激光多普勒测速光纤光路

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激光多普勒测速技术..

统和信号处理器方面有了很大的发展。光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。（3）1981年至今。在此期间，应用研究得到快速发展。
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

（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0），观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f= f0
（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动
(u=0，v 0)，观察者接收到的频率为观察者背离波源取负号。
f
V v

(1

v V
)
f
0
（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（
这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的干涉。在观察时间内，P点平均光强为：
I 1

Id
0

E021

E022

2 E01 E02
1

cosd
0
பைடு நூலகம்
如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规
则地变化，多次经理0~2之间的一切值，则，
1

0
cosd
intensity points
DL
F
1
0 1/e 2 z
x
y
X
Transmitting System
Z
Y X Intensity
Distribution
Z Measurement Volume Y
Measurement Volume
Length:
4F

z

E
DL
sin
2

5-9 激光多普勒流速仪测速
1．概述-激光特性与应用
激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性）而著称。因为普通光源向4立体角发散，而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立体角单位面积的输出功率就特别大。

激光多普勒测速仪介绍(LDV)讲解

激光多普勒测速仪
1 激光多普勒测速仪概念
激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry，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（Laser Doppler Anemometer，LDA，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV的。

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。

激光多普勒测速

激光多普勒测速1.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，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事，航空，航天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等领域[1-2]。

激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在于非接触测量，线性特性，较高的空间分辨率和快速动态响应，采用近代光-电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。

由于上述潜在的独特功能，激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具。

激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段[1-3]。

第一个阶段是1964 – 1972 年，这是激光测速发展的初期。

在此期间，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便；第二个阶段是1973 – 1980 年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了很大的发展。

光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。

从1980年到现在，激光测速进入了第三个阶段。

在此期间，应用研究得到快速发展。

在发表的论文中，有关流动研究的论文急剧增加。

多维系统，光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平，使用调整更加方便。

此外，半导体激光器的应用是其小型化成为可能，推动激光多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。

激光的多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础，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[1]。

激光多普勒测速仪介绍(LDV)

激光多普勒测速仪1 激光多普勒测速仪概念激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry)，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（Laser Doppler Anemometer，LDA)，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV)的。

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。

图1 德国elovis激光多普勒测速仪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。

图2 激光多普勒测速仪基本原理图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。

Dantec 激光多普勒测速仪(LDA)原理说明书

The probe and the probe volume.激光多普勒测速仪（LDA ）原理简介激光多普勒测速仪是Dantec 公司最先采用多普勒原理，对一维到三维流动速度和粒子浓度进行同步、无接触实时测量的世界顶尖测量仪器。

它可以对以超音速、几乎静止不动或环流湍流中作反向流动的特性进行测量。

原理由布拉格单元输出的两束强度相同的光，其中一束被加了一个频移。

这两束光通过聚焦进入光纤，然后被传输到探头。

这些光经过一个聚焦透镜在探测体内相交于一点。

在探测体内，由于光的干涉现象，光的强度被调整而产生干涉条纹。

干涉条纹的距离是由激光的波长和两光束的角度决定的：()2/sin 2θλτ=d当流体流过探测体时，流动速度信息来自于流体中所带的微小“播种”粒子的散射光。

散射光中包含了一个多普勒频移，它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例，X 轴的分量如图所示。

光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉冲。

多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率分析（诸如快速傅立叶变换）确定多普勒频率。

干涉条纹的距离提供了粒子运动距离的信息；多普勒频率提供了时间信息；由于速度等于距离除以时间，即距离乘以频率，从而可以获得粒子的速度信息。

值得说明的是，Dantec 公司的LDA 系统可以很容易得升级成用于两相流动测量的相位多普勒测量系统（PDA ）Doppler frequency to velocity transfer function fora frequency shifted LDA systemAir vortex measured by FlowExplorer流体速度和湍流测量——FlowExplorer激光多普勒测速仪精确的流体速度测量FlowExplorer是一个高集成度高精度的激光多普勒（LDA）流体测量系统，可用于流体和湍流的研究。

