激光多普勒测速技术.docx

1、激光多普勒测速技术南京理工大学课程考核论文课程名称：图像传感与测量论文题目：激光多普勒测速技术姓名：孙玉祥学号：314113002432成绩：任课教师评语：签名:年月丨1文献综述摘要：文章阐述了激光多普勒测速技术的皐本原理及特点，综述了不同类型激光 多普勒测速技术各口的优缺点，对后续的信号处理系统进彳亍了分析说明，并对未 來激光多普勒测速技术发展方向进行了探讨。关键词：激光多普勒测速仪柏频信号处理0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 以其测速精度高、测速范闱广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点 在航空航天、机械、能源等领域获得了广泛的应用和快速发展

2、氏在一个完整的激光多普勒测速系统中，主要分为三个部分：激光发射器、光 学光路系统、信号处理部分。每一部分的学习与研究，都对激光多普勒测速系统 的精确度、稳定性和适应性有着重耍的作用。1激光多普勒测速原理激光的多普勒效应表明，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卩】。激光多普勒效应的示意图如图1所示，其中o为光 源，p为运动物体，s为观察者的位置，激光的频率为v,运动物体的速度为II, 那么激光照射到运动物体表面所产生的多普勒频移星可表示为：式中：e。为入射光方向单位向最，是散射光的单位向量，

3、c是光速，由上 式可知，通过测量激光多普勒频移量的值，便可获得运动物体的速度信息。图1激光多普勒效应示意图2激光多普勒测速特点激光多普勒测速与传统测速仪相比有如下持点：1.非接触测量：激光汇聚点就是测最探头，测量过程对流场无干扰，故可以 很方便地在恶劣环境中进行测星，如火焰、腐蚀性流体流速的测量。2空间分辨率高：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。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 器，可进行实时测最。4.楮度高：激光多普勒效应的物理原理公式是一个准确的表达式，产生的多 普勒频移量的大小基本与流体的温度

4、、压力、密度等参数无关，只需通过光路计 算和保证制造精确，系统测量精度很高。5.量程大：频差与速度为简单的线性关系，不论低速或告诉都无需校正， 因此允许有很大的频移，目前己能测0.1mm/2000m/s的速度，这是普通测速仪 不能比拟的。6灵敏性好：因为光束器旋转时测点不变，可方便地测量任意方向的速度分 量。然而，激光多普勒测速仪本质上是利用检测流体中和流体以同一速度运动的 粒子的散射光來测定流体速度的仪器，因此也给其应用带來一定的局限性：1.被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。2.在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作为入射激光 的散射中心。3.流速很高时要求提高激光器

5、输出功率，由丁信号频率很离，导致信号处 理比较困难。4.价格比较昂贵。5.使用时要采取一定的防震措施，且管道和光学系统无相对运动。尽管如此，由于激光多普勒测速有着得天独厚的优点，现在己经称为科研和 实验室工作中的有力匸具，有着广阔的应用前最。3不同类型的激光多普勒测速仪根据采用激光器类型的不同，激光多普勒测速仪大致可分为两类：单频激光 多普勒测速仪和双频激光多普勒测速仪，在下文中对这两类测速仪的原理及各门 优缺点分别进行了讨论。31单频激光多普勒测速仪采用单频激光器作为光源的单频激光多普勒测速仪，通过测最由于运动物体 对光的散射所产生的多普勒频移星來获取待测物体的速度。这种测速仪发明较早, 发

6、展较成熟，但存在着直流漂移，抗干扰能力差等缺点，在很多领域的应用受到 了限制。本文中，主要介绍下迈克尔逊干涉型测速仪卩,其构造如图2所示。 田2迈克尔廉干涉型测速仪激光输出的单频激光经前置透镜L】入射到分束器BS上，被BS分为两束光。其中，反射光束辐照到以速度u运动的待测运动物体上，透射光束照射到反射镜Mi上。來门Mi的反射光束的频率为激光器自身的频率V,作为参考光束。由于 多普勒效应，经待测运动物体反射回來的光束的频率变为v + 2u/A （2u/A为光的 多普勒频移量），作为信号光束。信号光束和参考光束经过BS合束，经透镜L? 准直后，由光电探测器接收，光电探测器输出的拍频信号的频率为：2

