激光多普勒测速系统设计毕业设计[管理资料]

1 绪论
自上世纪60年代末，激光多普勒测速（Laser Dopper velocimeter，LDV）技术末出现以来，已经成为现代化生产必不可少的检测手段[1]，伴随着近现代激光技术的不断发展，特别是因其所具有的非接触测量[2]，高分辨率，动态响应快以及高测量精度等优点，使激光多普勒测速系统被应用于科研和工业领域。

目前，在科研领域，激光多普勒技术已广泛的应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物学、航空、航天、机械和医学，工业生产等领域的速度测量和其他有关测量也有其成功运用的范例。

激光测速技术发展至今已有40年历史。

1842年奥地利科学家Doppler,Christian Johann首次发现，任何形式的波传播，由于波源，接收器，传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生多普勒频移。

早在1905年爱因斯坦就证明了在光波中也存在多普勒效应。

和[3]，激光多普勒测速技术获得飞速的发展。

起初的光学装置比较简单，光学性能和效率不高，调准不方便；信号处理方面大多采用频谱分析仪[4]，这样就不能得到瞬时速度。

随着光学系统和信号处理器方面的发展，首先是集成光学单元的出现，使光路结构大为紧凑，调准也方便多了，因而有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、空间滤波、偏振分离、光学频移等现代技术相继应用到激光测速仪中，并成为系列化产品不可缺少的一部分。

其发展大体可分为三个阶段：
上世纪七十年代前后，是激光测速发展的初期。

这个时期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。

各种外差检测模式都在被采用和实验当中，频移技术虽然已经出现，但由于器件的效率不高和增加了光学系统的复杂性，难以得到推广。

从八十年代开始，激光多普勒测速应用得到迅速发展，有关流动研究的论文急剧增加，这一时期明显的标志是1982年首次在里斯本召开的“激光技术在流体力学中的应用国际讨论会”，该国际会议每两年召开一次。

发表的论文中70%
都是应用研究成果，遍及剪切流、内流、两相流、分离流，燃烧、棒束间流动、旋转机械，固体测速和测长等各领域。

国内也出现了一些自行研制的仪器，虽然都处于实验阶段，但为推广应用创造了条件。

随着对湍流动态流动研究的深入，给多普勒测速技术提出了新的问题，这就是所谓的多普勒频率的不确定性问题。

它主要影响到湍流的测量精度。

现在对多普勒频率加宽的因素已基本清楚，同时提出了一些修正方法。

但是，在大多数场合，它一般不是测量的关键问题。

在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理器[5]以及光子相关器件都陆续成为产品并被投入市场，它们同集成式光学系统一起成为研究复杂流体的有用工具。

如果说，计算机的发展给计算流体力学发展创造了物质条件，那么，现代测量技术的发展则开创了实验流体力学的新局面，并为验证数值计算结果的正确性提供了实验依据，而激光测速就其发展速度或是应用范围都名列前茅。

八十年代末九十年代初，半导体激光器被用在激光多普勒测速仪上，使得激光多普勒测速仪向小型化发展，发展了自混频效应激光多普勒测速方法[6]。

而后，又发展了双自混频技术，但精度始终不高，徘徊在1%左右，无法满足高精度测量的需求。

这个时期LDV的另一个重大进展是相位多普勒测速技术。

球形粒子对两束相交光束散射时，在周围光场形成明暗相间的干涉条纹：当利用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在一定相位差，与粒子的大小成正比，具体地说，是与散射点的曲率半径有关，随后，这一发现被应用于粒子大小的测量中，即相位多普勒法（PDA）。

多普勒测速的发展趋势
激光多普勒技术本身还在发展，如多维系统（主要是三维），光线传输技术及数字信号处理技术和微机数据处理技术等的出现把LDV 技术推向更高的水平，使调整更加简单、方便。

此外，半导体激光器，光纤激光器和雪崩光电二极管的应用以及光纤微刻器件集成技术的发展，出现了光纤LDV，该系统采用光纤来传输光束，这包括在入射光系统中将激光器光源的光束传输到测量点，在散射光系统中将接收到的散射光传输到光电转换器。