FlowExplorer系统可以测量单一速度分量或者同时测量两个方向的速度分量。

激光多普勒测速讲解

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
12
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。
光的频率
νs
4
差频法测速
可分为两类：参考光束型多普勒测速：检测散射光和入射光之间的频移（多普勒频移）；双散射光束型多普勒测速：检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）。
5
参考光束型多普勒测速
图6-32所示为参考光束型测速方法的光路的原理图
设 Ei (t ) 和 ES (t ) 分别表示参考光和散射光的电矢量的瞬时值则
3
静止接收器上接收到的运动微粒散射光的频率
如图6-31所示，因此在S处接收到的散射光的频率应为 υ es υ ei υ es νs νQ (1 ) νi (1 )(1 ) c c c υ νi (es ei )νi c 常采用差频法测量多普勒频移。即将入射光与散射光混频，两束光“混频”产生的拍频信号的频率就是多普勒频移。图6-31 S处接收到的微粒Q散射

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。

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比度越高。
关键词：激光多普勒零差检测；光功率损耗；信号对比度
中图分类号：ＴＮ２文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５２０．６０４
ＦｉｂｅｒｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｆｏｒｌａｓｅｒＤｏｐｐｌｅｒｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
ＨａｏＤｏｎｇｊｉｅＷａｎｇＫｅｎｉｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ ’ ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ ’ ａｎ７１００２１，Ｃｈｉｎａ）
Ｉ
己口Ｉ７年－ｑ月第］６卷第３期
理论与方法
激光多普勒测速光纤光路＊
郝冬杰王可宁
（西安工业大学光电工程学院西安７１００２１）
摘
要：为了解决全光纤激光多普勒零差检测光路存在的光能量损耗大、干涉图对比度低、信噪比低等问题，比较了３种全光
ｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｉｇｕｒｅｃｏｎｔｒａｓｔ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓ，
纤激光多普勒零差检测光路。分析并计算了３种光路中各光纤无源器件的光功率总损耗，设计了３种光路的对比性实验，采
用光功率计和插回损仪实测了３种光路光的光功率；观测３种光路光电探测器输出的干涉波形，并且计算了干涉图对比度。
结果表明，分析计算结果和实验实测结果吻合，光路中光能量损耗越低，输出的多普勒信号幅值越大，信号信噪比就越高，对
ｐａｓｓｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｔｈｅｔｏｔａｌｌＯＳＳａｎｄｔｈｅｏｖｅｒａｌ１ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｌｉｇｈｔｐａｔｈｏｆｌｉｇｈｔ，ｓｏｍｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆ
ｔｈｒｅｅｌｉｇｈｔｐａｔｈｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｏｐｔｉｅａｌｐｏｗｅｒｍｅｔｅｒａｎｄｐｌｕｇ－ｉｎｒｅｔｕｒｎｌＯＳＳｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｄｆｏｒｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｏｐｔｉｃａｌ
ｐａｔｈｏｆｌｉｇｈｔｐｏｗｅｒ；ＴｈｒｏｕｇｈｏｂｓｅｒｖｉｎｇｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｏｆБайду номын сангаас ｌｉｇｈｔｐａｔｈｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍ，ａｎｄｃａｌ —
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅａｌｌｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｄｏｐｐｌｅｒｈｏｍｏｄｙｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙｌＯＳＳ，ｉｎｔｅｒｆｅｒ — ｅｎｃｅｆｉｇｕｒｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｃｏｎｔｒａｓｔａｎｄｌｏｗｓｉｇｎａｌ — ｔＯ－ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐａｒｅｓｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆａｌｌ～ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒＤｏｐｐｌｅｒｈｏｍｏｄｙｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｐｔｉｃａｌｐａｔｈ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｆｏｕｒｌｉｇｈｔｐａｔｈａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｏｆｅａｃｈｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ
ｔｈｅｏｐｔｉｃａ１ｐａｔｈｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓｉｓ１ｏｗｅｒ，ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｄｏｐｐｌｅｒｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｔｕｄｅｇｒｅａｔｌｙ，ｓｉｇｎａｌｔｈｅｈｉｇｈｅｒｓｉｇ —