激光测量技术第六章激光其他测量技术优秀课件
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分子碘、溴蒸气或碱蒸气是最合适的吸收物质，它们的原子和分 子有很多吸收线能匹配现有的激光频率，氢粒子激光的514.5 nm 谱线在碘吸收线的近旁，YAG激光倍频后的532.0nm谱线与碘及 嗅相配。
激光测量技术第六 章激光其他测量技
术
2006年3月6日星期一
第六章 激光的其他测量技术
本章主要内容: 第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 二、激光多普勒测速技术的应用 四、多普勒全场测速技术
第二节 激光扫描测径技术
一、转镜扫描测径 二、音又拧描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术
第三节 激光测距技术
一、激光相位测距 二、脉冲激光测距
2006年3月6日星期一
第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
1842年Doppler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 所谓的多普勒频移。 1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的 散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术 来确定粒子流动速度。 激光多普勒频移技术应用: 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。
1） DGV原理 利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转 换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获 得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测 量。
2006年3月6日星期一
1） DGV原理
一般工作在f1-f2段，中 心频率fi处于激光器的 中心频率附近， f1-f2 的带宽约为600MHz。 由于不同频率对应不同 的透过率，这样把频率 变化转化为光强的大小
大的情况 氩离子激光器: 功率较大，信号较强，用得最广。
(二)光学系统 LDV按光学系统的结构不同，可分为:
双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。 参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求苛刻，一 般不采用。常用双散射型
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
A 单光束型
特点: 测量速度高, 适合超音速测量 ,调整麻烦, 测量结 果与角度有关
b 波传输通道中的物体运动产生
这种情况是LDV的基本测速原理
从p点看:
cV K
fp
从U处看: fD
cV U
因为:
c fp p
2006年3月6日星期一
b 波传输通道中的物体运动产生
如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为θ，则式(6-7) 可以写为
或
从6-8式知 ,测出频移即可以计算出移动速度来 由于光频率极高, 一般采用在实际测量中，多采用光外差 多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时送到光接收器 上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中 只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动 速度所引起的光频微小变化。
1）频率计数法
原理: 计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计
算出频移, n为设定的脉冲数目, N为时钟数目, T为时钟周期
f1TNຫໍສະໝຸດ n Nfn
2006年3月6日星期一
三、激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒测速仪(LDV)特点: • 具有非接触测量 • 不干扰测量对象 • 测量装置可远离被测物体 应用:
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
B 、参考光束型
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
C、双散射型 特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用时不受现
场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用大口径的接收透镜， 粒子散射的光能量极大地得到利用，信噪比高。进人光电探测器 的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的 散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。 调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用 很方便。
2006年3月6日星期一
(三)信号处理系统
激光多普勒信号非常复杂： ① 由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变化，是一 个变频信号。 ② 因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移 的幅值也按一定的规律变化。 ③粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的，故波 形有断续且随机变化。 ④光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界 环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。
2006年3月6日星期一
一、多普勒测速原理
激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:
基于运动物体散射光线的多普勒 效应
1. 多普勒效应
引起多普勒频移的原因:
a 波源或者接收器的移动
b 波传输通道中的物体运动产生
对于a种情况:
f V cos
f f
V
cos f
V cos V
0
2006年3月6日星期一
信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那 些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。
2006年3月6日星期一
(三)信号处理系统
多普勒信号处理方 法主要有:
频谱分析法、 频率跟踪法、 频率计数法、 滤波器组分析法、 光子计数相关法 扫描干涉法等。
1）频率跟踪法
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(三)信号处理系统
生物医学 流体力学 空气动力学 燃烧学等领域
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三、激光多普勒测速技术的应用
1) 血液流动/定位
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三、激光多普勒测速技术的应用
2) 管道内流体的测量
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四、多普勒全场测速技术
•LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全场测量， 则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定 量流 •多普勒全场测速技术(Doppler Global Velometer DGV)，可 对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求， 特别适合于气流测量。
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二、激光多普勒测速仪的组成
激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter LDV) 组成:
激光器、光学系统、信号处理系统
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二、激光多普勒测速仪的组成