7、uvfD c于是，待测物体的速度11为：式中，C为光在空气中传播速度。由于迈克尔逊式位移干涉仪的待测运动物体的表面是迈克尔逊干涉仪中的 一面镜子，所以必须抛光成镜反射面。在测试过程中，位移干涉仪对表面运动倾 斜也很敏感。同时，这种测速仪产生的信号频率与待测运动物体速度成正比，由于光频很高，样品速度不高时也会产生很高的信号频率，这对信号检测系统的带宽要求较高。此外，激光器频率的不稳定也会导致测量精度的降低，还存在光路 调节难度大的缺陷，应用受到很大限制。3.2双频激光多普勒测速仪双频激光多普勒测速仪不同于单频激光多普勒测速仪，采用双频激光器作为 光源，能够克服单频激光多普勒测速仪易受环境影响的缺

8、点，抗干扰能力强，具 有较高的信噪比。常见的外差式双频激光多普勒测速仪I的原理如图3所示。图3外差式双频激光多普勒测速仪双频激光器发出的光为偏振方向相互垂直的线偏振光，频率分别为V】和v2（其中V】的偏振方向垂直于直而，V2的偏振方向平行于直面）。激光器输出光束 经分束器BS分为两束。其中，反射光束穿过透振方向和纸面成45的检偏器 P1后，由光电探测器D1接收，得到的拍频信号作为参考信号，频率为 Av = |vx-v2|o透射光束经过偏振分光镜PES后，偏振方向相互垂直的线偏振 光V1和V2相互分离，其中偏振方向垂直于直面的V!光被反射到静止的参考角锥 棱镜M上，偏振方向平行于直面的v2光穿过

9、PBS,照射到可动角锥棱镜M2上。 当M2以速度u运动时，由于多普勒效应，返回光的频率将会变为巾+ /d，其中， /b是的-的多普勒频移量。M2的返回光重新通过PBS,并与勺经Ml的返回光 在PBS再度回合，经反射镜R反射后，通过透振方向与直面成45的检偏器P2 后,被光电探测器D2接收，得到的拍频信号作为测量信号，频率为问-巾- 将参考信号与测量信号进行混频后，可得到带有速度信息的多普勒频移量，待 测物体速度II可由局表示为：fDU = -C2v2式中，C为光在空气中传播速度。在这种测量方法中，D2探测到的拍频信号频率为|巾-巾-/ol，无论运动 物体速度II是否为零（对应的为零），Au始终

10、存在，起到载波的作用，测量镜 M2的移动只是使这个频差增加或减少，不存在单频激光多普勒测速仪的直流漂 移问题。另一方面，这种测速方法要/dr-oo x(t - r)dt(l)令含有随机噪声的信号为：x(t) = s(t) + n(t)(2)其中s(t), n(t)分别为周期性信号和随机噪声信号，代入R(“可得：R(r) = liniT-.ooAs(t) + n(t)s(t - r) + n(t - r)dt =7 RS + Rsn W + Rns W + Rn(T) Rs(T)这里考虑到信号与噪声不相关，故其互相关函数Rni(T), Rns(r)均为零,同 时随着延时T的增长，噪声的门相关函数

11、RnC)接近于零。当随机信号包含周期性分疑时，门相关函数也将包介相同的周期分杲。设周期信号为角频率为w的正弦信号：s(t) = Asin(st),则有:Rs(r 鬭I s(t) - s(t r)dt=鬭2T , (4)fl A2Asin(eot) Asin(aj (t r)dt = cos(cot)Li 22由(4)式可知，周期信号s(t)的H相关函数的角频率仍为w由丁在激光多普勒测速仪中，待处理的信号均为数字信号，相应的离散型门 相关函数为卩x(i)x(i + j)j = (N l), (N 2),，(N - 2), (N - 1)其中x(i)利x(i + j)分别是x(t)和x(X)离散N

12、位利M位的采样值，R(j)是/个 采样延时的1相关函数。针对光电探测器输出的信号是由多普勒信号和随机噪声信号组成，采用数字 相关技术抑制噪声，并对输出信号的自相关信号进行快速傅里叶变换，得到其功 率谱，由(4)式可知，谱峰值处对应的频率即为多普勒频率。通过探测多普勒频 率，即可解算出微粒的运动速度。5激光多普勒测速技术发展动向口上世纪60年代末激光多普勒测速技术出现以來，这门技术迅猛发展，成 为现代化生产必不可少的检测手段，不少测量困难的场合都寄厚望于激光多普勒 测速技术。这就要求激光多普勒测速系统不仅要向通用测量一起发展，即降低成 本、减小仪器体积、简化操作程序，而且要最大程度地降低测暈环境

