激光多普勒测速和激光测距分析解析
激光多普勒测速技术..
福建农林大学交通学院 2007级物流管理2班 徐建福
激光多普勒测速技术的原理
激光测速的原理大致是这样：激光束 射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的
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散射中心。 被测流体要有一定的透明度，管道要有透明 窗口。
激光多普勒测速技术的特点
尽管如此，这种测速方法所具有的优越性，使它在许多场合成为一种
必不可少的检测手段。多年的研究使多普勒测速仪技术得以迅速发展，从
不能辨别流向到可以辨别流向，从一维测量发展到多维测量，围绕这一技 术的基本原理、设计方法和应用技术，学者们曾在有关杂志及重大国际会 议上发表了许多论文。早在七十年代就有重要著作面世，而且它的应用面 也不断扩大，从流体测速到固体测速，从单相流到多相流，从流体力学实 验室速度场测量到实际上较远距离的大气风速测量，从一般气、液体速度 测量到人体血管中血流速度测量，其应用范围有了极大的扩展。反过来， 各类应用对这一测速技术及测速仪器也提出许多更新更高的要求。
频率改变了，通过光电装置测出频率的变
化，就测得了粒子的速度，也就是流动的
速度。
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激光多普勒测速技术的原理
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激光多普勒测速技术的原理
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激光多普勒测速技术的特点
优 点
速度方向的灵敏度好 测量精度高
空间分辨率极高，测量量程大 属于非接触测量，动态响应快
激光多普勒测速技术的特点
（1）属于非接触测量：激光束的交点就是测
激光多普勒测速技术
学院：机械工程学院
激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术激光多普勒测速，简称LDV or LDA ，通常是用来进行流体速度的测量，所以也简称LD 。
多普勒频移由于观察者和被观察者之间有相对运动，使观察者接收到的光波频率发生变化的现象，称Doppler 频移。
例如，一个光源相对于观察者以速度v 运动，速度v与光源到观察者联线（即光传播方向）之间的夹角是θ，而光源发出频率为0ν的光波，在观察者看来，由于存在着相对运动，观察者接收到的光频率为：21/2102(1)/(1cos )v v ccννθ=--0(1cos )v cνθ+其中，c 是光在介质中的传播速度，0/c c n =.在检测中，我们通常用一个位置固定的光源照射一个运动的粒子，用一个位置固定的探测器来接收运动粒子散射的光波来探测粒子的运动速度。
如图所示，粒子以速度v 运动，速度v与粒子和光源联线的夹角是1θ，光源频率为0ν，则在粒子看来所接收的频率是 21/21012(1)/(1cos )v vc cννθ=-- 探测器与粒子联线和粒子速度v21/22122(1)/(1cos )v v ccννθ=--考虑到粒子速度比光速小得多，则可以求得散射光的多普勒频移的表达式为：2012(1(cos cos ))v cννθθ++频率检测多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量20D ννν=-，即可求得物体的运动速度。
但是，由于光的频率太高，迄今尚无直接测量光频率的可能，故而通常采用光混频技术，用混频后的差频信号来获取多普勒频移量。
设一束待测的散射光的频率为'ν，而另一束参考光的频率为ν，光探测器分别接收到它们的电场（振幅）强度为：QQS1011cos(2')E E t πνϕ=+ 2022cos(2)E E t πνϕ=+将两束光在探测器表面处混频后，得到的合成电场强度为：12011022cos(2')cos(2)E E E E t E t πνϕπνϕ=+=+++光强度为22122011022222201102201021222220110220102120102()(cos(2')cos(2))cos (2')cos (2))2cos(2')cos(2)cos (2')cos (2))cos(2('))co I E E E E t E t E t E t E E t t E t E t E E t E E πνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπννϕϕ==+=+++=++++++=++++++++12s(2('))t πννϕϕ-+-实际测得的是光强度的时间平均值222010*********cos(2('))22I E E E E E t πννϕϕ<>=<>=++-+-在光探测器上输出的电流值是22010********()()cos(2('))2i t k E E kE E t πννϕϕ=++-+-其中，k 是电流转换系数，是一个确定的比例常数。
激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术王素红多普勒效应多普勒效应是由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象。
由澳大利亚物理学家J. Doppler1842年发现的。
声波的多普勒效应在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高变低。
为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低。
这种现象称为多普勒效应。
为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好像波被压缩了。
因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被拉伸了。
