(完整版)光的多普勒效应

光的多普勒效应

关键字：纵向多普勒效用、多普勒频移、激光流速仪、惯性坐标系

一、多普勒效应

多普勒效应就是，当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。

二、多普勒测速原理

用波照射运动着的物体,运动物体反射或散射波,由于存在多普勒效应,反射或散射波将产生多普勒频移,利用产生频移的波与本振波进行混频再经过适当的电子电路处理即可得到运动物体的运动速度。我们假设多普勒测速仪静止,运动物体的运动速度为v,运动物体的运动方向与多普勒测速仪的测速方向在同一直线上，为了得到多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率与运动物体运动速度之间的关系,

1、声波测速

第一步,多普勒测速仪发射声波,运动物体接收到其所发射的声波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,而运动物体作为波接收器以速度v运动.设多普勒测速仪所发射的声波频率为f,运动物体所接收到的声波频率为f′,声波的传播速度为v0,观测者相对于介质的运

动速度vr。可得：

第二步,运动物体反射或散射声波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的声波.在这个过程中,运动物体作为波源以速度v运动,而多普勒测速仪作为波接收器静止.设多普勒测速仪接收到的声波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或散射的声波频率为f′,于是可得：

代入可得：

即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的声波频率f、多普勒测速仪所接

收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率f″以及声波的传播速度v0之间的关系

2、光波测速

1、声波测速

第一步,多普勒测速仪发射声波,运动物体接收到其所发射的声波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,而运动物体作为波接收器以速度v运动.设多普勒测速仪所发射的声波频率为f,运动物体所接收到的声波频率为f′,声波的传播速度为v0,观测者相对于介

质的运动速度vr。可得：

第二步,运动物体反射或散射声波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的声波.在这个过程

中,运动物体作为波源以速度v运动,而多普勒测速仪作为波接收器静止.设多普勒测速仪接收到的声波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或散射的声波频率为f′,于是可得：

代入可得：

即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的声波频率f、多普勒测速仪所接

收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率f″以及声波的传播速度v0之间的关系

2、光波测速

为了得到多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的光波频率与运动物体运动速度之间的关系,我们同样分两步进行讨论。

第一步,多普勒测速仪发射光波,运动物体接收到其所发射的光波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,运动物体作为波接收器是运动的,它们之间的相对速度为v.设多普勒测速仪所发射的光波频率为f,运动物体所接收到的光波频率为f′,光波的传播速度为c,则可得：

第二步,运动物体反射或散射光波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的光波.在这个过程中,运动物体作为波源是运动的,多普勒测速仪作为波接收器静止不动,它们之间的相对速度仍为v.设多普勒测速仪接收到的光波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或散射

的光波频率为f′,于是可得即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的光波频率f、多普勒测速仪所接收的由于存在多普勒效应而频移的光波频率f′以及光波的传播速度c之间的关系。我们可以知道,多普勒测速仪只要把其所接收到的由于存在多普勒效应而频移的运动物体的反射或散射波与其所发射的本振波进行混频,再经过适当的电子电路处理即可快速测出运动物体的运动速度。

三、多普勒效应的应用

1 激光多普勒测速仪概念

激光多普勒测速仪，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动

态响应快。由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪，或激光测速仪或激光流速仪。示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。

2 激光多普勒测速仪组成

（1）激光器

（2）入射光学单元

（3）频移系统

（4）接受光学单元

（5）数据处理器

3 激光多普勒测速仪基本原理

仪器发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，当被测物体移动时（不管是靠近你还是远离你）反射回来波的频率发生变化，回收的频率是(声速±物体移动速度)/波长，由于和波长都可以事先测出来（声速会随温度变化有所变化，不过可以依靠数学修正），只要将回收的频率经过频率-电压转换后，与原始数据进行比较和计算后，就可以推断出被测物体的运动速度。

4 激光多普勒测速仪特点和应用

1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；

2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。

3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。

激光多普勒测速与传统的测速仪相比具有如下

优点：

1. 属于非接触测量: 激光会聚点就是测量探头.测量过程对流场无干扰, 这对回旋流场尤为适用。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。

2. 空间分辨率极高：目前测点可小于10− 4mm3，随着所用激光波长的减小，光路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径10μm 中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。

3. 动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。

4. 测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