第五章相干光电检测系统2.ppt

3 多普勒测速 ① 多普勒测速原理 He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦点处光强分布为高斯分布。 激光测速的原理是：测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。 激光测速的最主要的优点是: 对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。 条纹 模型 f x z y z y y x 测速原理： 激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜L1 后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为: 干涉条纹的空间频率（单位长度内条纹明暗对数）为： 当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为υ，运动方向与条纹垂线的夹角为β（如图），则颗粒散射的光强频率为： 如果粒子运动方向与干涉场垂直时，？？？ ② 输出波形分析 在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。 一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度小很多时 一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度大时 一个粒子的随机信号 10个粒子的随机信号 ③ 速度信号的获取 两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪法。 (a) 频谱分析法： 光电倍增管输出信号经滤波后为： 本地振荡器产生的振荡信号为： 外差振荡信号： 差频信号分量为： 将此差频信号放入中频放大器。中频放大器的中心频率为f0，带 宽很窄，当差频信号的频率fL- fS= f0时，中频放大器有较大的差频 信号输出，其它频率受到扫描电压发生器控制。 扫描电压由低到高变化时，压控振荡器的频率从低到高变化， 其变化与外加电压呈线性关系。当扫描电压为适当频率时，使 fL- fs =f0，中频放大器输出一个较大的信号，此信号经过检波平 滑后可由X-Y记录仪画出频率分析的结果。 由于f0已知，fL可由扫描曲线得到，因而可计算得到fS，再由 得到速度v。 由于中频放大器的带宽很窄，放大器的响应时间τ=Δ1/f 较长， 因而信号的变化必须很缓慢，即只能测量出多粒子的平均速度， 无法得到瞬时速度。 (b) 频率跟踪法： 混频器-差频-中频放大-鉴频器-误差电压-压控振荡器改变fL 外差信号VLL的差频频率f0经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如下图，信号频率偏离f0时，压控振荡器跟踪信号频率的瞬时变化。 特点： 非接触测量，精度高，用于生物、血管中血流速测量。 激光多普勒测速的特点: ●动态响应快 ●空间分辨率高 ●流速测量范围宽 ●测量精度高 激光多普勒测速的应用: ◆管道内水流流层研究； ◆流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量 ◆大气远距离测量； ◆风速测量 ◆可燃气体火焰的流体力学研究； ◆水洞、风洞和海流测量 2、 光外差检测特性 ① 检测能力强，可获得全部信息 光外差检测可获得有关光信号的全部信息，是一种全息检测技术。其输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，也就是说，不仅振幅调制，而且频率调制以及相位调制的光波所携带的信息，通过光频外差检测方式均可实现解调。 结论1：光外差检测可获得有关光信号的全部信息！ ② 光外差检测转换增益高 (a) 外差探测中，中频输出有效信号功率为： (b) 直接探测中，探测器输出的电功率为: 从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程， 而光频外差检测的光电转换过程不是检波，而是一种转换过程， 即把以 为载频的光频信息转换到以 为载频的中频电流上。 同样光功率下，两种方法所得信号光功率比为: 结论2：光外差检测具有天然的检测微弱信号的能力！ ③ 良好的滤波性能 在光外差检测中，取差频宽度作为信号处理器的通频带Δf ， 则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。 例：目标沿光束方向运动速度V=15m/s，对于10.6um CO2激光信号，多普勒频率fS为： 通频带Δf1取为： 而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带