13、过程对测量 的影响，使仪器更加稳定可靠。近年來，半导体技术、光纤技术在激光多普勒测 速中的应用，使其光学结构及信号处理产生了根本的改进，促进了它在其他行业 中的应用。5.1半导体技术的应用相比其他激光器，半导体激光器的体积极小，这也是缩小激光多普勒测速系 统体积的关键所在。但是半导体激光束的扩散角较大，因而使用时必须要对光束 进行准直，减小其发射角，使光束成为准高斯光束。在以往的激光多普勒测速仪中，接收器均使用光电倍增管，虽然其灵敏度高, 但体积较大，需要高压驱动，不利于系统的小型化，而且在被测物的散射光较大 时，易饱和。而半导体接收器如APD和PIN l极管驱动电路简单，体积小，M 子效率高

14、。因此，虽然半导体激光器的功率一般为毫瓦级，但在与半导体接收器 结合使用后，可在不降低信噪比的情况下，达到简化整个激光多普勒测速系统结 构，减小体积的目的。5.2光纤技术的应用通常的激光多普勒测速系统调试非常复杂，非专业操作人员很难使仪器1：作 在最佳状态。光纤技术的应用使这一难题得到了解决。光在光纤中的传播会产生色散，这主要是由多模色散、材料色散和结构色散 引起的，因此激光多普勒测速系统中的发射光纤大多使用单模光纤，单模光纤只 存在着材料色散和结构色散，对信噪比的影响较小。一般情况下，为考虑减弱干 扰光，保证好的相干性，提高激光多普勒测速系统的信噪比，大多使用偏振保持 型单模光纤。在使用了单

15、模光纤后，激光多普勒测速系统便有了独特的优点：1.将许多体积较大的器件与探头分开，使探头儿乎可任意缩小，对测量场产 生的扰动降低至最小，大大提高了测量可靠性。2.光纤具有耐腐蚀、耐高温、防水防火、易弯曲等特点，大大提高了激光 多普勒测速系统的应用领域。3.对于最常用的双光束型的激光多普勒测速系统，分束器的要求大大降低, 而且偏转镜、空间滤波器等元件可省掉。4.操作简单，光路只需一次性调整好固定，大大简化了操作程序。由此可见，激光多普勒测速技术的发展，并不只是单独取决于本身的发展, 而是集激光技术、集成光学技术、半导体技术、信号处理技术于一身。6总结和展望近几十年來,激光多普勒测速技术的研究已经

16、取得了丰硕成果，并以其成本较低、 非接触测量、测量精度高、动态响应快、测最范围大等优点，在各个领域得到了 深入的研究和展架。然而，目前的激光多普勒测速仪的测速上限受到限制，无法 满足测量高速运动物体运动速度的需要：测量精度还存在提升空间，尤其在低速 测量时精度不高；抗干扰能力也有待提高。因比，新型激光多普勒测速技术将向 高精度、大星程、抗干扰能力强、稳定性好的方向发展。参考文献1SHEN X. Laser Doppler velocimetiy and its applicationM. Beijing: TsingliuaUniversity Press, 2004 :1 5 2沈熊.激光多

17、普勒测速技术及应用M.北京:清华大学出版社,2004:121-126.3Baker L M, Hollenbach R E. Interferometer technique for measuring tlie dynamic mechanical properties of materialsJ Review of Scientific Instruments, 1965, 36 (11 )： 1617-1620.4关信安，袁树忠，刘玉照.双频激光干涉仪M.北京：中国计皐岀版社，1987.5TaeBongEom, TaeYoung Choi, etal. A simple method for the compensation of the nonlinearity in the heterodyne interferometerJ MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2002, 13 (2)： 222-225.6高赛，殷纯永.高测速双频激光干涉仪卩.光学技术，2001, 27 (3)： 238-239. 邹醍，袁俊泉，龚亭锹MATLAB6. x信号处理M.北京：清华大学出版社，2002, 217-219.