激光多谱勒技术

1、激光多谱勒技术第1页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 1955年，福来斯特（AForrester）首先观察到光学相现象（即两光频相差很小的光波送加） 1964年，Yeh和Cummius发表第一篇应用激光多谱勒技术测量流体速度的文章。 1964年1981年，研究Doppler技术在全世界处于高潮期，在此期间，发表论文1000余篇。 1971年1978年，召开两次研讨Doppler技术的大型国际学术会议。 现在，该技术已产品化美、英、丹麦、奥地利、西德、瑞士等国。第2页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 研究Doppler技术主要解决两个问题： （1）

2、研究光电探测器上接收的散射光的频率和粒子运动速度之间的关系。 （2）如何检测散射光频率。二、多谱勒测量原理 多谱勒频移： 当运动物体被光波照射并相对探测器处于相对运动状态时，探测器接收到的光频率将与物体相对探测器的运动速度有关，即光频率发生变化，此现象即为光学多谱勒频移。第3页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-1如图10-1所示，分四步讨论（建立数学模型）： 第4页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 （一）入射平面波在静坐标系中的波动方程 设从静止的激光器发出频率为f0的平面波，其在静坐标x、y、z中传播的波动方程为： 式中：f0光波频率；

3、A0光振动中心振幅； 入射光传播矢量 静坐标系中空间点的位置矢量。 （特例：将的起始点和x、y、z坐标的原点重合，此时=0） 第5页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 （二）入射光在动坐标系中的波动方程： 伽里略变换原理：设物体运动坐标为x、y、z（原点在o），当平面波照射到以速度 运动着的物体o点时，则根据伽里略变换原理：同一空间点在动静两坐标系中的位置矢量 和 可进行如下变换： 以（2）代入（1），可得到动坐标系中入射光的波动方程为： 令 ，（即o点为动坐标原点），上式为：第6页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 上式表明：在运动着的o点上，从固

4、定点o入射激光的频率已不是0 （三）散射光在动坐标系中的波动方程 将物体上点作为新的光源，由点散射或反射的光，在动坐标系中以同样频率（）向空间传播，其波动方程为 式中： 散射光传播矢量 A1散射光振幅第7页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 （四）在静坐标系内散射光（在探测器处）的波动方程 如在静止坐标中用一探测器接收散射光，此时，因为散射光源与探测器之间存在相对运动，则根据伽里略逆变换原理 若将静止坐标系之原点设在探测器上，即令 第8页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 此时，探测器接收到散射光的角频率为： 所以，散射光频率为：第9页，共38页，2

5、022年，5月20日，13点41分，星期四 结论： 1、若已知入射光矢量的方向 ，散射光矢量的方向 ，入射光的频率f0和粒子的运动方向 ，并且测出了散射光的频率fs，则可由上式求粒子的运动速度 。 2、由于散射光频率fs太高，尚无光电探测器直接测量fs的值。 如：对=0.6328的激光 3、测量入射光和散射光的光频率差（即拍频），可求粒子运动速度。第10页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四10-2 激光Doppler测速系统一、分类 （一）参考光束型（图10-2） 图10-2第11页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四由公式透射光则等效：特点：简单装配

6、，调试不便，不能判定粒子运动方向。 第12页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四（二）单频单光束多谱勒测速系统 图10-3第13页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四如图10-3所示的多谱勒测速系统，由多谱勒测速公式第一路散射光：第二路散射光：第14页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四则在光电管上接收到的差频信号（即拍频信号）为：上式中/2，为已知，测得D ，则可求得粒子速度v的值。缺点：不能确定粒子的运动方向。注：上式可变为：第15页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 当很小时上式近似为： 上式中的角即为两相

7、干光的干涉角；而 /为干涉条纹的宽度e。 上式的物理意义为：粒子的运动速度v，等于从粒子上发出的两散射光相干的条纹宽度e与在探测器上条纹移动（扫描）的频率 D的乘积。 显然当条纹静止时，则粒子运动速度为0。第16页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-4（三）差频激光多谱勒技术1、测量原理：（图10-4） 第17页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 设两入射光频率为f1和f2； 由于粒子的运动速度 和两入射光矢量 夹角不同，所以照射到同一粒子上后散射的光频率将不相同，设两散射光频率分别为fs1和fs2。 因为，散射光矢量均与光轴方向同向。第18页

8、，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四当粒子运动速度和光轴垂直时，上式中， 第19页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 2、粒子运动方向的判定： 上式可变为： （1）当1= 2 时，即两入射光束均为同一频率时 （2） v=eo=0，即粒子速度为0；反之当v=0时，D=0，此时的干涉条纹是静止不动的。第20页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 （3）当D-（ 1-2 ）0时：粒子运动速度V0，即粒子运动方向和条纹运动方向相同。 （4）当D-（ 1-2 ）0时： 粒子运动速度V1MHz。但在某些Doppler测量中则需寻求一种能产生差频

9、频率较小光源。第23页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-62、旋转圆光栅的Doppler频移原理 如图10-6，激光入射到圆光栅上，将产生衍射效应，而当光栅以n（转/sec）旋转时，其1级衍射光的频率将改变。 第24页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 利用多谱勒频移定理，可以导出其频差和光栅常数及其转速之间的关系。 设入射光矢量为 ，物体运动速度 方向和y轴重合，则0和1级衍射光矢量分别为： 讨论： （1）对0级光：因为 ，所以D（0）= 0- s0=0，即0级衍射光频率不产生变化 第25页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，

10、星期四 （2）对+1级衍射光：因为 所以 ，即+1级衍射光频率增加了。 （3）对-1级衍射光： 所以 ，即-1级衍射光的频率减小了 。 综上所述，1级衍射光所产生的多谱勒频移可写成：第26页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-7对如图10-7所示的圆光栅 相距w=R（R为刻划圆半径，为一个栅距所对应的中心角）而 （2为圆周角值，N为光栅等分数）第27页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 将上述值代入D（）中得： 例：设圆光栅角栅距为1，转速为1500转/分，求D（1） 特点：（1）光学效率约为：55%（2）频移范围0106Hz（3）价格低，结构

11、简单。第28页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-8三、Doppler测速的基本光路 （一）单频型 （1）单频参考光束型：（图10-8）第29页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-9（2）单频单光束型：A、前向散射型（图10-9） 特点：光能比后向散射型高2个数量级。 第30页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-10B、后向散射型（图10-10） 第31页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四图10-11（二）单频双光束型（1）前向散射型（图10-11） 第32页，共38页，2022年，5月2

12、0日，13点41分，星期四图10-12（2）后向散射型（图10-12） 第33页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 （三）双频型 （1）双频前向散射型 将图10-11中的入射光束的频率变为两个不同频率即1、2 。 （2）双频后向散射型 将图10-12中的入射光束的频率变为两个不同频率1、2 。第34页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四一、单频激光干涉仪10-5 激光干涉测长仪的Doppler解释 图10-13第35页，共38页，2022年，5月20日，13点41分，星期四 如图10-13所示的迈尔克逊干涉系统，其测量方程为： （其中L：测量距离；N：干涉条纹在探测器上扫描的个数。） 1、干涉理论解释： 当动镜变化 时，光程变化为，则干涉条纹移动一个条纹宽度，若计量出条纹的个数N，即可得到动镜移动距离为：第36页，共38页，202