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

f，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：

e是入射光单位向量；c是介质中的光速。当

*

U e

u r u u r

<< 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

u r

是粒子散射光单位向量。括号中*

s

U e

u r u r

取正号时因为选择

s

e

u r

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

()

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

'

2

*

1

*

*

1()

U e

c

f f

U e

c

-

=

-

u r u u r

u r u u r

'0

*

*(1)

U e

f f

c

=-

u r u u r

*

'*(1)s

s

U e

f f

c

=+

u r u r

00

1

|*()|

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