激光多普勒测速技术的应用
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原理及其应用
激光多普勒测速技术原理及其应用作者：陈益萍来源：《电子世界》2013年第07期【摘要】激光多普勒测速仪（简称LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。
本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。
在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。
所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。
二十世纪六十年代，激光器得以发明。
激光的出现大力地促进了各个学科的发展。
由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。
伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、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、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。
激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应3.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
激光多普勒测速和激光测距分析解析
fD 1
c
2
fs
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激光多普勒测速技术
L
D
S R
激光多普勒测速技术基础 2. 激光多普勒测速原理 1）多普勒测速原理 • 如图。由于v/c非常小，只取 级数展开的前两项，即
α1 Q
α2
v
激光多普勒测速原理图
v f D 1 f s c
考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量 v cos1 , v cos 2
Photo courtesy of University of Bristol, UK
Measurement of flow around a ship propeller in a cavitation tank
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激光测距技术
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脉冲激光测距
•
脉冲激光测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时 间上相对集中、瞬时功率很大（一般可达到兆瓦级）的 特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测 程。
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激光多普勒测速和激光测距
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目 录
• 激光多普勒测速技术
• 激光多普勒测速技术基础 • 激光多普勒测速技术应用
• 激光测距技术
• 脉冲激光测距
• 相位激光测距
2018/10/20
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激光多普勒测速技术
• 概述 • 1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形
式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的 运动会使频率发生变化——多普勒效应。
观测者D收到这N个波共需时
v cos 2 1 (t2 t1 )1 c
2018/10/20
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术
激光相位多普勒技术是一种用于测量目标速度的高精度光学测量方法。
它基于多普勒效应和激光干涉原理，常用于测速、运动检测和遥感等领域。
以下是关于激光相位多普勒技术的一些基本原理和应用：
基本原理：
多普勒效应：
多普勒效应是指当光源和观测者相对运动时，光的频率发生变化。
对于激光相位多普勒技术，激光被用来照射目标，目标反射的光发生多普勒频移，该频移与目标速度成正比。
相位测量：
利用激光干涉原理，测量目标反射光的相位差。
相位差与多普勒频移相关，通过测量这个相位差可以确定目标的速度。
激光干涉：
激光被分成两束，一束直接照射到目标，另一束经过光程延迟器后照射到目标。
两束光在目标处发生干涉，产生干涉图样。
目标的运动导致了相位差的变化，通过测量这个相位差可以计算目标的速度。
高精度测量：
激光相位多普勒技术具有高精度和高分辨率的优点，适用于需要非常精确速度测量的应用，如气象雷达、交通监控、激光雷达等领域。
应用领域：
气象雷达：
用于测量大气中的风速。
激光相位多普勒技术可以提供对风场的高分辨率测量，用于气象研究和天气预测。
交通监控：
用于测量车辆的速度，可应用于交通管理、高速公路监控等领域。
激光雷达：
在激光雷达中，激光相位多普勒技术可用于测量目标的速度，常用于军事、安防和导航系统中。
医学影像：
在医学成像中，激光相位多普勒技术可用于测量血流速度，常应用于超声血流仪等设备。
总体而言，激光相位多普勒技术在需要高精度速度测量的各种应用中发挥着重要作用，提供了一种非常灵敏和精准的测量手段。
激光多普勒效应在测速技术上的应用
激光多普勒效应在测速技术上的应用1842 年，奥地利科学家Doppler Christian Johann 首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler 频移。
1905 年，爱因斯坦证明了在光波中也存在多普勒效应。
1960 年，第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。
Ye h 和Cummins 在1964 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速(LDV)。
多普勒效应是LDV 测速方法实现的理论基石。
任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化。
奥地利科学家多普勒(Doppler)于1842 年首次研究了这个现象：当观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。
爱因斯坦1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。
1964 年Ye h 和Cummins 首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。
激光多普勒测速(LDV, Laser Doppler Velocimeter) 技术是一种非接触式测量技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系)得到流体或者固体的运动速度。
它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米)，获得分辨率为20～100 微米的极高的测量精度。
从原理上讲，LDV 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。
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(LDV)与粒子成像测速(PIV)的应用
图像采集和 速度场计算
由一台基于微机的控制器完成
通过改变PI V 系统的延迟时间, 得到不同喷雾时刻的速度矢量图。
实例4：柴油机燃油喷射雾化的PIV 测量试验研究
PIV 通过CCD 和采集卡, 获得粒子图像.
在喷雾液滴的两相流场内, 由于粒 子像太多, 不能用跟踪单个粒子轨 道的方法( PTV) 来获得速度信息.
