激光多普勒测速

1、1激光多普勒测速技术姓名：学号：学院：能源与动力工程专业：工程热物理21.激光多普勒测速的基本原理2.激光多普勒测速的光路模式3.激光多普勒测速的信号处理4.激光多普勒测速的技术应用主要内容5.扩展光束型多普勒测量系统3 光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间存在相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。 运动粒子P以速度 通过测量区域时，粒子相对于入射光来说是运动的，即光源静止，接收器运动；而相对于光电探测器来说，运动粒子的散射光相对于探测器是运动的，即光源运动，接收器静止。u图1 运动粒子的散射光1.激光多普勒测速的基本原理4根据相对论，

2、运动微粒P接收到的光波频率fP与光源频率fo之间的关系为)1 (0ceuffoP静止的光检测器接收到粒子散射光的频率fS为)1 (ceuffsPS光检测器接收到的光波频率与入射光波频率之差称为多普勒频移，用fD表示，则)(1)(0oossoSDeeuceeuffff5当入射光、散射光和速度方向布置成如图所示的那样，就可以得到简单的多普勒平移表达式：yDuf2/sin2图中为入射光方向与接收光方向的夹角，粒子的速度投影到该夹角一半的垂直线方向上即得到 。yu图2 多普勒测速特殊布置6光外差光波的频率：51014 Hz多普勒频移：108109 Hz 当来自同一个相干光源的两束光波按一定条件投射到光

3、电检测器表面时，通过光电转换的平方律效应可得到它们之间的频差。这个频差就是所需要的多普勒频移，其它与光频接近或更高频率信息都因远远超过光电检测器的频率响应被滤去。这就是光外差，或称为光混频。利用光电检测器来收集散射光，就能把光学多普勒频移变为电流的变化，然后采用各种电路对信号进行处理，就能取得速度信息。 直接检测散射光的光频，这种方法的典型分辨率为5MHz，对于大多数的低速测量，将超出光电检测器的响应频率。7 图中所示是参考光模式，激光经分光镜分成两束光，其中一束是弱光用作参考光，另一束是强光用作照射光束， 它们聚焦到测量区。光电检测器接受参考光， 同时接受另一束照射光束经过粒子散射在同一方向

4、上的散射光，它们在光电检测器件中进行光外差，从而得到多普勒频移。为了使参考光和散射光强度基本相近，必须使参考光减弱。通常参考光束和照射光束的光强比为1：9左右，这里可以用中性滤光片来减弱参考光，或者选择合适的分光镜的分光比来实现。特点：参考光模式的光学单元具有结构紧凑、调节方便和使用灵活的优点。2.激光多普勒测速的光路模式8 图中所示是单光束一双散射模式， 一束人射激光束直接聚焦于测量点上，该入射光束在两个不同方向上散射，两束散射光进行光外差而得到多普勒频移。如图3所示，两支对称的散射光束通过置于大透镜前的双孔光阑，其余的散射光则被遮挡住，然后，两支散射光被光束分离器结合成单光束，然后在光电检

5、测器中进行光外差。特点：单光束一双散射模式一般用得较少，它没有明显的优点，可以用它来接收两个互相垂直平面的两对散射光， 同时测量两个速度分量，而旋转双孔光阑到任意角度， 可接收测量平面上任意方向的两个速度分量。9 如图所示是双光束一双散射模式，激光经分光镜分成两束强度相等、互相平行的光束，通过聚焦透镜，会聚于被测点，然后这两束入射光在同一方向的散射光汇聚到光电检测器中进行外差而获得多普勒频移。特点：双光束一双散射模式是目前应用最广泛的光路模式。它的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，这是该模式的重要特点。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

6、。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。10 如图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等处理。根据多普勒信号的特点， 己研制出多种信号处理系统，如：频谱分析仪、频率跟踪器、计数型处理机、FP扫描干涉仪、滤波器组、光子计数相关法、快速傅里叶变换。3.激光多普勒测速的信号处理图6 测量系统框架图11 频率跟踪是目前性能较优，在国内外使用最广泛的信号处理机，其最大优点是可用于信噪比较低的场合， 同时可以得到实时速度信息。频率跟踪

