激光多普勒测速

（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0）， 观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f= f0
（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动
(u=0，v 0)，观察者接收到的频率为 观察者背离波源取负号。
f
V v


(1

v V
)
f
0
（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（
这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的 干涉。在观察时间内，P点平均光强为：
I 1


Id
0

E021

E022

2 E01 E02
1


cosd
0
பைடு நூலகம்
如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规
则地变化，多次经理0~2之间的一切值，则，
1

0
cosd
intensity points
DL
F
1
0 1/e 2 z
x
y
X
Transmitting System
Z
Y X Intensity
Distribution
Z Measurement Volume Y
Measurement Volume
Length:
4F

z


E
DL
sin
2

5-9 激光多普勒流速仪测速
1．概述-激光特性与应用
激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比 太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比 氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性） 而著称。因为普通光源向4立体角发散， 而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立 体角单位面积的输出功率就特别大。
激光在工程中的应用
热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬 时速度、平均速度、均方根速度和 速度相关量的主要方法。
无疑，机械探头将继续是实验流体力 学的重要方法。
但接触测量法干扰流场，不可避免地 带有方法本身的误差，具有局限性。
如对回流区的测量，机械探头会扰动 回流图形；对于小尺寸管道中的流动， 机械探头会造成堵塞。
不适合特殊情况下测试（火焰）
Processor Detector
Flow with particles d (known)
Signal t (measured)
Time
Bragg Cell
Laser
后散射光
Width:
y

4F E DL
Height:

x


E
4F
DL
cos
2

Fringe
z
Separation:
f
2sinæèç2öø÷
J
Z
No. of Fringes:
Nf

8
F
tan
2
E DL
f
x
X
Velocity = distance/time 速度=距离/时间
观察者接收到的频率f为：
V
f
V
u
f0
波源背着观察者运动时取负号。
，u v=00），
（4）波源和观察者同时相对于介质运动（ 观察u 者 0接收v 到0 的频率f为：
f
V v V u
f0
电磁波也存在多普勒效应，
， ），
对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为
v
1
f
c 1 v2
E02
cos(t

2r2
)

E02
cos(t
2)
P点的光电场为
其中
2


2r2
1


2r1
E E1 E2 A cos(t )
其中
A2 E021 E022 2E01E02 cos(1 2 ) tg E01 sin1 E02 sin 2
再通过相关运算求出位移场，进 而求出各粒子场的速度。
散斑法只能记录一个平面内的粒 子场速度信息。
§8.2 激光多普勒测速法(LDV)
60年第一台氦-氖激光器诞生，64年 世界上就出现了激光多普勒测速仪。 20多年来，激光多普勒测速技术有了 很大的发展，这是测量技术上的一个 重大突破。
多普勒测速是通过检测流体中运动微粒 散射光的多普勒频移来测定速度的。 激光多普勒测速属于非接触测量，激光 作为测量探头不干扰流场。
激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制 造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密 测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于 测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测 角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激 光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激 光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显 示、医疗、受控热核反应等方面。
E01 cos1 E02 cos 2
A2 E021 E022 2E01E02 cos(1 2 )
如果： E01 E02
上式变成： A2 4E02 cos2 ( / 2)
其中， E0 E01 E02 1 2
用光强表示则有
I

4I0
c os2
0??cos2cos1011011?????????terteecos2cos2022022?????????tertee???112r?????222r??p点的光电场为cos21??????taeeecos22102012022012??????eeeea202101202101coscossinsin?????eeeetg???其中其中0201ee?如果
激光在热物理测量方面应用
如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布 （PDA），
用于传热传质研究，测量燃烧动力及流 场温度，对高能点火中能量释放，研究 点火机理，加力燃烧室流场和温度场， 等离子射流的浓度场、温度场和速度场 等等（LIF）。
激光测速仪（LDV）
常见的测量速度方法与技术
总压探针与静压探针相结合的皮托 管一直是平均速度的主要测量方法。
2. 全息干涉测速法
在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用 双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄 相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。 利用再现粒子场的实像图，求出粒子 对间的位移大小和方向，再由 v=s/t求出速度场。
若流速不快，也可使用功率较大的连 续激光，通过双曝光记录粒子图。
粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对， 并确定粒子对间的位移；
激光多普勒测速应用很广: 可用于燃烧 混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化 学反应流动、风洞或循环水洞中流动速 度的测量等。
激光多普勒测速有其突出的优点： 1>如不需要流动校正； 2>不取决于温度、密度和流体成份，仅
对速度敏感; 3>取出量与速度成线性关系； 4>动态响应快，等等。
但激光多普勒测速也有其局限性， 例如:
f0
c2
观察者背离波源取负号。
当一单色频率为f0的激光, 照射到运 动速度为v的微粒上时，运动微粒接 收到的频率不等于f0，发生了一次多 普勒效应。
若用一个静止的光检测器，接收运动 微粒的散射光，则接收到的频率又经 过了一次多普勒效应。
• 下图为静止光源O、运动微粒P
和静止光检测器S三者之间相对
关系。
fs

f
p
(1

U
es c
)
fP f0

c
c
2

U
e0
(U e0
)
2

f0

1

U

e0 /
c
1 (U e0 )2
c
图8-1 静止光源、运动微粒、 和静止光检测器
• 根据相对论变换，运动微粒P接收
到的光波频率fp近似为:
( 5 - 1 ) fP f0
多普勒频移用fD表示：
fD

fS

f0

f0
v(eS e0 ) c
(5-4)
• 或者用波长表示为：
fD

1

v(eS
e0 )
(5-5)
式中，为入射光波长。
可见，如果仅知光源、运动粒子和光 检能确测定器速三度者之v 间在的(e相S 对e位0 )方置向，那么上的只 投影大小，不能确定速度方向。