这样就可以使入射光单元和接收光单元与相对体积较大的分光装置或光电转换器分开，将体积尽可能地做得小巧牢固，便于移动测量位置和应用于各种有特殊要求的场合。

这就有利于激光多普勒测速仪向小型化发展，使多普勒测速系统能够走出实验室，更多的应用于工业和现场。

随着计算机技术的飞速发展，人们开始考虑采用数字信号处理的方法对LDV信号进行分析：首先对光电探测器输出的多普勒信号进行预处理，然后通过A/D转换器得到离散的多普勒信号序列，利用DSP对信号序列进行运算处理，提取多普勒信号频率。

这种方法与现有的各种的各种模拟信号处理方法相比较具有更好的稳定性和抗干扰性。

其系统可以在通用计算机上开发，实现容易，成本低，而且数字信号处理运算可以方便地根据实际情况进行修改（通常只要改变程序，或对寄存器重新加载即可实现）。

另外，数字信号处理运算单纯地基于加法和乘法。

这使得它具有稳定的处理性能。

90年代以来，R．G．Brown等介绍了“小型固态光子相关激光多普勒测速仪”Snichinest等人研制了“小型激光二极管多普勒测速仪”；Schnidt . Stork等人发明了衍射分束器。

Ross采用参考光和差动光路相结合的办法提出了一种LDY三维测量的新方法，在保持结构紧凑、使用方便的特点上，提高了信噪比，空间分辨率和测量精度也达到了工程要求。

为了弥补LDV单点测量的不足，出现了多点LDV系统，但由于其光路系统太复杂，推广受到限制。

20世纪90年代出现的全场多普勒测速(Dopplerglobal velometry，DGV)技术可以说是LDV用于多点测量的突破性进展。

它将散射光的多普勒频移信息转变为光强信息，从而可以用传统的图像处理方法来得到一个平面场中微粒的三维速度信息。

受频率分辨率的限制，目前这一技术比较适用于中高速流畅的测量，但是可以预期，随着科技水平的不断提高，DGV技术也必将在新世纪中得到更大的发展和应用。

在采用数字信号处理技术的LDV系统中，多普勒信号的处理是至关重要的。

这是因为LDV系统中的光电探测器接收的是粒子散射光，其强度本身就比较微弱，而且信号还受到诸如光路系统、杂散光、光检测器件噪声、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子浓度等因素的影响。

这就造成了激光多普勒测速系统的光电信号具有信号弱、噪声干扰大的特点，有时还伴有信号脱落(即信号不连续)现象。

并且多普勒信号的频率一般都较高，通常在千赫兹的量级以上，当速度较高时可达到几十兆赫兹，甚至上百兆赫兹。

要从质量这么差的高频信号中尽可能地提取我们所需的信息，同时必须满足实时性、精度、测速范围的要求，这对LDV系统的信号处理部分无疑提如了很高的要求。

目前，国际上的LDV信号处理系统的性能发展水平比较高，功能强、体积小、重量轻的数字瞬态采样型信号处理系统已取代旧式系统，但其响应速度较慢。

随着电路器水平的不断进步，FFT运算速度的提高[7]，使频域内的信号处理方法用于准实时测量或趋向实时测量计划。

作为LDV系统的关键部分一信号
处理部分，是LDV系统性能指标提高和实现系统小型化的关键技术，因此对于信号处理部分的研究应成为LDV系统研究的重要组成。

由于激光多普勒测速技术潜在的独特功能，因而得以吸引各个学科的研究工作者去研究和解决这些问题，对激光测速技术的光学部分和信号处理部分进行创新性发展。

LDV系统光路部分中激光器和光探测的技术都取得了长足的进展，LDV系统的信号处理部分仍是制约该激光多普勒测速技术小型化，轻质化，以及实时性，动态范围等技术参数改进的瓶颈，这正是我们从事对激光测速技术的信号处理部分研究的出发点和最终目标。

优化多普勒信号处理方法，将数字信号处理技术运用于多普勒信号的分析处理，将有助于提高LDV测速系统的性能，为相关学科的发展提供强有力的实验技术支持；同时研究多普勒信号的处理方法也具有普遍意义，可以为其它类型信号分析与处理提供参考和借鉴，是实现系统的小型化、低功耗、实用性强的重要环节。

本课题的研究意义
激光器发出的激光具有单色性、相干性、方向性和高亮度等特点，这就为激光多普勒测速提供了非常理想的光源。

与其它测量手段相比，激光多普勒测速技术有下列优点：
1．它是非接触测量，只需把激光束会聚到待测目标或流体的指定点上即可，因而不会干扰待测目标的运动状态，这在远距离目标的动态实时测量中有明显的优势，还适合在高温，高腐蚀，高湿度等恶劣环境下的测量。

