激光多普勒测速系统及其在血液流速测量中的应用设计

本科课程设计说明书

光学测试课程设计

题目：激光多普勒测速系统及其在血液流速测量中的应

用设计

学院名称：机械工程学院

专业班级：光信息0801

学生姓名：王丽

指导教师姓名：姚红兵

2011年6月

多普勒效应是一种非常重要的物理现象。在实际中有许多重要的应用]1[，激光多普勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速度进行测量的测速技术，由于是对光信号进行测量，是一种无接触测量，所以对待测系统无干扰而且可用于高温、强腐蚀流体、有毒气体等的流速测量。激光束可以很细，故所测空间分辨本领很高。可对边界、薄流体层进行测量。利用激光多普勒效应测量流体流速已成为近年来测速系统的发展趋势,激光多普勒测速具有高精度、非接触等优点,但由于激光器的限制此技术尚未广泛普及应用。详细推导了多普勒测速的原理和计算方法, 相信能够为解决实际问题带来帮助,例如血液流速的激光多普勒测试等。

多普勒效应的阐述 (3)

激光多普勒测速原理的阐述 (7)

激光多普勒测速基本模式 (8)

激光多普勒信号处理 (11)

血液流速的激光多普勒测试系统 (12)

参考文献 (13)

设计附图及说明 (14)

多普勒效应

当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的波的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。多普勒在其提出的声学理论中指出，在声源相对于介质运动、观测者静止，或者声源相对于介质静止、观测者相对于介质运动，或者声源和观测者相对于介质都运动的情况下]

2[，观测者接收到的声波频率与声源频率不相同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在《论物体的电动力学》论文中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接受到的光波频率与光源频率不相同，即存在光多普勒效应。 （1）声多普勒效应

声波是依赖于介质传播的，设声源的频率为f ， 声波在媒介的传播速度为v ①声源不动，观测者相对于媒介以速度v1运动。则观察者接收到声波的频率为

f

v

v v f

v v v v f 1

1

1

+=

+=

+=

'λ

λ

当观察者迎向静止声源运动时，接收到的频率变高，若是人听，感觉声调变高，当观察着远离声源，则接收到的频率变低。

②声源以速度v2相对于媒介运动，观测者静止于媒介中，当声源迎着观测者运动，则观测者接收到的频率为

f

v v v T

v v v v

f 2

2)(-=

-=

'

=

'λ

观测者接收到的频率变高。

当声源背离观测者运动，则观测者接收到的频率为

f

v v v T

v v v v

f 2

2)(+=

+=

'

=

'λ

观测者接收到的频率变低。

③声源与观测者同时相对于媒介运动，声音速度为v2，观测者速度为v1.可以得到观测者接收到的频率为

f

v v v v f )(

2

1 ±='

总之，当观察者和声源相向运动时，接收到的频率升高；当观察者和声源背离运动时，接收到的频率降低。可以证明，当声源或观察者运动方向垂直于二者连线时，接收频率不发生变化。即声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应。 （2）光多普勒效应

当光源和接收器之间有相对运动的时候 ,接收器受到的光波频率不等于光源的频率 ,这就是光学的多普勒效应或电磁波的多普勒效应。因为光是一种高速运动的物质 ,并且其传播不需要介质 ,因此光多普勒效应与声多普勒效应有本质的区别。下面按相对论的观点对光多普勒效应进行分析。

参照图1 ,设接收器 R 固定在惯性坐标系K 中的O 点 ,单色光源S 固定在另一惯性坐标系K ′中 ,K ′系相对于K 系沿x 轴以速度v 运动,光源 s 位于y ′轴上某点 ,速度 v 和接收器R 到光源s 的连线夹角为θ,而θ角会随时间的改变而变化。相对K ′系静止的光源从K ′系的

1

t '时刻开始发出一列光波 ,这个波列发射的截止

时刻为2t ',于是在 K ′系中此波列发射时间为(2t ' - 1t ') ,在这段时间内发射的波长

个数为N ,即光源的频率为:

12

t t N f s '-'=

在接收器坐标系 K 中来看 ,此波列发射始于 1t 时刻 ,相应这一时刻光源位于

1

S 处 ,此扰动以光速c 向接收器传过来,传到接收器要用一段时间 1r / c ,所以接收

到这个扰动的时刻是:

c r t 1

11+

=τ 。

在K 系中来看 ,该波列发射截止于2t 时刻,相应这一时刻光源位于图中S2处 ,从1t 到2t 这段时间内光源沿x 轴方向移动了)

(12

t t v -距离。设)

(12

t t '-'

很小,即)

(12

t t -很小 ,以致这段时间内角θ基本上不变。因此:

θ

cos )(1212t t v r r -+=。

y

y'

v

视线方向

1

s

θ

2

s

1

r

d θ

R

O x O' x'

K 系 K'系

图1

2

t 时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为

θ

τcos )(1212222t t c

v c

r t c

r t -=

+

=+

=

接收器R 收到这N 个波共用的时间为:

)

cos 1)((1212c

v t t θττ+

-=-

根据时间的相对性:

2

2

12121c

v

t t t t -'-'=

-

根据接收器测得的频率可得:

)

cos 1)((112

2

2

c

v t t c v

N f D θ+'-'+=

这就是光学多普勒效应的公式,式中的v 是光源和接收器之间相对速的绝对值,θcos v 是光源速度v 在视线方向上的投影。如果相对运动发生在接收器和光源的连线上 ,这种情况下上面的光多普勒效应公式化简为:

s

D f v

c v c f +-=

这种特殊情况下的多普勒效应称为纵向多普勒效应。 如果相对运动发生在接收器和光源的垂直方向上，则

s

D f c

v f 2

21-

=

这种特殊情况下的多普勒效应称为横向向多普勒效应。当c

v 很小时，横向多普

勒效应比公式近似为

s D f c v f ])(211[2

-

=

比较可见，同样的速度下，横向频移比纵向频移小的多，一般实验中很难观察横向多普勒效应。1960年，科学家通过用γ射线(穆斯堡尔效应)做实验，才证实了光的横向多普勒效应的存在。

在近代技术中光纵向多普勒效应有着广泛的应用]

3[。常用于测量运动物体视线速度 ,例如雷达向飞机发射已知频率的电磁波并接收回波 ,由回波与发射波频率之差可测定出飞机以多大的速度接近雷达。同理 ,观测人造卫星发射的电磁波的频率变化 ,可以判断卫星的运动情况 ,测量来自星体的光的多普勒频移可确定星体自转和运动的速度等等。

激光多普勒测速原理

如图2。从激光器L 发出的单色光束 ,经分光板A ,一部分反射到流体的O 处,另一部分透过分光板后再有反射板反射到O 处。这两束光都在流经 O 处的杂质微粒上发生散射(有时需在流体中人为掺入某种细小杂质)。散射时运动的微粒O 先作为“接收器”感受到入射光,由于随流体一起运动,所以,它接收的频率不等于激光器频率νs 。然 后粒子以“接收”频率发出散射光。第一路入射光AO 和流体速度分量

1

cos αv 方向相同,而第二路光BO 和流体速度分量2cos αv 方向相反(如图3、4所示) ,

所以两种散射光的多普勒频移是不同的 ,其频率分别为1f 和

2

f 。

图3 图4

应用纵向多普勒效应公式 ,由于c v

非常小 ,只取级数展开式的前二项 ,即得:

s

D f c

v f )1(-

=

)

cos 1()

cos 1(2

21

1n

c v f f n

c v f f s s α

α-

=-

=

用光电探测器D 接收OD 方向的散射光,由于OD 垂直于流速,微粒散射的频率为

1

f 、

2

f 的光对探测器 D 不再发生多普勒频移(不考虑横向效应)。探测器接收到的

两束散射光频率之差为:

1

2f f f -=?