2
其中， I 0 E02
当相位差为 的偶数倍时，即（ 2m m=0, 1, 2, …） 时，I 4I0 ，P点光强达到最大值。
当相位差为 的奇数倍时，即（ (2m 1) m=0, 1, 2, …） 时，I 0 ，P点光强达到最小值。
当相位介于这两者之间变化时，P点光强在0和4I0之间变化。
c U e0 c2 (U e0 )2

f0
1U e0 / c 1 (U e0 )2
c
f p f0 (1
e0 ) * c
• 式中，e 为入射光方向的单位向 0
量，c为介质中的光速。
• 光检测器接收的粒子散射光频率：
fS

f
p
(1

es
c
)
*
(5-2)

0
因
而 I I1 I2 ，P点光强为两迭加光强之和，不可能发生干涉
现象。
如果在P点两光束波是紧密相关的，例如激光多普勒测速中两
束入射光是由同一束激光分束而来，以至在观察时间内，他
们的相位固定不变，则 ， 。 1

cosd cos
0
I E021 E022 2E01E02 cos I1 I2 2 I2 I1 cos
一种固定的相对位置，不可能确定平 面速度的方向，这就是所谓LDV的方 向模糊性。
若速度方向已知，如风洞，可将入射 光、散射光和速度方向按下图布置：
图5-2 激光多普勒测速的特殊布置
由图可得： eS e0 ＝2sin 2
代入(8-5)式，多普勒频移表达式化为：
fD

2 sin
1> 需要示踪粒子; 2> 示踪粒子要与流体一起运动; 3> 对介质和实验通道有光学要求，
要求光能透过流动等。
5-9-1 激光多普勒测速的原理
1.激光多普勒效应
激光多普勒测速的基本原理：
是依据激光多普勒效应，利用运动粒 子散射光的频移来测量速度. 因为散射光的频移中包含有粒子速度 的信息。
声学中的多普勒现象
2 y
(5-6)
2. 条纹模式
前面从激光多普勒效应出发，叙 述了激光多普勒测速原理。
69年，Rudd提出干涉条纹模式， 进一步说明激光多普勒测速的基 本原理。
如图5-3所示，两束平行的、相干细光 束在透镜后焦点形成相交区，该相交 区称为控制体。
在控制体中存在着明暗相间的干涉条 纹，由几何关系可得条纹间距df为:
对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能 使用小尺寸探头 。
热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流 结构的主要实验工具，但它仅限于低温、 低速、低紊流度、常特性的检测，而且必 须在回流区以外。
光学速度测试技术具有测量灵敏 度高，不干扰流场等优点，有着 很强的应用前景。
光学测速技术主要有全息干涉法、 散斑照相法、激光多普勒测速法 和激光双焦点测速法等。

d f

2 sin 2
(5-9)
首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零 的单色光波的叠加
光源S1和S2相交在P点，距离分别为r1和r2，振幅为 E01和E02，初相位为 0 ，两束光电场分别为：
E1

E01
cos(t

2r1
)

E01
cos(t
1 )
E2

粒子很多，可用干版插入再现粒子实 像场中欲测剖面，记录粒子对，通过 逐点扫描或全场分析求出位移场。
3. 散斑测速法
对于具有较多粒子的流场，可用频闪 片光照明粒子场的某一剖面，
通过双曝光将两幅粒子场记录在同一 块胶片或干版上，
再利用逐点分析或全场分析求出粒子 对的位移场，最后转换成速度场。
当流速很快时，可用连续片光照 明，用高速摄影机拍摄一系列粒 子图。

式中， es 为粒子散射光指向光检
测器方向的单位向量。
• (5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到
：
fS

f0
(1

e0
c
)
1

veS c



f0 1
v(eS e0 ) c
(5-3)
光检测器接收的光波频率与入射光波 频率之差叫多普勒频差或频移。
因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。
此外，还要求两列光波的光程差最大不超过光波的波列长度，
这也是两束光相干的条件。
两束入射光的 相交区域叫控 制体积，光检 测器接收到的 散沙光区域叫 测量体。控制 体是一个椭球 体，这是由于 两束入射的激 光光强按高斯 分布的结果。 控制体的几何 参数决定了 LDV的空间分 辨率。
很显然，控制体中存在着 一组明暗相间的干涉条纹， 因为这两束入射光满足干 涉条件。
图5-3 控制体的主要光学参数
干涉条纹
测量体
发射系统产生测量 体
测量体中有三维高 斯分布光强
测量体是椭球形
Dimensions/diamet ers x, y and z are
given by the 1/e2
当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时， 你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；
相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛 声变得低沉，即笛声频率变低。
这种因波源和观察者相对于传播介质的 运动而使观察者接收到的波源频率发生 变化的现象叫多普勒效应。
如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设 波源相对于 介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运 动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速 度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。