由于激光束可以被会聚成很小的光斑，所以空间分辨率极高，可测很小体积中的速度。

2．多普勒信号以光速传播，响应速度极快，只要配以快速光电接收器及信号处理器，是进行实时测量的理想方法。

3．测量精度高是LDV的最大优点，％。

4．量程大是其另一大优点。

多普勒频移量与待测目标的运动速度呈线性关系，是一个精确的物理公式。

在很宽的速度范围内都不需要修正。

目前已可在每秒几毫米到每秒千米的宽广速度范围内进行测速。

5．好的方向灵敏性，可测速度分量，也可进行多维测量。

目前已有一维，二维，三维的激光多普勒测速仪。

由于LDV系统复杂、技术含量高，涉及光、机、电、计算机软件和流体力学，我国长期依赖进口来满足科研和教学需要，花费了大量外汇。

激光多普勒技术测量粒子的运动速度是十分有意义，它能使这一技术在工业上得到广泛应
用。

例如冶金工业中钢板和铝板压制和卷筒重的测量和控制，都可以采用多普勒技术。

用激光测速计测定在轧制生产中高速行进钢板的移动速度，不仅可以采用不接触钢板进行测定的方式，而且钢板移动速度愈大其测量精度越高。

对固体表面的速度测量以后，很容易得到位移(长度)和加速度等参数。

这些应用需要速度测量有很高的精度，而且要求有较大的场深和动态范围。

由于像钢板、钢坯等表面粗糙度不一，周围环境恶劣，这就对用于固体表面速度测量的多普勒测速系统和数据处理系统提出了很高的要求。

对于激光多普勒测速仪，国际上已有产品投放市场，但大多为八十年代末的产品，急需技术更新。

国外虽然有成形的产品，但是对于固体激光多普勒信号的产生机理尚没有完善的理论阐述。

国内没有固体表面速度高精度测量仪的生产厂家，现在国内使用的激光多普勒测速仪器全都是进口的，因而研制激光多普勒测速仪不仅具有重大意义，其市场前景也非常乐观。

论文的主要内容
本文主要介绍了现有激光多普勒测速系统的工作原理以及多普勒测速仪的信号处理方法，最后详细描述了激光多普勒测速的完整系统设计。

论文的具体结构和内容安排如下：
第一章，绪论部分，主要介绍了论文的研究背景和论文的主要内容，包括激光多普勒测速系统的发展历史和发展趋势，以及激光多普勒测速的优点和研究此课题的意义，从而确定了本文的立题依据。

第二章，介绍了激光多普勒测速的原理，并描述了激光测速的两种基本光学模式和光路结构，着重介绍测量固体速度所采用的模式——双光束-双散射模式。

然后介绍了激光多普勒信号的条纹模型及其特性，方便后面对信号的处理。

最后介绍了测速原理的具体算法，为设计打下理论基础。

第三章，比较了五种信号处理方法的性能，然后着重介绍了数字FFT信号处理方法，这是系统具体设计时采用的方法；接下来为了滤除信号中带有的的低频信号介绍了滤波处理方法，为第四章的系统设计打下理论基础。

第四章，介绍了整体的完整的激光多普勒测速系统的设计，主要包括：光路结构设计单元和信号处理单元。

然后分别具体介绍了各部件的性能。

从而构成了一个比较高效的测速系统。

第五章，总结和展望部分，对该激光多普勒测速系统进行了总结，概述了本系统的性能和工作特点，并展望了其发展前景。

2 激光多普勒测速系统原理
激光多普勒效应测速原理
多普勒效应是激光多普勒测速方法实现的理论基石。

奥地利科学家Christian Dopper于1842年首先提出了这一理论。

在声源和接收器之间存在相对运动时，接收器收到的声音频率不等于声源发出的声音频率，称这一频率差为多普勒频差或频移。

多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高，而在波源远离观察者时频率变低。

当观察者移动当观察者移动时，也能得到同样的结论。

假设原有波源的波长为λ，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为λ
（c
v+，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为
）
λ
v-。

