闫光绪 激光多普勒测速

1、 激光多普勒测速原理及应用激光多普勒测速原理及应用 电子信息学院电子信息学院 闫光绪闫光绪 多普勒效应多普勒效应 多普勒：多普勒：C. Doppler， 1803-1853 奥地利物理学家奥地利物理学家 1、现象（、现象（1842年发现年发现）：当汽）：当汽 车或者火车向你驶来时，感觉车或者火车向你驶来时，感觉 音调变高；当汽车或者火车离音调变高；当汽车或者火车离 你远去时，感觉音调变低（音你远去时，感觉音调变低（音 调由频率决定，频率高音调高；调由频率决定，频率高音调高； 频率低音调低）。频率低音调低）。 2、多普勒效应多普勒效应：由于波源和观察者之间有：由于波源和观察者之间有相对运相对运

2、动动，使观察者，使观察者感到频率变化感到频率变化的现象，称为的现象，称为多普勒效多普勒效 应。应。 非相对论性多普勒效应非相对论性多普勒效应 运动和频率的关系列表运动和频率的关系列表 波源的运动波源的运动 情况情况 观察者运动观察者运动 情况情况 频率的关系频率的关系 波源静止波源静止观察者静止观察者静止观观 察察 者者 接接 收收 频频 率率 等于等于波波 源源 的的 频频 率率 波源静止波源静止观察者观察者向向波波 源运动源运动 大于大于 波源静止波源静止观察者观察者远离远离 波源运动波源运动 小于小于 波源波源向向观察观察 者运动者运动 观察者静止观察者静止等于等于 波源波源远离远离观观

3、 察者运动察者运动 观察者静止观察者静止小于小于 相对论性多普勒效应相对论性多普勒效应 一、实际上，当观察者和光源发生相对运动时，观察者一、实际上，当观察者和光源发生相对运动时，观察者 感受到的光的频率和光源频率也是不同的，也有类似声感受到的光的频率和光源频率也是不同的，也有类似声 学中的多普勒效应的频率差。但并不完全相同。不能用学中的多普勒效应的频率差。但并不完全相同。不能用 声学中多普勒效应的公式计算。应当由爱因斯坦狭义相声学中多普勒效应的公式计算。应当由爱因斯坦狭义相 对论给出计算公式。因此对论给出计算公式。因此称光波多普勒效应为相对论性称光波多普勒效应为相对论性 的多普勒效应。的多普勒

4、效应。 二、二者的不同还表现在二、二者的不同还表现在声学多普勒效应是听着感受到声学多普勒效应是听着感受到 音调高低的变化。音调高低的变化。而而光波的多普勒效应则让人感到颜色光波的多普勒效应则让人感到颜色 的变化。的变化。 激光激光 二十世纪二十世纪60年代，激光器出现。年代，激光器出现。 特点：特点： （1）亮度高）亮度高 （2）方向性好）方向性好 （3）单色性好）单色性好 （4）相干性好）相干性好 由于激光单色性非常好，即含有的频率可看成是单一频率。由于激光单色性非常好，即含有的频率可看成是单一频率。 故可用来实现激光测速故可用来实现激光测速 6 激光多普勒测速激光多普勒测速 l激光多普勒测

5、速的原理：激光多普勒测速的原理：用一束单色用一束单色 激光照射到随流体一起运动的微粒上激光照射到随流体一起运动的微粒上 ，测出其散射光相对于入射光的频率，测出其散射光相对于入射光的频率 偏移，即所谓的多普勒频移，进而确偏移，即所谓的多普勒频移，进而确 定流体的速度。定流体的速度。 7 运动微粒上接收到的光源入射光的频率运动微粒上接收到的光源入射光的频率 如图所示，静止光源s发出一束频率为 的单色光，该单色光入射到与被 测流体一起运动(速度为 )的微粒O上， l微粒O接收到的光的频率是 频率为频率为 的单色光入射到速度为的单色光入射到速度为 的微粒的微粒 O cv soff /1 21 r sf

6、 v sf v 运动微粒上接收到的光源入射光的频率运动微粒上接收到的光源入射光的频率 为光源发出的光波频率，为光源发出的光波频率， 为微粒为微粒O O处的频率，由于微处的频率，由于微 粒相对于光源运动，故其不等于光源频率。粒相对于光源运动，故其不等于光源频率。 是光源传播是光源传播 方向，方向， 。当。当 时，时， 可用泰勒可用泰勒 级数级数 展开，忽略二次项及其高次项，则可以简化为展开，忽略二次项及其高次项，则可以简化为 ： sf of r cv/ cv cv soff /1 21 r )/1 (cvffsor cv 静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率静止接收器上接收到的运动微粒散射光