流速

f

n v ?=

α

λcos 20

频率相近的两散射光在探测器上相互作用而产生拍现象。光电探测器测出每秒钟光强变化频率 ,即拍频。就可以得到流速。 频移信号的检测

频移信号的检测办法是利用光混频技术，具体过程是将两束频率有一定差别的 光同时用于探测器光敏表面上。由于光电探测器对光频（高达14

10Hz 的频率）不能响应，光电流只与光的电场矢量平方成正比，因此，检测出来的信号按f ?变化的光电流信号。 设入射光场为)

2cos(1111?π+=f A E 和

)

2cos(2222?π+=f A E ，测其混频

电流为

2

21)

(E E k i +=

式中，k 是与光电检测效率有光的常数，称为光电转换系数。经过三角运算，同时由于光频太高，在一个探测器扫描时间内，含有接近光频率的余弦项的幅值平均值为零，可进一步得

)]

2(2

121[

)(212

221

?π?+?++

=ft A A A A k t i

式中，2

1???

-=?，表示相移，f ?是两束光的差频。由此可知，在检测到的光电流

中含有直流电流和交流信号电流，即拍频电流。这样，经过滤波器隔直后，即可测定f ?值。

与普通干涉仪一样，此处亦有零差和外差之分。若入射至物体前，两束光频率相同，称为零差干涉。因为当物体运动速度为零时，0

21f f f ==，输出信号为直流。若入

射至物体前两束光频率不等，相差m

f ，则使物体运动速度为零，两束光混频后输出

的信号频率仍为

m

f ，成为交流信号。前者当物体运动时，多普勒信号可以看成载在

零频上，称为零差；后者是载在一个固定的频率上，称为外差。零差不能判断物体运动的方向，换言之，零差对两个运动频率相同、方向相反的运动会给出相同的测

量结果；而外差则可以区分这一差异，同时可利用与无线电外差技术相同的手段抑制噪声，从而提高信噪比。一般的装置都采用外差技术。

激光多普勒测速基本模式

在激光测速仪中，有三种常见的检测那个基本模式，即参考光模式、单光束-双光束模式和双光束-双散射模式]

4[。 (1) 参考光模式

参考光模式的一种光路布置方案如图5所示，也称为参考光束型光路。频率为0f 的激光束经分束镜1分成两束。一束经透镜4会聚照明被测点Q ，被该处以速度v 运动的微粒向四面八方散射。另一束经滤波片3衰减后也由透镜4会聚于被测点，并

有一部分穿越被测点作为参考光束。

图5

相近的光，其中参考光束频率仍为

f ，散射光发生了多普勒频移，则

f

v ?=

2

sin

2θ

λ

2

21min 2

21max )

(5.0)

(5.0A A i A A i -=+=

当2

1

A A =时，i 具有最佳的强弱对比.图3中，在反射镜2与透射镜4之间加一

个滤光片3来削弱参考光束，目的就在于此。

实现外差检测，在参考光模式中关键是将与照明光取自同一相干光源的一束参考光直接照射到光探测器中，同散射光进行光学外差。

此方式的特点：1、探测位置受限；2、光束准直要求高，参考光与测量光在探测器上要严格重合，故仪器调整和外部环境要求高；3、散射角的角扩散会引起多普勒频差的频带加宽并影响测量准确度，加上孔径光阑虽然可以有效的解决这一问题，但同时降低了接收光强，从而降低了信噪比；4、信号接收距离不受接收透镜焦距的限制；5、适于流体粒子溶度高的测量。

（2）单光束-双散射模式

单光束-双散射模式如图6所示，它是将激光束会聚在透镜焦点处，把焦点处作为被测点。用双缝光阑2从运动微粒Q的散射光中选取以入射轴线为对称的两束，

图6

通过透镜3，反射镜4与分光镜5使之会合到光电倍增管7的光电阴极上，产生拍频。

此方式的特点：可以用来接收两个相互垂直品面的两对散射光，方法是旋转光阑2至两相互垂直位置；2、孔径光阑6的孔径角很小]5[，故光能利用率低，光路对接受方向很敏感，调整较困难，使用不方便。

