激光多普勒测速和激光测距分析解析

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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 1）声多普勒效应原理 • 声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。 • 设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为v，波长λ=v/f ①声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动 • 设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相 对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声 v v1 v v1 v v1 波的频率为 f ' f v /f v
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 • 当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频 率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。
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激光多普勒测速技术
• 多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在
相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的 声学多普勒效应与波源及观测者 现象就是声学多普勒效应。 相对于介质运动有关，光学多普 勒效应只与光源和观测者之间的 • 爱因斯坦在《论物体的电动力学 》中指出，当光源与观测 相对运动有关，因此，声学（机 者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不 械波）和光学（电磁波）的多普 同，即存在光（电磁波）多普勒效应。 勒效应有本质区别。
r1 1 t1 c

在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻 （光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时 刻为
r2 r1 v 2 t 2 t2 (t 2 t1 ) cos c c c
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理
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激光测距技术
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激光相位测距
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2．激光相位测距技术 1）直接测尺频率 f s c / 2Ls 由测尺量度Ls可得光尺的调制频率 这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测 尺长度直接由测尺频率决定。 若测距仪测程为100km，要求精确到0.01m。如相位测量系 统测量不确定度为1‰，则需要三把光尺，即Ls1 =105m， Ls2 =103m，Ls3=10m，相应光调制频率分别为fs1=1.5kHz， fs2=150kHz，fs3=15MHz 。显然，要求相位测量系统在这 么宽的频带内都保证1‰的测量不确定度很难做到。 所以直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激 光短程相位测距仪。
Photo courtesy of University of Bristol, UK
Measurement of water flow inside a pump model
Photo courtesy of Grundfos A/S, DK
Measurement of flow field around a 1:5 scale car model in a wind tunnel
激光测距技术
A
2π B
• 利用激光进行远距离（几千米）测量的技术，通常有激光相 λ
L 位测距和脉冲激光测距两种。 • 1 激光相位测距 相位的调制波形 • 1．激光相位测距原理 • 相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。光波从A点 传播到B点的相移可表示为
2mπ 2π(m m)
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激光多普勒测速技术
• 1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射
光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来
确定粒子流动速度。
• 目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力
学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产
中的速度测量。
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激光多普勒测速技术
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激光相位测距
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1．激光相位测距原理
相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数，即只能确定 余数Δm ，而不能确定相位的整周期数m。因此当被测距离 L大于Ls 时，用一把光尺是无法测定距离的。 为能实现长距高准确度测量可同时使用Ls不同的几把光尺 。最短的尺用于保证必要的测距准确度，最长的尺用于保 证测距仪的量程。 目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频 率两种。
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y r1
激光多普勒测速技术
y' s1 r2
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θ s 2
θ D 激光多普勒测速技术基础 O K系 x O' K‘ 系 x' v 1. 多普勒效应 光多普勒效应示意图 2）光多普勒效应原理 • 对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以， 光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速 度的大小。如图示。 K'系中静止的光源从K'系的t1'时刻开始发出一列光波，这 个波列的发射截止时间为t2'，于是在K'系中此波列发射的 时间为（t2' － t1' ），在这段时间内发射的波数为N，光 源的频率为
• 实际上，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移
是不可能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即测量靶 标），使从测距仪发出的光波经靶标反射再返回到测距仪， 由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。
L

2
(m m) Ls (m m)
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激光测距技术
v f f 2 f1 f s (cos 2 cos 1 ) c/n
因 c f s 0 则得

1 ，若 2
f v
0
2n cos
f

于是，流速为
v
2n cos
0
测量出探测器 上的拍频信号， 就可以得到Δf， 也就可以得到v
多维流速的测量
1D速度需要1对光束， 2D速度则要2对光束， 2对光束通常做在一个激 光头内，且两对光束平面正交。 3D速度则要3对光束。 通常由一个1D激光头和一 个2D激光头组成，调节两者之 间的相对位置，可测得理想的 三维速度。
3D激光多普勒测速仪
Measurement of air flow around a helicopter rotor model in a wind tunnel
Photo courtesy of Mercedes-Benz, Germany
Measurement of wake flow around a ship model in a towing tank
Photo courtesy of Marin, the Netherlands
Measurement of air flow field around a ship model in a wind tunnel
N fs t 2 't1 '
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y r1
激光多普勒测速技术
y' s1 r2
11
θ
s2
激光多普勒测速技术基础 θ D 1. 多普勒效应 O O' x' K系 x K‘ 系 v 2）光多普勒效应原理 • 在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于 t1时刻（光 光多普勒效应示意图 源在S1处），接收这个波列的时刻是

