个坐标系中接收电磁辐射,波源静止于另一个原点为O的坐标系中,以光速C在参考系O中移动的平面波为,相对运动中参考系之间的坐标变换,E 系统O中考察点P处的电场强度, 频率,r 波沿传播方向的距离, 是相位常数,波源是静止时坐标系中的平面波,波传播方向和Z轴之间的夹角,（1）,（2）,40,（2）代入 （1）中有,假设参考系O在x轴上以速度V相对于另一个参考系 作移动，利用洛伦兹变换可以得到：,其中,（3）,（4）,（5）,（6）,（7）,41,讨论在光源和观察者相对静止的情况下，移动物体所散射光的频移,先从光源到移动的物体，然后由物体到观察者双重多普勒频移,考虑从光源S发出的频率为的光被物体P散射，在Q处来观察散射光,P所观察到的频率由（5）式得,该频率的光又被P重新发射出来，在Q处接收到的频率为 由（7）得,（8）,（9）,由于v C,因此,（10）,（11）,散射角,速度向量和PB之间的夹角,PB PS和PQ夹角的平分线,（12）,42,6.2 激光多普勒测速技术,属于非接触测量，不影响流场分布，可测远距离的速度场分布 测速精度高，一般都可以达到0.5%1.0% 空间分辨率高，可测很小体积内的流速 测速范围广，动态响应快 具有良好的方向灵敏度，并可进行多维测量,43,6.2.1 激光多普勒测速的基本原理,光混频技术：将两束频率不同的光混频，获取差频信号。零差干涉 ：入射至物体前两束光频率相同 外差之分 ：入射至物体前两束光频率不相同,Al,A2两束光在探测器上的振幅,分别为两束光的初始相位,两束散射方向不同的散射光的频率,两束光在探测器上混频后，其合成的电场强度:,两束光初始相位差,待测的多普勒频移,零差不能判别运动方向，而且难以抑制直流噪声,外差可判别运动方向，能够抑制噪声,44,6.2.2 激光多普勒测速技术,1. 差动多普勒技术,差动技术将两束等强度光聚焦并相交在测量点处，从该点发出的散射光进入光检测器，差拍后得到和两个散射角相对应的多普勒频移。,(1)双光束散射法,散射体里粒子运动速度V与两束入射光之间的夹角, V与观测方向的夹角,两散射光的多普勒频移为：,检测器上的差频f为：,两束照射光之间的夹角,运动方向与光束夹角平分 线的法线之间的夹角,45,(2)单光束双散射法,前向双散射光路,后向双散射光路,一束入射光直接聚焦于被测点上，光线被同一微粒在两个方向上散射，两路对称的散射光束在光电器件上混频，得到差拍信号。,46,(3)多普勒技术的干涉解释,多普勒技术的干涉解释,47,干涉解释中的多普勒信号情况,48,当场,从kl方向与粒子撞击，粒子的位移为r，由k0方向观察可得,在LDV测速仪中，有两个照明场，k1和k2。所以由k0方向观察可得,探测器得到的信号与场的模的平方成比例,借助右图看出，,的差值与y轴平行，模数为,若粒子产生平行于y轴的面内位移r，那么余弦函数的相位,可得,49,2. 参考光技术,参考光式光路,参考光和散射光以相同的光路入射到检测器。光检测器的输出包含了两种光束的差频信号,是两束照射光之间的夹角,50,3.多维速度测量与辨向技术,在差动多普勒技术中，多普勒差频是两个频率之差，故不可能知道哪一个频率高哪一个频率低，因此速度符号变化对产生的信号频率无差别，即被测速度存在着方向上的180模糊问题。通过引入频移技术可以消除速度方向的模糊性问题。如果其中一光束与另一束存在的频差，则测量体内形成的干涉条纹将以速度向一个方向移动，如右图所示，其移动速度为,于是在照明区域中，一个静止的粒子产生的信号将等于这个频移频率。假设，不存在光学频移时，粒子产生的多普勒频移为，则当示踪粒子的速度方向与条纹运动方向相同时，粒子穿越条纹的速度将减慢，此时粒子散射光的频率变为 ，反之，当粒子速度方向与条纹运动方向相反时，光感应器得到的光波频率为 ，依靠判别频率的增加与降低就可以判断出速度的方向。,51,(1) 二维激光测速光路,频率分离型二维光路,52,(2) 六光束三维频移激光测速光路,六光束三维LDV光路布置,对称布置的轴向测量光路,53,4.多普勒信号处理技术,(1) 激光多普勒信号的特点,信号频率在一定范围内变化，是一个变频信号。,多普勒信号特征图,信号幅值按一定规律变化。,54,信号是随机的，断续的,多普勒信号的随机和断续性,55,(2) 激光多普勒信号处理方法,频谱分析方法,多普勒信号频谱,56,频率跟踪方法,频率跟踪器示意图,57,计数器处理技术,滤波器组分析法,光子相关技术,计算机处理技术,58,59,6.2.3激光多普勒测速技术的进展,1966年，Foreman、George、Lewis、Thornton、Felton和Watson等人首先撰写了广泛论述激光风速计的论文。,1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速国际讨论会标志着这一技术的成熟。,20世纪80年代，激光多普勒技术进入了实际应用的新阶段,60,使用两个稳定单模激光频差的频移激光多普勒测速仪,混频器单元方框图,61,激光测距仪与其它测距仪(如光电测距仪等)相比，具备的特点：探测距离远测距精度高抗干扰性强保密性好体积小重量轻,6.3 激光测距技术,62,激光测距仪的分类,激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震预报等3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为,63,测距方法分类,脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多为米的量级相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用,64,4.3.1 脉冲激光测距,1. 测量原理,脉冲激光测距原理,由激光器发出持续时间极短的脉冲激光(称为主波)，经过待测的距离L射向被测目标。被反射的脉冲激光(回波信号)返回测距仪，由光电探测器接收。当光速为c，激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间为t，就可算出待测目标的距离为,65,2. 测量系统,（1）组成：脉冲激光发射系统、接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路,脉冲激光测距系统,（2）测量过程：首先对准目标，启动复位开关K，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量。同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点，大部分光脉冲能量射向待测目标。由目标反射回测距仪处的光脉冲能量，被接收系统接收。参考信号(主波信号)和回波信号先后由光电探测器变换为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号使T触发器翻转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使T触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。根据计数器的输出可计算出待测目标的距离,式中，N为计数脉冲个数；f为计数脉冲的频率。,66,（3）分辨率,系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。由于光速很快，计时基准脉冲和计数器频率的高低直接影响着所获得的测距精度。,过高的时钟脉冲不易获得；普通电子元器件无法保证精度，但选用高速器件会增加系统设计难度，成本大幅提高。,（4）测距精度,67,6.3.2相位激光测距,1、相位测距原理,f 调制频率,c 光速,式中m是零或正整数；,是个小数，,A，B两点之间的距离L：,t 光由A点传到B点所需时间,（1）,波长为：,（2）,（3）,用“光尺”测量距离,波长是相位式激光测距仪量度距离的一把尺子,68,光波往返一次后的相位变化,光波经2L距离后的相位变化,假设测距仪的接收系统置于A(实际上测距仪的发射和接收系统都是在点 ),则有,相位测量技术只能测量出不足 的相位尾数，只能确定小数：,的相位尾数的,当距离LL即可确定距离L 缺点：