光波的多普勒效应当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。
当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。
它又被称为多普勒-斐索效应，是因为法国物理学家斐索（1819—1896）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。
光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。
如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。
20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。
1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度υ与距地球的距离r成正比，即υ = Hr, H 为哈勃常数。
根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小。
由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物. 因而1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。
激光测速讲解
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环形激光精密测角
Sagnac效应：利用一种环形干涉仪，当环形干涉仪转动时，沿顺时 针方向传播和沿逆时针方向传播产生的光程差，测量该光程差引起的 干涉条纹变化，达到测角的目的。
1 1 L 1 t cw dl 2 r dl 2 c c c c r dl
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双散射光束型多普勒测速
双散射光束型测速方法是通过检测在同一测量点上的两束散射光的多普 勒频差来确定被测点处流体的流速的。如图6-33所示为干涉条纹型。
(es ei1 )νi c υ ν ( e Ds i 2 ei1 )νi υ c νs 2 νi (es ei 2 )νi c νs1 νi νDs
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光纤陀螺
光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个 圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为：
L D N
L2 S 4 4N 2
D 2
光程差则可以表示为
L
4SN LD c c
提高测角精度的方法：加大直径、增加圈数。 实用的环形激光测角采用光纤陀螺仪。
t ccw
L 1 2 c c
r dl
图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应
二者之差为
t 2 r dl 2 2 c t 2 1 c S r dl 2
4S 2 4S r d l r d l L tc c2 c2 c
Ei t Ei exp j2νit i
ES t E S exp j2νS t S
测绘技术中的多普勒测速与测量方法解析
测绘技术中的多普勒测速与测量方法解析多普勒测速是一种基于多普勒效应原理的测量方法，广泛应用于航空、航天、地震学等领域。
它能够精确地测量目标物体相对于观测者的运动速度，为测绘技术提供了重要的参考数据。
一、多普勒效应在测绘技术中的应用多普勒效应是指当源波与观测者相对运动时，观测者感受到的波的频率与源波的频率之间存在着一定的差异。
在测绘技术中，多普勒效应被应用于测速和运动目标的探测。
通过分析多普勒频移，可以获得目标物体的运动速度和运动方向。
二、多普勒测速的原理和方法多普勒测速的原理是基于多普勒效应，通过测量目标物体散射回的经多普勒频移的信号来确定其运动速度。
多普勒测速可以分为主动多普勒测速和被动多普勒测速两种方法。
1. 主动多普勒测速主动多普勒测速是指在测量中使用特定的雷达或激光器发射出的波束，然后测量反射回来的波束频率的变化。
此方法常用于交通监控和雷达测速领域。
通过测量回波频率的变化，可以计算出目标物体的速度。
2. 被动多普勒测速被动多普勒测速是指在测量中利用目标物体自身辐射出的信号进行测速。
其中最常见的例子就是利用GPS信号来进行车辆的速度测量。
GPS接收器会接收到来自卫星的信号，然后通过解算频率偏移来计算目标物体的速度。
三、多普勒测速的应用领域多普勒测速在测绘技术中有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：1. 航空领域在航空领域中，多普勒测速被用于测量飞机的速度，以及飞机与地面的相对速度。
这对于飞行安全和导航具有重要意义。
2. 航天领域在航天领域中，多普勒测速被用于测量火箭、卫星等太空器的速度和轨道参数。
这对于航天任务的计划和执行至关重要。
3. 地震学在地震学研究中，多普勒测速可以用于测量地震波传播的速度和方向。
通过分析多普勒效应，可以更好地理解地震活动的过程和机制。
四、多普勒测速的挑战与发展尽管多普勒测速在测绘技术中有着广泛的应用，但也面临着一些挑战。
例如，多普勒测速在测量高速运动目标时可能受到多路径效应和多普勒饱和的影响，导致测量误差增大。
激光多普勒测量原理
激光多普勒测量原理激光多普勒测量是一种基于多普勒效应的测量方法，利用激光束与目标物体相互作用后产生的多普勒频移来测量目标物体的运动速度。
激光多普勒测量原理可以应用于多个领域，如气象学、医学、空气动力学等。
激光多普勒测量的原理是基于多普勒效应，即当激光束与运动的目标物体相互作用时，激光光束的频率会发生变化。
当目标物体靠近激光源时，激光光束的频率会变高；当目标物体远离激光源时，激光光束的频率会变低。