）
（c
激光照射在运动物体上，在物体表面发生漫反射现象。

从运动物体散射圆来的光波相对于入射光波频率会发生一定的频率偏移，这种频率变化即为多普勒频移。

在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之闻光波的频差(或称频移)来获得速度信息。

这里存在着光波从(静止的)光源到(运动的)微粒到(静止的)的光检测器这三者之间的传播关系。

只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。

1964年Ych和Cummins首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流体速度。

测速原理及其示意图
利用激光多普勒效应测量流速度，比如流速，应在流体中加入随流体一起运动的微粒（示踪粒子）。

由于微粒对于入射光的散射作用，当它接收到频率为f 的入射光照射之后，也会以同样的频率向四周散射。

这样随流体一起运动着的微粒即作为入射光的接收器，接受入射光的照射，又作为散射光的光源，向固定的光接收器发射出散射光波。

从图2-1可以看出，运动粒子P以速度U 通过测量区域时，粒子相对于入射光来说是运动的，即光源静止，接收器运动；而相对于光电探测器来说，运动粒子的散射光相对于探测器是运动的，即光源运动，接收器静止。

下面就这两种情况的多普勒效应来讨论激光多普勒流速仪( laser Doppler anemometry,LDA)
的原理，并计出所求速度。

图2-1 测量原理示意图
Fig. 2-1 Schematic diagra of velocity principle
光学系统外差检测基本模式
在激光多普勒测速系统中，得到多普勒频率的方法有两种：一种是直接检测散射光频率，再与已知的光源频率相差，称为直接检测，但可见光波在1014Hz 左右，常用的光电器件不能响应光波的频率，所以用直接检测方法测多普勒频率很困难；另一种是外差检测方法，当来自同一个相干光源的两束光波按一定的条件投射到光检测器表面时，通过光电转换的平方率效应能得到它们之间的频率差值，这个差值就是多普勒频移。

有实际意义的多普勒频移最高不超过108-109 Hz，其它与光频相近或更高的频率信息因为远远超过光电器件的响应范围而不会进入收集系统。

利用激光多普勒效应测量运动散射目标的速度得到的是强度变化的光信号，它的变化频移包含了所需要的速度信息。

为了处理这类信号，通常采用光电器件将光信号转换成电信号。

实现这种转换的装置通常被称为光检测器和量子检测器。

任何现有的检测器无论其最后的功能是什么，其最初工序总是实现光-电转换，即光子使电子改变能态，其结果使光信号的光子流导致电子流。

表明可以利用下列之一的光电-机理实现光电转换：
1．光电效应
2．光发射相应
3．光导效应
为了将光信息转换为电信号，在激光多普勒测速技术中使用的大多数检测采用光发射。

通过二次电子发射的得到的内部放大可免除噪声放大，因此，可使信号增强而不会降低信噪比。

由于多普勒信号比较弱，测速仪中使用的光电检测测器一般为光电倍增管或雪崩二级管。

要获得运动微粒的散射光频移，必须通过光检测器的平方律效应来实现，这就是所谓的外差检测。

在激光多普勒测速系统中有三种常见的外差检测基本模式，即参考光模式(基准光束型)、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式(差动型或条纹型)，它们可由不同的光学元件和光路结构来实现。

下面我们主要介绍参考光模式和双光束模式。

光束
分束器
激光器
会 聚 透 镜
θ
α
v收 集
光 路
小孔光阑
光 电
倍 增 管
参考光
图2-2 参考光模式电路
Light path of model of reference light
如图2-2所示，激光器射出的光束被分成两束，其中一束通过流体直接射入光电接收器的小孔光阑内，成为参考光束；另一束光照射到流体中的微粒上，以产生散射光。

接收透镜组将参考光束和散射光束准直、会聚于小孔光阑上，然后照到光电接收器上进行拍频，以得到拍频电信号。

在参考光模式中，总是希望参考光束和被散射的信号光束具有相同的量级。

只有这样，才能得到比较高的信噪比和良好的多普勒信号。

为此，入射参考光束的强度应远低于产生信号光的光束，这就意味着在进行分束时，应分出一弱一强两束光。

该模式的优点是：光路上的信号接收距离不受光电接收系统中透镜焦距的限制。

但是采用这种模式的两束光进行拍频时必须准直好，只有这样，才得到
高的拍频频率，即强的信号输出。

两束光重合、平行，而且波前具有相同的曲率，换句话说，当它们全部重合时，就达到了这一要求。

可以想象，做到这一点是比较困难的。

此外，在参考光模式中，是在一个小立体角内收散射光的。

多普勒信号与接收方向有关，所以散射光的这一立体角会引起多普勒频率的频谱加宽，这样，会影响多普勒频率的测量精度。

为此，必须在接收透镜前放置孔径光阑，以限制接收的立体角，但这样做往往又减少散射光，并使信噪比降低。

双光束-双散射模式
如图2-3所示，将一束激光束的散射光与另一束激光束的散射光相干，经由小孔光阑，由光电接收器获取多普勒信号。

这种模式具有不少优点，首先，由于其被探测的多普勒频率使任一散射方向上两束入射光引起的散射光的频率差，而这一频率差不依赖于散射方向，所以在设计光路时，可以尽可能加大接收孔径，于是就可得到较强的散射光。