7、的频率 由于接收器由于接收器M相对于相对于O点也是运动的，故点也是运动的，故M处接收到的频率可以处接收到的频率可以 表示为：表示为： )/1)(/1 (cvcvffsMOMsorr 静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率 对对 做泰勒展开，并忽略做泰勒展开，并忽略 高次项得高次项得: 这样，实际接收到的频率相对于原频率有一个频率偏移，只要检测这样，实际接收到的频率相对于原频率有一个频率偏移，只要检测 出频偏就可求出速度。频偏出频偏就可求出速度。频偏 )/1)(/1 (cvcvffsMOMsorr )(SOOMMv c f ffrr )( 1 )(SOO

8、MSOrrrr vv c f fOMd 差频法测速差频法测速 可分为两类：可分为两类： 参考光束型多普勒测速：参考光束型多普勒测速：检测散射光检测散射光 和入射光之间的频移（多普勒频移）；和入射光之间的频移（多普勒频移）； 双散射光束型多普勒测速：双散射光束型多普勒测速：检测两束检测两束 散射光之间的频差（多普勒频差）。散射光之间的频差（多普勒频差）。 双光束型多普勒测速双光束型多普勒测速 双光束型测速方法的光路的原理图双光束型测速方法的光路的原理图 两束强度相同的光照射到两束强度相同的光照射到P，产生两，产生两 种频率的光，两束频率不同的光将形种频率的光，两束频率不同的光将形 成拍频信号。成

9、拍频信号。 设两束光夹角为设两束光夹角为 ，则上式可写为，则上式可写为 。 于是于是 2 应用领域应用领域 血液流速的测量血液流速的测量(详细介绍详细介绍) 内燃机的缸内流场特性研究内燃机的缸内流场特性研究 对内燃机的设计制造有指导意义 风洞中风速测量风洞中风速测量 激光多普勒激光多普勒血液流速的测量血液流速的测量 激光器发出激光经光纤传送到血液，后向散射后经光激光器发出激光经光纤传送到血液，后向散射后经光 纤传出，经过光学系统后到达光电接收器件，对信号纤传出，经过光学系统后到达光电接收器件，对信号 进行前置放大后送到频谱分析仪进行分析，得出多普进行前置放大后送到频谱分析仪进行分析，得出多普

10、勒频偏以后就可以计算出血流速度。勒频偏以后就可以计算出血流速度。 激光多普勒激光多普勒血液流速的测量血液流速的测量 先把注射针刺入血管，先把注射针刺入血管， 然后沿着注射针的中然后沿着注射针的中 心心把光纤插入血管。把光纤插入血管。 来自光纤的激光碰到来自光纤的激光碰到 散射粒子发生后向散散射粒子发生后向散 射射 散射粒子主要是红血散射粒子主要是红血 球，直径约球，直径约7微米。肝微米。肝 素是一种抗凝剂，是素是一种抗凝剂，是 一种多聚糖。一种多聚糖。 激光多普勒血液流速的测量激光多普勒血液流速的测量 来自出射端的反射波（频率来自出射端的反射波（频率 ）以及散射信号）以及散射信号 一起一起 在

11、光纤内传播。回到偏振棱镜时由光电探测器接收。经信号在光纤内传播。回到偏振棱镜时由光电探测器接收。经信号 放大后送到频谱分析仪分析。放大后送到频谱分析仪分析。 0fff 0 频谱分析仪频谱分析仪 用来分析光电器件接收到的信号的频谱，以便确定多用来分析光电器件接收到的信号的频谱，以便确定多 普勒频偏。普勒频偏。 优缺点优缺点 1.激光多普勒测速属于非接触测量。这使得这一激光多普勒测速属于非接触测量。这使得这一 测量方法不会影响流体场的变化，使得测量的结测量方法不会影响流体场的变化，使得测量的结 果准确可靠。可远距离测量流体场的速度果准确可靠。可远距离测量流体场的速度 2.2.测速精度非常高。测速精

12、度非常高。目前目前激光多普勒测速精度一激光多普勒测速精度一 般情况下可以达到般情况下可以达到0.5%1.0%0.5%1.0%之间。之间。 3.3.测速范围广。目前已经能测量测速范围广。目前已经能测量0.1mm/s0.1mm/s至至 2000m/s2000m/s的速度。这是普通测速方法无法做到的。的速度。这是普通测速方法无法做到的。 , 优缺点优缺点 4.4.动态响应快。是研究湍流、大气、以及脉动速度的好方动态响应快。是研究湍流、大气、以及脉动速度的好方 法。法。 5.5.有较好的方向灵敏性。所以可以方便的测量速度大小的有较好的方向灵敏性。所以可以方便的测量速度大小的 同时测量速度方向。同时测量速度方向。 但：但： 要求被测流体有一定透明度。在纯净的水和空气进行测量要求被测流体有一定透明度。在纯净的水和空气进行测量 时，需要人为掺入一些烟尘等合适的微小粒子作