激光多普勒测速.pdf

激光多普勒测速 1. 引言 激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用 激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术， 广泛应用于军事， 航空，航天， 机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等领域 [1-2] 。 激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器， 通常 由五个部分组成： 激光器， 入射光学单元， 接收或收集光学单元， 多普勒信号处理器和数据 处理系统或数据处理器， 主要优点在于非接触测量， 线性特性， 较高的空间分辨率和快速动 态响应， 采用近代光 - 电子学和微处理机技术的 LDV 系统， 可以比较容易地实现二维， 三维 等流动的测量， 并获得各种复杂流动结构的定量信息。 由于上述潜在的独特功能， 激光多普 勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题， 使激光 测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具。 激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段 [1-3] 。 第一个阶段是 1964 – 1972 年，这是激光测速发展的初期。在此期间，大多数的光学装 置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便； 第二个阶段是 1973 – 1980 年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了 很大的发展。光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应 用到激光测速仪中。 从 1980 年到现在，激光测速进入了第三个阶段。在此期间，应用研究得到快速发展。 在发表的论文中， 有关流动研究的论文急剧增加。 多维系统， 光纤传输技术以及数字信号处 理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平， 使用调整更加方便。 此外， 半导体激光器的应用是其小型化成为可能， 推动激光多普勒测速走出实验室， 迈向工业和现 场应用。 激光的多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础， 当光源和运动物体发生相对 运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移， 这个频移量的大小与运动物体的速度， 入射光和速度方向的夹角都有关系 [1] 。下文中将详细介绍。 2. 激光多普勒测速原理 在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差（或称频移） 来获得速度信息。这里存在着光波从（静止）光源 （运动）微粒 （静止）光检测 器三者之间的传播关系。 当一束具有单一频率的激光照射到一个运动微粒上时， 微粒接受到的光波频率与光源 频率会有差异， 其增减的多少与微粒运动速度以及照射光与速度方向之间的夹角有关。 如果 用一个静止的光检测器来接收运动威力的散射光， 那么观察到的光波频率就经历了两次多普 勒效应。下面来推导多普勒总频移量的关系式。 设光源 o ，运动微粒 P 和静止光检测器 S 之间的相对位置如图 1 所示。照射光的频率 为 f 0 ，粒子 P 的运动速度为 U。根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接收到的光波 频率为： U * e