这一点恰巧是参考光束方式的缺点。

光束
分束器
激光器
会 聚 透 镜
θ
αv收 集
光 路
小孔光阑
光 电
倍 增 管
图2-3 双光束-双散射模式光路
Light path of double-beam
双光束模式光路的调整也比参考光光路容易，因为检查两束光是否相交比检查两束光是否共线重合要更加方便和直观。

此外在双光束模式光路中，进入光电接收器的散射光来自两束光具有同样强度光束的交点，它对所有尺寸的散射微粒几乎都发生高效率的拍频作用，从而进入测控区中的每一微粒都产生多
普勒信号。

但在参考光模式光路中，只有当经过信号光束交点处的微粒产生的散射光强与参考光束强度相接近时，才产生较高频的拍频，得到较好的多普勒信号。

实际上，由于散射微粒有大有小，其形状也各种各样，所以散射光的强度变化是很大的。

这样就使得参考光模式的有效信号减少，信噪比降低。

双光束模式入射光系统可以集成化光学单元，大大提高了光学系统的稳固性和易调准性。

因此，双光束-双散射模式是目前激光测速中应用最广泛的光路形式。

多普勒信号十分复杂，在讨论其算法及其信号处理之前，讨论其特性是十分有必要的。

双光束光路的两束入射光相交区中存在着一组明暗相间的干涉条纹，如图2-4所示，因此可以用“条纹模型”来进行理论解释。

虽然对于多普勒信号某些特性(如信噪比、可见度等)的分析并不完全符合实际，但是它的概念简单明了，并能给出正确的频率值。

图2-4 相干光束条纹模型
The fringe model of the coherent
在差动多普勒系统中，两束激光在光腰区相交形成测量区域，通过光学知识可知，测量区域的形状为一个椭球，其中分布着明暗相间的干涉条纹间距可用下列公式表明：
θλsin 2=∆x （3-1）
当示踪粒子以速度u 历通过测量区域时，粒子将穿过这些平行的干涉条纹，
在亮条纹区时，粒子散射的光多，在暗条纹区时，粒子散射的光少。

因此，如
果用一个光探测器来接收这些散射光，所接收到的光强将按粒子穿过这些条纹
的速度波动，也就是以粒子切割条纹的频率对光信号进行了调制，此频率为：
λ
φsin 2u x u f =∆= （3-2）
这个频率即为差动多普勒频率。

由于用于多普勒测速的大多数激光器是非常近似地工作在横向磁场模式的
理想激光器，这种模式的激光束在光腰部位的相位波阵面可以看作是一平面波，
且其强度符合高斯分布。

光的这种分布可以用光束中心的最大强度和光束半径
0ω。

0ω从光束中心到光强为02I e -点的距离。

由于多普勒信号是由粒子切割条纹，并散射条纹的光而产生的，因此信号
的强度也将发生变化，即信号光强在受到频率调制的同时还受到了幅度调制。

那么综合来看，单个粒子穿越测量区域所产生的信号其幅度包络对应于测量区
域光强的高斯分布，而光强变化的频率则对应于粒子切割条纹的频率。

多普勒信号的基本形式
激光束是以两束偏振方向相同，等功率的高斯激光束在相交区域内形成的
光强分布在空间传播的。

假设系统测量体内的高斯激光束于涉条纹数为f N ，在时刻0t 有一个粒子以
速度U 穿过测量体时，产生多普勒频移信号，其表达式为：
()()[]0202cos ]22[exp )(t t f t t I t f D a D -⎭
⎬⎫⎩⎨⎧--=πτ （3-3） 式中，
D f f N =τ是粒子穿过测量体的有限渡越时间；f N 是测量体中的条纹
数；0t 是粒子到达时刻；D f 是反映粒子速度的多普勒频率。

然而在实际情况中，不会总是单个粒子穿越测量区域，会有部分粒子穿过。