激光多普勒测速技术

南京理工大学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 姓 名： 孙玉祥 学 号： 2 成 绩： 任课教师评语： 签名： 年 月 日 文 献 综 述摘要：文章阐述了激光多普勒测速技术的基本原理及特点，综述了不同类型激光多普勒测速技术各自的优缺点，对后续的信号处理系统进行了分析说明，并对未来激光多普勒测速技术发展方向进行了探讨。关键词： 激光 多普勒测速仪 拍频 信号处理0 引言激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它以其测速精度高、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、能源等领域获得了广泛的应用和快速发展1。在一个完整的激光多普勒测速系统中，主要分为三个部分：激光发射器、光学光路系统、信号处理部分。每一部分的学习与研究，都对激光多普勒测速系统的精确度、稳定性和适应性有着重要的作用。1 激光多普勒测速原理激光的多普勒效应表明，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2。激光多普勒效应的示意图如图1所示，其中o为光源，p为运动物体，s为观察者的位置，激光的频率为v，运动物体的速度为u，那么激光照射到运动物体表面所产生的多普勒频移量可表示为：式中：为入射光方向单位向量，是散射光的单位向量，c是光速，由上式可知，通过测量激光多普勒频移量的值，便可获得运动物体的速度信息。2 激光多普勒测速特点激光多普勒测速与传统测速仪相比有如下特点：1. 非接触测量：激光汇聚点就是测量探头，测量过程对流场无干扰，故可以很方便地在恶劣环境中进行测量，如火焰、腐蚀性流体流速的测量。2. 空间分辨率高：测点可小于10-4mm3，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。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器，可进行实时测量。4. 精度高：激光多普勒效应的物理原理公式是一个准确的表达式，产生的多普勒频移量的大小基本与流体的温度、压力、密度等参数无关，只需通过光路计算和保证制造精确，系统测量精度很高。5. 量程大：频差与速度为简单的线性关系，不论低速或告诉都无需校正，因此允许有很大的频移，目前已能测0.1mm/s2000m/s的速度，这是普通测速仪不能比拟的。6. 灵敏性好：因为光束器旋转时测点不变，可方便地测量任意方向的速度分量。然而，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粒子的散射光来测定流体速度的仪器，因此也给其应用带来一定的局限性：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为入射激光的散射中心。3. 流速很高时要求提高激光器输出功率，由于信号频率很高，导致信号处理比较困难。4. 价格比较昂贵。5. 使用时要采取一定的防震措施，且管道和光学系统无相对运动。尽管如此，由于激光多普勒测速有着得天独厚的优点，现在已经称为科研和实验室工作中的有力工具，有着广阔的应用前景。3 不同类型的激光多普勒测速仪根据采用激光器类型的不同，激光多普勒测速仪大致可分为两类：单频激光多普勒测速仪和双频激光多普勒测速仪，在下文中对这两类测速仪的原理及各自优缺点分别进行了讨论。3.1 单频激光多普勒测速仪采用单频激光器作为光源的单频激光多普勒测速仪，通过测量由于运动物体对光的散射所产生的多普勒频移量来获取待测物体的速度。这种测速仪发明较早，发展较成熟，但存在着直流漂移，抗干扰能力差等缺点，在很多领域的应用受到了限制。本文中，主要介绍下迈克尔逊干涉型测速仪3，其构造如图2所示。激光输出的单频激光经前置透镜L1入射到分束器BS上，被BS分为两束光。其中，反射光束辐照到以速度u运动的待测运动物体上，透射光束照射到反射镜M1上。来自M1的反射光束的频率为激光器自身的频率v，作为参考光束。由于多普勒效应，经待测运动物体反射回来的光束的频率变为v+2u/（2u/为光的多普勒频移量），作为信号光束。信号光束和参考光束经过BS合束，经透镜L2准直后，由光电探测器接收，光电探测器输出的拍频信号的频率为：fD=2uvc于是，待测物体的速度u为：u=c2vfD式中，c为光在空气中传播速度。