（3）双光束-双散射模式

这种模式也称为干涉条纹型，特点是利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇集到光电探测器中混频而获得两束散射光之间的频差。如图5所示，被

v与照明光束1、2

测点处微粒Q的运动速度

的夹角不同，Q所接收到的两束光频率不同，光电倍增管4所接收到的两束散射光频率也就不同。

此方式的特点：1、因为此处 与进入光电倍增管的散射光方向无关，使用时可以根据现场条件，选择便于配置光探测器的方向；2、可以使用大口径透镜3收集散射光，充分利用在被测点微粒Q散射的光能量，提高信号的信噪比，比参考光模式提高大约1~2个数量级；3、进入光探测器的双散射光束来自于在被测点交汇的两束强度相同的照明光，不同尺寸的散射微粒都对拍频的产生有贡献，可以避免参考光束型光路中那种因散射微粒尺寸变动可能引起的信号脱落，便于进行数据处理。

双光束-双散射模式在目前激光测速仪中是应用最广的一种光路模式。图7中所示光路按接收散射光的方向，是前向散射光路，光源与探测器居于被测点两侧。实际上，光源和光探测器也可以居于被测点同侧，也可以采用后向散射光路。后向散射的优点是：1、结构紧凑，从待测物体的侧面测量，有利于仪器配置；2、所利用的散射属于反射类型，可用于测量不透明物体的速度分布。但对于常用尺寸的微粒，后向散射所收集的散射光强度只有前向散射所收集光强的百分之一。因此，目前在两种光路均可使用的场合，多用于前向散射光路。

图7

激光多普勒信号处理

包含待测速度信息的多普勒信号是不连续的、变频和变幅的随机信号，信噪比比较小，一般不能用传统的测频仪器进行测量]6[。

常见的多普勒信号处理方法有频谱分析法、频率跟踪法、计数型信号处理法、

滤波器组分析法。光电子计数相关法、扫描干涉法等。目前应用较为广泛的是前三种。

频谱分析法是用频谱分析仪对多普勒信号进行扫描分析，由多普勒信号频谱求得待测的流体流动参数。该方法适合于稳定的流速测量。在流场比较复杂、信噪比很差的情况下，频谱分析仪可以用来帮助搜索信号。

频率跟踪法应用最广泛，是通过频率反馈回路自动跟踪一个具有频率调制的信号，并把调制信号用模拟电压解调出来。频率跟踪器输出的模拟电压能给出瞬时流速和流速岁时间变化过程的情况。

计数型号处理法近年发展较快，其主要工作过程是测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间，由此测出信号频率和对应的微粒瞬时速度。

下表列出了几种型号处理的主要性能。

可否得到瞬时速度可否接收

间断信号

提取微弱信

号能力

典型不确定

度

可测信号频

率上限

频谱分析仪否可好（但费时）1% 1GHz 频率跟踪器可差好0.5% 50MHz 计数型处理器可可差0.5% 200MHz 滤波器组可可很好2%-5% 10MHz 光子相关器否可很好1%-2% 50MHz

血液流速的激光多普勒测试系统

由于被测对象是生物体，光束不易直接进入生物体内部]7[，且要求测量探头尺寸小。光纤光纤测量仪探头体积小，便于调整测量位置，可以深入到难以测量的角落，并且抗干扰能力强，密封型的光纤探头可直接放入流体中使用。光纤测速仪的这些优点正适合于血液的测量。

参考文献

【1】金永君《光多普勒效应及应用》。黑龙江科技学院鸡西 158105.

【2】范志刚、左保军、张爱红《光电测试技术》（第二版）。电子工业出版社。2008. 【3】李正正等《双光束激光多普勒测速系统》。2005年3月第25卷，第3期。【4】陈家壁、彭润玲《激光原理及应用》。电子工业出版社。2008。

【5】武汉水利电力学院激光组《激光多普勒测速的原理、装置及应用》。

【6】毕坤《激光多普勒测速的信号处理应用研究》哈尔滨工业大学，2008。

【7】孙长库、何明霞、王鹏《激光测量技术》。天津大学出版社 2001年。

设计附图及说明

1-检偏器 2-光电接收器 3-光导纤维 4-血管 5-He-Ne激光器上图是血液流速的激光多普勒测试系统的原理图，采用后向散射参考光束型光路，参考光路由光纤端面反射产生。为消除透射镜反光的影响，利用安置与入射激光偏振方向正交的检偏器接收血液质点P的散射光和参考光。