3.LDV与PIV测量原理
激光多普勒测速原理
微粒接受到的光波频率与光源频率会
有差异，差异大小同微粒运动速度的
单一频率的激光照射 大小和照射光与微粒速度方向之间的
运动微粒
夹角有关。
微粒以一定速度穿过时
接收散射光的多普 频移获得微粒速度
若微粒速度与流体团速度 一致，则可以获得该点的 流场速度。其关系如下：
Satoru Sasak i等运用自相关PIV 技术, 从曝光图像中得到了喷雾 周围的空气流动速度。研究结果显示, 喷射开始后喷油嘴周围的空 气被喷雾前端向外挤压, 随后流速向相反方向进行。 M iyazak i等将PIV 技术成功应用到水平管内螺旋气固两相流粒子 运动, 实验中包括用粒子群获得的高密度图象模型来得到速度, 对单 个粒子的追踪来得到低密度粒子数。
激光多普勒测速（LDV）与粒子 成像测速（PIV）在柴油机流场
特性方面的应用
报告主要内容
1. 意义与背景 2. 国内外研究现状 3. LDV与PIV测量原理 4. 实例应用介绍 5. LDV与PIV测试方法对比 6. 适用范围 7. 影响测试精度因素与测量误差分析 8. LDV与PIV局限性 9. LDV与PIV展望 10.参考文献
激光多普勒测速技术应用于浓缩燃烧器湍流流场的测量：在煤粉 浓缩燃烧器中加入示踪颗粒,利用激光多普勒测速技术对湍流流场 的速度场及湍流参数进行测量研究,通过自动数据采集及处理分析 系统,获得不同钝体结构的煤粉浓缩燃烧器的速度及湍流强度分布。
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。
激光多普勒测速
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如图5-3所示，两束平行的、相干细光 束在透镜后焦点形成相交区，该相交 区称为控制体。
在控制体中存在着明暗相间的干涉条 纹，由几何关系可得条纹间距df为:
d f
2 sin 2
(5-9)
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首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零 的单色光波的叠加
测器方向的单位向量。
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• (5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到
：
fS
f0
(1
e0
c
)
1
veS c
f0 1
v(eS e0 ) c
(5-3)
光检测器接收的光波频率与入射光波 频率之差叫多普勒频差或频移。
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f多D 普勒fS频移f用0 fD表f0示v(：eSc e0 )
18
声学中的多普勒现象
当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时， 你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高； 相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛 声变得低沉，即笛声频率变低。 这种因波源和观察者相对于传播介质的 运动而使观察者接收到的波源频率发生 变化的现象叫多普勒效应。
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如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设 波源相对于 介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运 动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速 度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。
9
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。
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激光多普勒显微镜光路图
用于血液流速测量的光纤 激光多普勒测速仪原理图
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激光多普勒血流仪
激光多普勒可以监测整个微循环系统的血液灌注量，包括毛细血管（营养血流）、 微动脉、微静脉和吻合支。该技术基于发射激光通过光纤传输，激光束被所研究 组织散射后有部分光被吸收。击中血细胞的激光波长发生了改变（即多普勒频 移），而击中静止组织的激光波长没有改变。这些波长改变的强度和频率分布与 监测体积内的血细胞数量和移动速度直接相关。通过接收光纤，这些信息被记录 并且转换为电信号进行分析。
激光多普勒测速技术的应用
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。 激光多普勒测速有其突出的优点： 1）属于非接触测量，激光会聚点作为测量探头不干扰流场，也可很方便地 在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量； 2）不需要流动校正； 3）不取决于温度、密度和流体成分等其他物理参数，仅对流速敏感； 4）取出量与速度成线性关系； 5）测量速度方向的灵敏性好； 6）动态响应快，测速范围广等。 但也有其局限性，例如： 1）需要示踪粒子，示踪粒子要与流体一起运动； 2）价格较贵； 3）被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。 激光多普勒测速应用很广：可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通 道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。
6
该仪器由AT3010和AT3100组成， AT3010是将激光束照在振动物体 上，然后将反射光会聚，进行O/E 转换的装置，AT3100是速度解调 装置。
超音速风洞中激光测速
激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造， 其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由 于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心。因此在风洞中必须掺入少 量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激 光多普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统 进行了测量，获得了很好的结果。
3
管道内水流的测量 双散射型测量光路
图 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图
4
激光多普勒测振仪
激光多普勒测振仪简化了测量系统 ，是将激光束照射在被测物体上， 由于多普勒效应，反射光的频率随 着物体振动速度而发生偏移。反射 光与参考光在同一空间位置上发生 干涉，两束光的频率差就是所产生 的拍频，通过O/E转换对这束脉冲 光进行频率检波，检出物体振动的 速度和频率成分。