由于迈克尔逊式位移干涉仪的待测运动物体的表面是迈克尔逊干涉仪中的一面镜子，所以必须抛光成镜反射面。在测试过程中，位移干涉仪对表面运动倾斜也很敏感。同时，这种测速仪产生的信号频率与待测运动物体速度成正比，由于光频很高，样品速度不高时也会产生很高的信号频率，这对信号检测系统的带宽要求较高。此外，激光器频率的不稳定也会导致测量精度的降低，还存在光路调节难度大的缺陷，应用受到很大限制。3.2 双频激光多普勒测速仪双频激光多普勒测速仪不同于单频激光多普勒测速仪，采用双频激光器作为光源，能够克服单频激光多普勒测速仪易受环境影响的缺点，抗干扰能力强，具有较高的信噪比。常见的外差式双频激光多普勒测速仪4-6的原理如图3所示。图3 外差式双频激光多普勒测速仪双频激光器发出的光为偏振方向相互垂直的线偏振光，频率分别为v1和v2（其中v1的偏振方向垂直于直面，v2的偏振方向平行于直面）。激光器输出光束经分束器BS分为两束。其中，反射光束穿过透振方向和纸面成45的检偏器P1后，由光电探测器D1接收，得到的拍频信号作为参考信号，频率为v=v1-v2。透射光束经过偏振分光镜PBS后，偏振方向相互垂直的线偏振光v1和v2相互分离，其中偏振方向垂直于直面的v1光被反射到静止的参考角锥棱镜M1上，偏振方向平行于直面的v2光穿过PBS，照射到可动角锥棱镜M2上。当M2以速度u运动时，由于多普勒效应，返回光的频率将会变为v2+fD，其中，fD是的v2的多普勒频移量。M2的返回光重新通过PBS，并与v1经M1的返回光在PBS再度回合，经反射镜R反射后，通过透振方向与直面成45的检偏器P2后，被光电探测器D2接收，得到的拍频信号作为测量信号，频率为v1-v2-fD，将参考信号与测量信号进行混频后，可得到带有速度信息的多普勒频移量fD，待测物体速度u可由fD表示为：u=fD2v2c式中，c为光在空气中传播速度。在这种测量方法中，D2探测到的拍频信号频率为v1-v2-fD，无论运动物体速度u是否为零（对应的fD为零），v始终存在，起到载波的作用，测量镜M2的移动只是使这个频差增加或减少，不存在单频激光多普勒测速仪的直流漂移问题。另一方面，这种测速方法要求fDv，这就决定了外差式双频激光多普勒测速仪的最大测量速度取决于双频激光器的频差。至今已报道的双频激光器的频差还不够高，限制了外差式双频激光多普勒测速仪的测速范围。4 多普勒信号处理如图4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以及光电转换。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处理。图4 测量系统框架通常的激光多普勒测速系统的信号处理，大都采用频率跟踪器和计数型信号处理器，他们的基本工作原理都是使接收到的信号，通过一事先选定的带通滤波器，把高于和低于门槛电平的信号滤去，剩下的信号就被认为是有效信号，然后进行处理计算。由于噪声是随机的，这种处理方法对信噪比低的多普勒信号处理不是最理想的。对由探测电路获得的信号直接进行处理，即在时域中进行处理的关键就是选取一门槛电平。在同一段多普勒有效信号中，脉冲的周期应是相同的，而噪声的振幅及周期军事随机的，故单单用振幅来判据信号是否有效是不准确的，应同时对其周期进行判定，这样，非均匀周期内产生的脉冲信号视为噪声被滤去。这一基于时域内的信号处理虽然比较容易实现，但在多普勒信号信噪比非常低时，可靠性大大降低。因此目前激光多普勒测速系统信号处理的发展方向是在频域内进行处理，即把探测到的信号转换成它的频谱，利用自相关或傅里叶函数计算得到其峰值。自相关函数R是表示随机信号xt与通过了时间的同一信号，即与xt-的相关程度，其定义为： R=limT1T-T/2T/2xtxt-dt (1)令含有随机噪声的信号为： xt=st+nt (2)其中st，nt分别为周期性信号和随机噪声信号，代入R可得：(3) R=limT1T-T2T2st+ntst-+nt-dt= RS+Rsn+Rns+RnRS 这里考虑到信号与噪声不相关，故其互相关函数Rsn，Rns均为零，同时随着延时的增长，噪声的自相关函数Rn接近于零。(4)当随机信号包含周期性分量时，自相关函数也将包含相同的周期分量。设周期信号为角频率为w的正弦信号：st=Asint，则有： Rs=limT1T-T2T2stst-dt =limT1T-T2T2AsintAsint-dt=A22cos由(4)式可知，周期信号st的自相关函数的角频率仍为w。