7、法是应用一个闭环负反馈信号跟踪系统实现信号的连续实时测量，其原理如图6所示。多普勒信号首先经过滤波、放大电路后，滤掉低频信号，获得信噪比较高的纯净的多普勒信号，然后输入到频率跟踪电路， 由其中的压控振荡器输出瑞引出方波频率信号， 由高线性F/V转换电路转换为线性模拟电压，再由A/D转换。图7 频率跟踪原理图12光电检测器与光电效应图9 光电检测器模块结构框图图8 完整的光电检测电路13 半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子

8、,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hEg (Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。图10 不同材料能带分布图r-费米能级14 激光多普勒测速具有许多优点，它广泛地应用于空气动力学和流体力学，用来测量风洞、水筒、水工模型、射流元件等各场合中流体的流场分布和有关的物理参量，它也适用于边界层流体的测量和二相流的测量。近来， 已能测量亚音速、超音速喷气流的速度，所以被用来研究喷气过程、燃烧过程，为燃气轮机

9、、气缸、锅炉、原子能反应堆等方面的设计研究提供了实验数据和测试结果。激光器；分光、聚焦光路系统；光信号收集与检测系统；频率信号处理系统。4.激光多普勒测速的技术应用15 激光多普勒用于测量流体速度场时，是以流体中的粒子作为媒介来测量流体流速的，只有在流体中存在适当的散射粒子的情况下才能工作，这些散射粒子又称为示踪粒子。 散射微粒应该具有以下三个基本特性：能够很好地跟随流体的运动；具有高的散射效率；具有良好的物理化学性质。示踪粒子16论文题目： 扩展光束型激光多普勒速度测量系统作 者： 李秀明， 黄战华， 朱猛作者单位： 天津大学 精密仪器与光电子工程学院刊 名： 光学精密工程(ISTIC、EI

10、、 PKU)英文刊名： Optics and Precision Engineering年，卷(期)： 2013,21(5)基金资助： 国家自然科学基金资助项目文献简介17 由于双光束多普勒测量系统的探测体部分一般都很小，在测量固体表面速度时，必须严格控制固体的运动轨迹，使它经过多普勒测量系统的探测体，否则测量无法进行。显然，双光束多普勒测量方法只适用于运动轨迹精确控制的情况，不适用于非精密控制的情况。 为了获得高速弹丸在出膛后的瞬时速度以及在不同位置时的速度分布，提出了一种基于扩展光束的激光多普勒测速系统。该系统对出射的激光束进行两次扩展，使扩展后的相干光束在空间某一位置相交来形成具有一定延

11、展范围的探测体。该方法有效避免了经典双光束多普勒测速系统由于探测体积小而导致的物体偏离探测区域的情况，因此，在实际测量弹丸速度的过程中能够解决传统多普勒系统因弹道偏差而导致的无法测速的问题。研究背景18图12 光学系统结构简图测量系统原理19图13 探测体结构x方向扩展y方向扩展2sin2tandLy2sinxL20图14 原理简图图15 接受实验装置实验过程 为验证散射面大小对测量结果的影响以及方便光路调整，实验中暂不进行第二次扩束。21图16 信号处理结构图实验结果分析22图17 扩展光束照射下的实验结果图18 激光束照射下的实验结果真实速度vx 峰值频率fd 测量速度v 相对误差 14.83m/s 3.60MHz 15.08m/s 1.70%真实速度vx 峰值频率fd 测量速度v 相对误差 15.26m/s 3.62MHz 15.35m/s 0.57%23 实验通过固定转盘转速并径向移动转盘来获取不同的速度值，多次测量的结果及相对误差。在扩展光束条件下获得的测量结果的平均误差为1 2 ，在原始激光条件下测得结果的平均误差为0.5 1.5 。 两种方法的精度差异可能有几方面原因：首先是由光束的扩展而直接引起的信噪比下降；其次可能是由扩展光束不完善而引起探测体内条纹的不均匀；此外，由测量区域内转盘径向不同点的速度差异而引起的频谱加宽也