这种频率变化与目标物体的运动速度成正比。
激光多普勒测量系统由激光发射器、光学元件、光电探测器和信号处理系统等组成。
首先，激光发射器产生一束单色激光束，然后通过光学元件将激光束聚焦到目标物体上。
当激光束与目标物体相互作用时，光电探测器会接收到反射回来的光信号。
光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，并送入信号处理系统进行处理。
信号处理系统会分析接收到的电信号，并计算出激光光束的多普勒频移。
根据多普勒频移的大小和方向，可以确定目标物体的运动速度和运动方向。
激光多普勒测量系统可以实时测量目标物体的速度，并且可以精确到毫米级。
激光多普勒测量在气象学中的应用是测量大气中的风速。
通过激光多普勒测量系统可以获取到大气中不同高度上的风速数据，从而帮助气象学家进行天气预报和气象研究。
此外，激光多普勒测量还可以应用于医学领域，用于测量血液流速和心脏功能等。
在空气动力学研究中，激光多普勒测量可以用于测量飞行器的速度和飞行姿态。
激光多普勒测量原理的优点是测量速度快、精度高、非侵入性强。
相比于传统的测速方法，激光多普勒测量可以实现对运动物体的高精度测量，并且不会对目标物体造成干扰。
激光多普勒测量技术已经在许多领域得到广泛应用，并且不断发展和完善。
激光多普勒测量原理是一种基于多普勒效应的测量方法，利用激光光束与目标物体相互作用后产生的多普勒频移来测量目标物体的运动速度。
激光多普勒测量在气象学、医学、空气动力学等领域有着广泛的应用前景，并且具有测量速度快、精度高、非侵入性强等优点。
激光多普勒测速实验教程
激光多普勒测速实验教程
一、实验概述
激光多普勒测速实验是一种常用的测速方法，通过测量目标物体表面反射回来的激光光束频率变化，从而得出目标物体的速度。
本实验将介绍激光多普勒测速的原理、实验装置搭建、实验步骤及注意事项。
二、实验原理
激光多普勒效应是指当激光束照射到运动的物体表面时，反射回来的光束频率会因为物体运动而发生变化。
根据多普勒效应公式，可以得出：
$$f_r = f_0 \\cdot \\left(1 + \\frac{v}{c} \\cdot \\cos\\theta\\right)$$
其中，f r为接收到的激光频率，f0为激光发射频率，v为物体运动速度，c为光速，$\\theta$为激光与物体运动方向的夹角。
三、实验装置
该实验所需装置包括： - 激光发射器 - 激光接收器 - 反射镜 - 运动平台 - 计算机
四、实验步骤
1.将激光发射器和激光接收器固定在实验台上，使其间距一定。
2.在运动平台上放置反射镜，调整反射镜位置，使激光光束正好反射回
激光接收器。
3.启动激光发射器，发射激光光束照射到运动平台上的反射镜。
4.记录激光接收器接收到的频率数据，并测量反射镜在运动平台上的速
度。
5.利用多普勒效应公式计算出反射镜的运动速度，与实际测得的速度进
行对比。
五、注意事项
1.实验中需注意激光光束安全，避免直接照射眼睛。
2.反射镜位置调整需准确，确保激光正好反射回激光接收器。
3.实验过程中要小心操作，避免损坏实验装置。
通过本实验，可以深入了解激光多普勒测速的原理与应用，提高实验操作能力和理论水平。
激光多普勒测速实验教程
激光多普勒测速实验教程在科学研究和工程实践中，激光多普勒测速技术被广泛应用于测量目标物体的速度和位移。
本文将介绍激光多普勒测速的基本原理、实验装置搭建步骤和实验操作流程，帮助读者了解该技术的应用和实验方法。
1. 概述激光多普勒测速是利用多普勒效应来测量目标物体相对于激光束的速度的技术。
当激光束照射到运动的物体上，如果物体沿激光束的方向运动，就会出现多普勒频移现象。
通过测量多普勒频移，可以计算出物体的速度和运动方向。
2. 实验装置搭建步骤2.1 材料准备•一台激光器•一个光电探测器•一台信号处理器•一根光纤•一个运动的目标物体2.2 搭建步骤1.将激光器和光电探测器分别固定在实验台上，使激光束可以直线照射到目标物体上。
2.将信号处理器连接到光电探测器输出端。
3.将光纤连接激光器和光电探测器，确保信号传输畅通。
4.调整激光束和目标物体的位置，使其正对光电探测器。
3. 实验操作流程3.1 校准1.打开激光器和信号处理器，初始化设备。
2.调整激光束位置，确保准确照射到目标物体上。
3.根据实验需要，设置信号处理器的参数，包括灵敏度和采样频率等。
3.2 实验操作1.将目标物体放置在激光束前方，并启动其运动。
2.通过信号处理器读取激光多普勒信号。
3.记录和分析信号数据，计算出目标物体的速度和运动方向。
4.反复进行多组实验，验证实验结果的准确性。
4. 结论通过本实验教程的学习，读者可以掌握激光多普勒测速技术的基本原理和实验方法，了解其在速度测量领域的应用和意义。
激光多普勒测速技术在工业、交通等领域具有广泛的应用前景，值得进一步深入研究和探索。
以上是激光多普勒测速实验教程的全部内容，希望对读者对该技术有所帮助。
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 1）声多普勒效应原理 • 声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。 • 设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为v，波长λ=v/f ①声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动 • 设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相 对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声 v v1 v v1 v v1 波的频率为 f ' f v /f v