由于在激光多普勒测速仪中，待处理的信号均为数字信号，相应的离散型自相关函数为7:Rj=1R0i=0N-1xixi+jj=-N-1,-N-2,，N-2,(N-1)其中xi和xi+j分别是xt和xt,离散N位和M位的采样值，Rj是j个采样延时的自相关函数。针对光电探测器输出的信号是由多普勒信号和随机噪声信号组成，采用数字相关技术抑制噪声，并对输出信号的自相关信号进行快速傅里叶变换，得到其功率谱，由(4)式可知，谱峰值处对应的频率即为多普勒频率。通过探测多普勒频率，即可解算出微粒的运动速度。5 激光多普勒测速技术发展动向自上世纪60年代末激光多普勒测速技术出现以来，这门技术迅猛发展，成为现代化生产必不可少的检测手段，不少测量困难的场合都寄厚望于激光多普勒测速技术。这就要求激光多普勒测速系统不仅要向通用测量一起发展，即降低成本、减小仪器体积、简化操作程序，而且要最大程度地降低测量环境过程对测量的影响，使仪器更加稳定可靠。近年来，半导体技术、光纤技术在激光多普勒测速中的应用，使其光学结构及信号处理产生了根本的改进，促进了它在其他行业中的应用。5.1 半导体技术的应用相比其他激光器，半导体激光器的体积极小，这也是缩小激光多普勒测速系统体积的关键所在。但是半导体激光束的扩散角较大，因而使用时必须要对光束进行准直，减小其发射角，使光束成为准高斯光束。在以往的激光多普勒测速仪中，接收器均使用光电倍增管，虽然其灵敏度高，但体积较大，需要高压驱动，不利于系统的小型化，而且在被测物的散射光较大时，易饱和。而半导体接收器如APD和PIN二极管驱动电路简单，体积小，量子效率高。因此，虽然半导体激光器的功率一般为毫瓦级，但在与半导体接收器结合使用后，可在不降低信噪比的情况下，达到简化整个激光多普勒测速系统结构，减小体积的目的。5.2 光纤技术的应用通常的激光多普勒测速系统调试非常复杂，非专业操作人员很难使仪器工作在最佳状态。光纤技术的应用使这一难题得到了解决。光在光纤中的传播会产生色散，这主要是由多模色散、材料色散和结构色散引起的，因此激光多普勒测速系统中的发射光纤大多使用单模光纤，单模光纤只存在着材料色散和结构色散，对信噪比的影响较小。一般情况下，为考虑减弱干扰光，保证好的相干性，提高激光多普勒测速系统的信噪比，大多使用偏振保持型单模光纤。在使用了单模光纤后，激光多普勒测速系统便有了独特的优点：1. 将许多体积较大的器件与探头分开，使探头几乎可任意缩小，对测量场产生的扰动降低至最小，大大提高了测量可靠性。2. 光纤具有耐腐蚀、耐高温、防水防火、易弯曲等特点，大大提高了激光多普勒测速系统的应用领域。3. 对于最常用的双光束型的激光多普勒测速系统，分束器的要求大大降低，而且偏转镜、空间滤波器等元件可省掉。4. 操作简单，光路只需一次性调整好固定，大大简化了操作程序。由此可见，激光多普勒测速技术的发展，并不只是单独取决于本身的发展，而是集激光技术、集成光学技术、半导体技术、信号处理技术于一身。6 总结和展望 近几十年来，激光多普勒测速技术的研究已经取得了丰硕成果，并以其成本较低、非接触测量、测量精度高、动态响应快、测量范围大等优点，在各个领域得到了深入的研究和展望。然而，目前的激光多普勒测速仪的测速上限受到限制，无法满足测量高速运动物体运动速度的需要；测量精度还存在提升空间，尤其在低速测量时精度不高；抗干扰能力也有待提高。因此，新型激光多普勒测速技术将向高精度、大量程、抗干扰能力强、稳定性好的方向发展。参考文献1 SHEN X. Laser Doppler velocimetry and its applicationM. Beijing: Tsinghua University Press，2004:1-5.2 沈熊.激光多普勒测速技术及应用M.北京：清华大学出版社，2004：121-126.3 Baker L M，Hollenbach R E. Interferometer technique for measuring the dynamic mechanical properties of materialsJ. Review of Scientific Instruments，1965，36（11）：1617-1620.4 关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪M.北京：中