激光多普勒测速
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。
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[仅供参考]
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激光在工程中的应用
激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制 造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密 测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于 测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测 角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激 光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激 光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显
通过双曝光将两幅粒子场记录在同一 块胶片或干版上，
再利用逐点分析或全场分析求出粒子 对的位移场，最后转换成速度场。
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当流速很快时，可用连续片光照 明，用高速摄影机拍摄一系列粒 子图。
再通过相关运算求出位移场，进 而求出各粒子场的速度。
散斑法只能记录一个平面内的粒 子场速度信息。
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光学速度测试技术具有测量灵敏 度高，不干扰流场等优点，有着 很强的应用前景。
光学测速技术主要有全息干涉法、 散斑照相法、激光多普勒测速法 和激光双焦点测速法等。
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2. 全息干涉测速法
在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用 双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄 相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。 利用再现粒子场的实像图，求出粒子 对间的位移大小和方向，再由 v=s/t求出速度场。
§8.2 激光多普勒测速法(LDV)
60年第一台氦-氖激光器诞生，64年 世界上就出现了激光多普勒测速仪。 20多年来，激光多普勒测速技术有了 很大的发展，这是测量技术上的一个 重大突破。
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多普勒测速是通过检测流体中运动微粒 散射光的多普勒频移来测定速度的。
激光多普勒测速属于非接触测量，激光 作为测量探头不干扰流场。
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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。
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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]。
下文中将详细介绍。
2.激光多普勒测速原理
在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差（或称频移）来获得速度信息。
这里存在着光波从（静止）光源（运动）微粒（静止）光检测器三者之间的传播关系。
当一束具有单一频率的激光照射到一个运动微粒上时，微粒接受到的光波频率与光源频率会有差异，其增减的多少与微粒运动速度以及照射光与速度方向之间的夹角有关。
如果用一个静止的光检测器来接收运动威力的散射光，那么观察到的光波频率就经历了两次多普勒效应。
下面来推导多普勒总频移量的关系式。
设光源o ，运动微粒P 和静止光检测器S 之间的相对位置如图1所示。
照射光的频率为0f ，粒子P 的运动速度为U 。
根据相对论变换公式，经多普勒效应后粒子接收到的光波频率为：
(1) 式中：0e 是入射光单位向量；c 是介质中的光速。
当0*U e << c 时，可得近似式为：
这就是在静止的光源和运动的粒子条件下，经过一次多普勒效应的频率关系式。
运动的微粒被静止的光源照射，就如同一个新的光源一样向四周发出散射光。
当静止的观察者（或光检测器）从某个方向上观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动，接收到的散射光频率又会同粒子接收到的光波频率不同，其大小为： 式中，s e 是粒子散射光单位向量。
括号中 *s U e 取正号时因为选择s e 由粒子指向光检测器。
它与光源频率之间的差值叫做多普勒频移： 式中：λ是介质中的激光波长。
由上式可知，如果已知光源，粒子和光检测器三者之间的相对位置，就能确定速度U 在0()s e e -方向的投影大小。
图1. 光源，微粒和光检测器之间的相对位置
'020*1**1()U e c f f U e c
-=-'00**(1)U e f f c
=-*'*(1)s s
U e f f c =+001
|*()|
D s s f f f U e e λ=-=-
3.激光多普勒测速基本模式
激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。
但可见光波的频率
通常在1014 Hz 左右，而有实用意义的多普勒频移最高也不过108 - 109 Hz。
因为常用的光电器件不能响应光波的频率，直接检测对探测器的光电器件性能要求太高，所以基本不用。
光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。
利用同一相干光源的两束光按一定条件投射到光检测器上，进行干涉并通过光电转换器的平方率效应（即光强变化）得到其频差，这就是所需要的多普勒频移。
其他与光频接近或更高的的频率信息都因为远远超过光电器件的频率响应而被滤去。
在激光测速中有三种常见的外差检测基本模式：参考光模式，单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
3.1 参考光模式
将一束参考光直接照射到光检测器上，同散射光束进行光学外差。
这束参考光必须取自同一个激光源，但并不一定要与照射光束相交。
之所以使它通过测量点并与照射光相交是出于光学上的调准方便，这样可以比较容易实现参考光束与散射光束的共轴对准。
这种光路模式叫做参考光模式。
图3.1 参考光模式
图3.1（a）所示情况下，测得的速度分量垂直于照射光束同参考光束交角的平分线，这一平分线通常也就是入射光学单元的光轴。
图3.1(b)所示的布置，可以实现并行于光轴速度分量的测量。
由上图可知，参考光模式的结构简单，但其光路对准很麻烦。
3.2 单光束- 双散射模式
这种工作模式利用一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频
移。
将一束经过聚焦的光束照射到流体中，在与系统轴线对称的两个方向上收集粒子的散射光。
当这两束光合成时，他们波前的相对相位取决于粒子到各收集光阑的距离。
所以，当粒子运动穿过光束时，这两束散射光束干涉相长或相消，导致载光阴极上得到以多普勒频率脉动的光强。
这个系统除了能在两个互相垂直平面中利用收集到的一对散射光测量两个瞬时速度分量以外，与条纹模式相比没有明显的优点。
光学装置如图3.2
图3.2 单光束 – 双散射模式光路
入射光束在12,s s e e 两个方向上的散射光频率分别是 10101
*()s s f f U e e λ=+-，
20201
*()s s f f U e e λ=+-。
将这两个方向的散射光汇集在一起，在光检测器中进行光学外
差，可得到多普勒频移 12121|*()|D s s s s f f f U e e λ=-=-。
可见，单光束 – 双散射模式仅利用一束入射光，多普勒频移只决定于两束散射光的方向，而与入射光的方向无关。
但由于两束散射光由探测器接收，而多普勒频移与散射光的散射角直接相关，所以精度要求越高的情况下，探测器的收集立体角要求越小。
3.3 双光束 – 双散射模式
这种模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇聚到光电探测器中进行外差而获得多普勒频移。
双光束或条纹系统应用两束等强度的相交光束，在它们的相交体积中得到一组条纹图形。
每个离子穿过条纹图形时，光电检测器上的散射光强度发生强弱的变化，变化率与速度成正比，如下图3.3.1 所示
（a ）垂直光轴方向速度测量 （b ）平行光轴方向速度测量
图3.3.1 双光束 – 双散射模式
光束1和光束2在同一方向的散射光的频率分别为：10011
*()s s f f U e e λ=+-，
20021*()s s f f U e e λ
=+-。
所以两者相干频差（即多普勒频移）为：1201021
|*()|D s s f f f U e e λ=-=-。
可见，双光束 – 双散射模式的频移只决定于两束入射光方向，而与散射光方向无关。
从而可以采用大的收集立体角以提高散射光功率。
综上所述，在实际应用中，双光束–双散射因为收集立体角较大，对探测器响应速度较低而得到广泛发展。
下文将重点介绍双光束- 双散射系统的原理图，具体装置如下图3.3.2所示。
激光发射出激光信号，经分束器分成均匀等大的两束信号光，再经传输透镜聚焦到运动物体上，相干散射，产生多普勒频移信号，再经接收透镜接收，经透镜聚焦到探测器上，探测器将光信号转换成电信号，传输到频率与相位信号处理器进行处理，最后经显示器显示。
参考文献：
[1]沈熊，激光多普勒测速技术及应用[M]，北京：清华大学出版社，2004;
[2]Julien Perchoux，Thierry Bosch，Multimode VSCELs for selfmixing velocity measurements[C]，2007 IEEE sensors，2007：419-422；
[3]。