第6章 激光测速与测距技术

1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？2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？3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？4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？56.1多普勒效应6多普勒效应(Dopplereffect)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。7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。8多普勒效应实验9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。v测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v测=03、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。10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。11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。12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131、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1415v0vs0s波源的振动频率n观察者测得的频率nul一、波源和观察者相对于介质静止两个相邻等相位面之间的距离是一个波长lTuun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。1516二、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vvs0sul波源的振动频率n观察者测得的频率n

由此可见，观察者所接收的频率大于波源的频率16172.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

1718三、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。CSDOv0vssuvsTvsTvsTvsTllll波源的振动频率n观察者测得的频率n1819CSDO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SCDO1920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SCDO2021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。211）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22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23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24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251、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CA263、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。⑴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？⑵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？292Hz260Hz4、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/s27285、静止不动的超声波探测器能发射频率为100kHz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112kHz。如果空气中的声速为340m

s

1

，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2829冲击波ssssssstruvstraas马赫锥前面在介绍波源相对于媒质运动所引起的多普勒效应时，讨论了波源速率波速的情况。uvs若，波源就会冲出自身发出的波阵面，在时间内，vsutr它所发出的波的一系列波面的包络是一个圆锥体，称为马赫锥。这种波称为冲击波。1truvstrsinM2avsua马赫锥的顶角满足Mvsu称为马赫数2930高速快艇在其两侧激起的舷波，超音速飞机飞行生成的声波，高速子弹飞行激起的声波等，都属冲击波。冲击波可使媒质的密度、速度和温度急剧变化，并产生高温、高压。声暴当波源的运动速率刚好等于波速时，vsu即，马赫锥的顶角，锥面变为平面。ap波源在各时刻发射的波，几乎与波源自身共处于同一平面，这时冲击波的能量非常集中、强度和破坏力极大，这种现

例如，当飞机刚好以声速飞行时，机体所产生的任一振动象称为“声暴”。都将尾随在机体附近，并引起机身的共振，给飞行带来危险。因此，超音速飞机在飞行时都要尽快越过这道音速的屏障。303131323233333434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35*推导(x,y,z

,t)(0,0,0,t*)yx光源观察者O361.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

小于光源固有频率

0

“蓝移”(2)若光源趋近观察者，上式中

取负号，这时

l>

0，实测频率

l

大于光源固有频率

0

37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=434nm的谱线，地面上观测记录的该谱线的波长

=600nm.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38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ν——频率

r——波沿传播方向的距离δ——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）39（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）用表示和ν的关系，则利用式(6)有

（7）40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ν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）416.2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

426.2.1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436.2.2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44(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。45(3)多普勒技术的干涉解释多普勒技术的干涉解释46干涉解释中的多普勒信号情况47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