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 • 当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频 率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。
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激光多普勒测速技术
• 多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在
相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的 声学多普勒效应与波源及观测者 现象就是声学多普勒效应。 相对于介质运动有关，光学多普 勒效应只与光源和观测者之间的 • 爱因斯坦在《论物体的电动力学 》中指出，当光源与观测 相对运动有关，因此，声学（机 者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不 械波）和光学（电磁波）的多普 同，即存在光（电磁波）多普勒效应。 勒效应有本质区别。
r1 1 t1 c
在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻 （光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时 刻为
r2 r1 v 2 t 2 t2 (t 2 t1 ) cos c c c
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理
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激光测距技术
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激光相位测距
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2．激光相位测距技术 1）直接测尺频率 f s c / 2Ls 由测尺量度Ls可得光尺的调制频率 这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测 尺长度直接由测尺频率决定。 若测距仪测程为100km，要求精确到0.01m。如相位测量系 统测量不确定度为1‰，则需要三把光尺，即Ls1 =105m， Ls2 =103m，Ls3=10m，相应光调制频率分别为fs1=1.5kHz， fs2=150kHz，fs3=15MHz 。显然，要求相位测量系统在这 么宽的频带内都保证1‰的测量不确定度很难做到。 所以直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激 光短程相位测距仪。
Photo courtesy of University of Bristol, UK
Measurement of water flow inside a pump model
Photo courtesy of Grundfos A/S, DK
Measurement of flow field around a 1:5 scale car model in a wind tunnel
激光测距技术
A
2π B
• 利用激光进行远距离（几千米）测量的技术，通常有激光相 λ
L 位测距和脉冲激光测距两种。 • 1 激光相位测距 相位的调制波形 • 1．激光相位测距原理 • 相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的。光波从A点 传播到B点的相移可表示为
2mπ 2π(m m)
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激光多普勒测速技术
• 1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射
光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来
确定粒子流动速度。
• 目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力
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。
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激光多普勒测速技术
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激光相位测距
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1．激光相位测距原理
相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数，即只能确定 余数Δm ，而不能确定相位的整周期数m。因此当被测距离 L大于Ls 时，用一把光尺是无法测定距离的。 为能实现长距高准确度测量可同时使用Ls不同的几把光尺 。最短的尺用于保证必要的测距准确度，最长的尺用于保 证测距仪的量程。 目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频 率两种。
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y r1
激光多普勒测速技术
y' s1 r2
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θ s 2
θ D 激光多普勒测速技术基础 O K系 x O' K‘ 系 x' v 1. 多普勒效应 光多普勒效应示意图 2）光多普勒效应原理 • 对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以， 光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速 度的大小。如图示。 K'系中静止的光源从K'系的t1'时刻开始发出一列光波，这 个波列的发射截止时间为t2'，于是在K'系中此波列发射的 时间为（t2' － t1' ），在这段时间内发射的波数为N，光 源的频率为
