激光多普勒测速

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0f ，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：
(1) 式中：0e 是入射光单位向量；c 是介质中的光速。

当0*U e << c 时，可得近似式为：
这就是在静止的光源和运动的粒子条件下，经过一次多普勒效应的频率关系式。

运动的微粒被静止的光源照射，就如同一个新的光源一样向四周发出散射光。

当静止的观察者（或光检测器）从某个方向上观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动，接收到的散射光频率又会同粒子接收到的光波频率不同，其大小为： 式中，s e 是粒子散射光单位向量。

括号中 *s U e 取正号时因为选择s e 由粒子指向光检测器。

它与光源频率之间的差值叫做多普勒频移： 式中：λ是介质中的激光波长。

由上式可知，如果已知光源，粒子和光检测器三者之间的相对位置，就能确定速度U 在0()s e e -方向的投影大小。

图1. 光源，微粒和光检测器之间的相对位置
'020*1**1()U e c f f U e c
-=-'00**(1)U e f f c
=-*'*(1)s s
U e f f c =+001
|*()|
D s s f f f U e e λ=-=-
3.激光多普勒测速基本模式
激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。

但可见光波的频率
通常在1014 Hz 左右，而有实用意义的多普勒频移最高也不过108 - 109 Hz。

因为常用的光电器件不能响应光波的频率，直接检测对探测器的光电器件性能要求太高，所以基本不用。

光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。

利用同一相干光源的两束光按一定条件投射到光检测器上，进行干涉并通过光电转换器的平方率效应（即光强变化）得到其频差，这就是所需要的多普勒频移。

其他与光频接近或更高的的频率信息都因为远远超过光电器件的频率响应而被滤去。

在激光测速中有三种常见的外差检测基本模式：参考光模式，单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。

3.1 参考光模式
将一束参考光直接照射到光检测器上，同散射光束进行光学外差。

这束参考光必须取自同一个激光源，但并不一定要与照射光束相交。

之所以使它通过测量点并与照射光相交是出于光学上的调准方便，这样可以比较容易实现参考光束与散射光束的共轴对准。

这种光路模式叫做参考光模式。

图3.1 参考光模式
图3.1（a）所示情况下，测得的速度分量垂直于照射光束同参考光束交角的平分线，这一平分线通常也就是入射光学单元的光轴。

图3.1(b)所示的布置，可以实现并行于光轴速度分量的测量。

由上图可知，参考光模式的结构简单，但其光路对准很麻烦。

3.2 单光束- 双散射模式
这种工作模式利用一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频
移。

将一束经过聚焦的光束照射到流体中，在与系统轴线对称的两个方向上收集粒子的散射光。

当这两束光合成时，他们波前的相对相位取决于粒子到各收集光阑的距离。

所以，当粒子运动穿过光束时，这两束散射光束干涉相长或相消，导致载光阴极上得到以多普勒频率脉动的光强。

这个系统除了能在两个互相垂直平面中利用收集到的一对散射光测量两个瞬时速度分量以外，与条纹模式相比没有明显的优点。

光学装置如图3.2
图3.2 单光束 – 双散射模式光路
入射光束在12,s s e e 两个方向上的散射光频率分别是 10101
*()s s f f U e e λ=+-，
20201
*()s s f f U e e λ=+-。

将这两个方向的散射光汇集在一起，在光检测器中进行光学外
差，可得到多普勒频移 12121|*()|D s s s s f f f U e e λ=-=-。

可见，单光束 – 双散射模式仅利用一束入射光，多普勒频移只决定于两束散射光的方向，而与入射光的方向无关。

但由于两束散射光由探测器接收，而多普勒频移与散射光的散射角直接相关，所以精度要求越高的情况下，探测器的收集立体角要求越小。

3.3 双光束 – 双散射模式
这种模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇聚到光电探测器中进行外差而获得多普勒频移。

双光束或条纹系统应用两束等强度的相交光束，在它们的相交体积中得到一组条纹图形。

每个离子穿过条纹图形时，光电检测器上的散射光强度发生强弱的变化，变化率与速度成正比，如下图3.3.1 所示
（a ）垂直光轴方向速度测量 （b ）平行光轴方向速度测量
图3.3.1 双光束 – 双散射模式
光束1和光束2在同一方向的散射光的频率分别为：10011
*()s s f f U e e λ=+-，
20021*()s s f f U e e λ
=+-。

所以两者相干频差（即多普勒频移）为：1201021
|*()|D s s f f f U e e λ=-=-。

可见，双光束 – 双散射模式的频移只决定于两束入射光方向，而与散射光方向无关。

从而可以采用大的收集立体角以提高散射光功率。

综上所述，在实际应用中，双光束–双散射因为收集立体角较大，对探测器响应速度较低而得到广泛发展。

下文将重点介绍双光束- 双散射系统的原理图，具体装置如下图3.3.2所示。

激光发射出激光信号，经分束器分成均匀等大的两束信号光，再经传输透镜聚焦到运动物体上，相干散射，产生多普勒频移信号，再经接收透镜接收，经透镜聚焦到探测器上，探测器将光信号转换成电信号，传输到频率与相位信号处理器进行处理，最后经显示器显示。

参考文献：
[1]沈熊，激光多普勒测速技术及应用[M]，北京：清华大学出版社，2004;
[2]Julien Perchoux，Thierry Bosch，Multimode VSCELs for selfmixing velocity measurements[C]，2007 IEEE sensors，2007：419-422；
[3]。