观测者D收到这N个波共需时
v cos 2 1 (t2 t1 )1 c
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激光多普勒测速技术 根据时间相对性
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 • 观测者接收光波的频率为
fD N 2 1
c2 v2 fD fs c v cos
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 • 若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cosθ＝±1（远 离时取1，接近时取－1）： 同样的v值下，横向多普 cv 纵向多普勒效应 勒效应比纵向多普勒效 fD fs cv 应要小很多。 若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则 cosθ＝0 v2 横向多普勒效应
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激光测距技术
•
在进行几公里的近程测距时，如果测量不确定度要求不 高，即使不用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反 射取得反射信号，也可以进行测距。 目前，脉冲激光测距方法已获得了广泛的应用，如地形 测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫 星、地球到月球距离的测量等。
则，频率为
v v f ' f ' (v v2 )T v v2 v f ' f v v2
v
同理，声源背离观测者运动有
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 观测者向着声源 运动时，取正号； 1. 多普勒效应 反之取负号 1）声多普勒效应原理 ②声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1 综合上述情况，可以得到： 总之 v v1 当声源和观测者相向运 f ' f v v2 动时，接收频率升高； 强调： 当声源和观测者背离运 声学只有纵向多 动时，接收频率降低； 普勒效应，没有 横向多普勒效应 声源向着观测者 运动时，取负号； 反之取正号
• 若光从A点传到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离
L ct c

2πf
(m m)
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λ A L
Δλ
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激光测距技术
• 激光相位测距
B L
A′
• 1．激光相位测距原理
• 只要测出光波相移中周期2π的整数m和余数Δm，便可由公
传播2L后的光波相位
式求出被测距离L。所以，调制光波的波长λ是相位测距的一 把“光尺”。
• 同理，观测者背离声源有
v v1 f ' f v

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激光多普勒测速技术
S1 v2
2
S2
D
激光多普勒测速技术基础 vT λ' λ 1. 多普勒效应 声源向静止观察者运动的多普勒效应示意图 1）声多普勒效应原理 ②声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中 • 设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运 动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振 动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了 v2T距离，波长变为 ' v2T vT v2T (v v2 )T

fD 1
c
2
fs
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激光多普勒测速技术
L
D
S R
激光多普勒测速技术基础 2. 激光多普勒测速原理 1）多普勒测速原理 • 如图。由于v/c非常小，只取 级数展开的前两项，即
α1 Q
α2
v
激光多普勒测速原理图
v f D 1 f s c

考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量 v cos1 , v cos 2
•
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激光测距技术
• •
脉冲激光测距 基本原理如图所示
A
发射光束 激光器 参考信号取样
cN L 2 f0
A
发射
B
光电接收器
回波
时钟脉冲振荡器
B C
放大器
干涉滤光片 整形电路 触发器E计数器D E K
计数 b）各点波形图
C
a）原理图
D
脉冲激光测距原理图示
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Photo courtesy of University of Bristol, UK
Measurement of flow around a ship propeller in a cavitation tank
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激光测距技术
•
脉冲激光测距
•
脉冲激光测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时 间上相对集中、瞬时功率很大（一般可达到兆瓦级）的 特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测 程。
v cos1 f1 f s 1 c/n
v cos 2 f 2 f s 1 c/n
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 2. 激光多普勒测速原理 1）多普勒测速原理 • 探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向效应）
t 2 t1
t 2 't1 ' 1 v2 / c2
N v cos (t 2 t1 )1 c
N fs t 2 't1 '
N 1 v2 / c2 fD v cos (t2 't1 ' )1 c
这就是光学多 普勒效应公式
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激光多普勒测速和激光测距
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目 录
• 激光多普勒测速技术
• 激光多普勒测速技术基础 • 激光多普勒测速技术应用
• 激光测距技术
• 脉冲激光测距
• 相位激光测距
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激光多普勒测速技术
• 概述 • 1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形
式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的 运动会使频率发生变化——多普勒效应。