(一)激光器 多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用
频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气 体激光器. 如He-Ne激光器 : 功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较
激光测量技术第六 章激光其他测量技
术
2006年3月6日星期一
第六章 激光的其他测量技术
本章主要内容: 第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
一、多普勒测速原理 二、激光多普勒测速仪的组成 二、激光多普勒测速技术的应用 四、多普勒全场测速技术
第二节 激光扫描测径技术
一、转镜扫描测径 二、音又拧描测径 三、扫描镜电流计测径 四、位相调制扫描测量技术
第三节 激光测距技术
一、激光相位测距 二、脉冲激光测距
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第一节 激光多普勒(Doppler)测速技术
1842年Doppler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 所谓的多普勒频移。 1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的 散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术 来确定粒子流动速度。 激光多普勒频移技术应用: 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。
1） DGV原理 利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转 换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获 得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测 量。
2006年3月6日星期一
1） DGV原理
一般工作在f1-f2段，中 心频率fi处于激光器的 中心频率附近， f1-f2 的带宽约为600MHz。 由于不同频率对应不同 的透过率，这样把频率 变化转化为光强的大小
大的情况 氩离子激光器: 功率较大，信号较强，用得最广。
(二)光学系统 LDV按光学系统的结构不同，可分为:
双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。 参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求苛刻，一 般不采用。常用双散射型
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
A 单光束型
特点: 测量速度高, 适合超音速测量 ,调整麻烦, 测量结 果与角度有关
b 波传输通道中的物体运动产生
这种情况是LDV的基本测速原理
从p点看:
cV K
fp
从U处看: fD
cV U
因为:
c fp p
2006年3月6日星期一
b 波传输通道中的物体运动产生
如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为θ，则式(6-7) 可以写为
或
从6-8式知 ,测出频移即可以计算出移动速度来 由于光频率极高, 一般采用在实际测量中，多采用光外差 多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时送到光接收器 上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中 只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动 速度所引起的光频微小变化。
1）频率计数法
原理: 计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计
算出频移, n为设定的脉冲数目, N为时钟数目, T为时钟周期
f1TNຫໍສະໝຸດ n Nfn
2006年3月6日星期一
三、激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒测速仪(LDV)特点: • 具有非接触测量 • 不干扰测量对象 • 测量装置可远离被测物体 应用:
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
B 、参考光束型
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
C、双散射型 特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用时不受现
场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用大口径的接收透镜， 粒子散射的光能量极大地得到利用，信噪比高。进人光电探测器 的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的 散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。 调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用 很方便。
2006年3月6日星期一
(三)信号处理系统
激光多普勒信号非常复杂： ① 由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变化，是一 个变频信号。 ② 因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移 的幅值也按一定的规律变化。 ③粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的，故波 形有断续且随机变化。 ④光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界 环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。
2006年3月6日星期一
一、多普勒测速原理
激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:
基于运动物体散射光线的多普勒 效应
1. 多普勒效应
引起多普勒频移的原因:
a 波源或者接收器的移动
b 波传输通道中的物体运动产生
对于a种情况:
f V cos
f f
V
cos f
V cos V
0
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信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那 些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。
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(三)信号处理系统
多普勒信号处理方 法主要有:
频谱分析法、 频率跟踪法、 频率计数法、 滤波器组分析法、 光子计数相关法 扫描干涉法等。
1）频率跟踪法
2006年3月6日星期一
(三)信号处理系统
生物医学 流体力学 空气动力学 燃烧学等领域
2006年3月6日星期一
三、激光多普勒测速技术的应用
1) 血液流动/定位
2006年3月6日星期一
三、激光多普勒测速技术的应用
2) 管道内流体的测量
2006年3月6日星期一
四、多普勒全场测速技术
•LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全场测量， 则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定 量流 •多普勒全场测速技术(Doppler Global Velometer DGV)，可 对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求， 特别适合于气流测量。
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter LDV) 组成:
激光器、光学系统、信号处理系统
2006年3月6日星期一
二、激光多普勒测速仪的组成
(一)激光器 多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用
频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气 体激光器. 如He-Ne激光器 : 功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较