• 实际上，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移
是不可能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即测量靶 标），使从测距仪发出的光波经靶标反射再返回到测距仪， 由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。
L
2
(m m) Ls (m m)
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激光测距技术
v f f 2 f1 f s (cos 2 cos 1 ) c/n
因 c f s 0 则得
1 ，若 2
f v
0
2n cos
f
于是，流速为
v
2n cos
0
测量出探测器 上的拍频信号， 就可以得到Δf， 也就可以得到v
多维流速的测量
1D速度需要1对光束， 2D速度则要2对光束， 2对光束通常做在一个激 光头内，且两对光束平面正交。 3D速度则要3对光束。 通常由一个1D激光头和一 个2D激光头组成，调节两者之 间的相对位置，可测得理想的 三维速度。
3D激光多普勒测速仪
Measurement of air flow around a helicopter rotor model in a wind tunnel
Photo courtesy of Mercedes-Benz, Germany
Measurement of wake flow around a ship model in a towing tank
Photo courtesy of Marin, the Netherlands
Measurement of air flow field around a ship model in a wind tunnel
N fs t 2 't1 '
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y r1
激光多普勒测速技术
y' s1 r2
11
θ
s2
激光多普勒测速技术基础 θ D 1. 多普勒效应 O O' x' K系 x K‘ 系 v 2）光多普勒效应原理 • 在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于 t1时刻（光 光多普勒效应示意图 源在S1处），接收这个波列的时刻是
观测者D收到这N个波共需时
v cos 2 1 (t2 t1 )1 c
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激光多普勒测速技术 根据时间相对性
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 • 观测者接收光波的频率为
fD N 2 1
c2 v2 fD fs c v cos
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 1. 多普勒效应 2）光多普勒效应原理 • 若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cosθ＝±1（远 离时取1，接近时取－1）： 同样的v值下，横向多普 cv 纵向多普勒效应 勒效应比纵向多普勒效 fD fs cv 应要小很多。 若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则 cosθ＝0 v2 横向多普勒效应
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激光测距技术
•
在进行几公里的近程测距时，如果测量不确定度要求不 高，即使不用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反 射取得反射信号，也可以进行测距。 目前，脉冲激光测距方法已获得了广泛的应用，如地形 测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫 星、地球到月球距离的测量等。
则，频率为
v v f ' f ' (v v2 )T v v2 v f ' f v v2
v
同理，声源背离观测者运动有
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激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术基础 观测者向着声源 运动时，取正号； 1. 多普勒效应 反之取负号 1）声多普勒效应原理 ②声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1 综合上述情况，可以得到： 总之 v v1 当声源和观测者相向运 f ' f v v2 动时，接收频率升高； 强调： 当声源和观测者背离运 声学只有纵向多 动时，接收频率降低； 普勒效应，没有 横向多普勒效应 声源向着观测者 运动时，取负号； 反之取正号
• 若光从A点传到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离
L ct c
2πf
(m m)
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λ A L
Δλ
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激光测距技术
• 激光相位测距
B L
A′
• 1．激光相位测距原理
• 只要测出光波相移中周期2π的整数m和余数Δm，便可由公