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
激光多普勒测速和激光测距分析解析
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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
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(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。
激光多普勒测速技术的应用
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。
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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。
激光技术在仪器设备中的应用
激光技术在仪器设备中的应用激光技术是一种重要的光学技术，在仪器设备领域有着广泛的应用。
它以其高度准确的激光束和强大的能量密度，使其在科研、医疗、工业生产等领域发挥着重要作用。
本文将介绍激光技术在仪器设备中的应用，并从照明、测量和切割三个方面进行讨论。
一、激光技术在仪器设备的照明中的应用激光技术在仪器设备的照明领域有着广泛的应用。
激光照明具有高亮度、高方向性、窄束宽等特点，能够为仪器设备提供高质量的照明效果。
例如，在显微镜、光刻机等精密仪器中，激光照明能够提供稳定、均匀的光源，使得观测和加工更加准确可靠。
另外，激光技术还可应用于光纤通信设备中的激光器模块。
激光器模块利用激光的高亮度和高调制速度，实现了高速的光信号传输，提高了光纤通信的传输速率和稳定性。
因此，激光技术在仪器设备照明方面的应用对于提升仪器设备的性能和可靠性具有重要意义。
二、激光技术在仪器设备测量中的应用激光技术在仪器设备测量领域广泛应用于距离测量、速度测量等方面。
利用激光测距仪，可以实现高精度的距离测量。
激光测距仪通过发射激光束并测量其返回时间来计算距离，具有高度准确的测量结果和大测量范围的特点。
这种测量技术被广泛应用于建筑工程、地质勘探等领域。
另外，激光多普勒测速仪利用激光技术可以精确测量物体的速度。
激光多普勒测速仪通过测量激光束经过被测物体后的频率变化来计算其速度，具有高灵敏度和快速响应的特点。
这种测速技术在交通安全、气象观测等领域发挥着重要作用。
三、激光技术在仪器设备切割中的应用激光技术在仪器设备的切割领域也有着重要的应用。
利用激光切割技术，可以实现材料的精密切割。
激光切割利用激光束的高能量密度，可以快速、准确地切割各种材料，包括金属、塑料、木材等。
这种切割技术被广泛应用于制造业，例如汽车零部件的切割、电子器件的制造等。
此外，激光技术还可以应用于医疗设备中的手术切割。
激光手术刀在手术中能够实现无接触、无创伤的切割，极大地减少了手术风险和康复时间。
激光多普勒测速
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其中， I 0 E02
当相位差为 的偶数倍时，即（ 2m m=0, 1, 2, …） 时，I 4I0 ，P点光强达到最大值。
当相位差为 的奇数倍时，即（ (2m 1) m=0, 1, 2, …） 时，I 0 ，P点光强达到最小值。
当相位介于这两者之间变化时，P点光强在0和4I0之间变化。
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
2 E01 E02
1
cosd
0
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
对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能 使用小尺寸探头 。
热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流 结构的主要实验工具，但它仅限于低温、 低速、低紊流度、常特性的检测，而且必 须在回流区以外。
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。
c U e0 c2 (U e0 )2
f0
1U e0 / c 1 (U e0 )2
c
f p f0 (1
e0 ) * c
• 式中，e 为入射光方向的单位向 0
量，c为介质中的光速。
• 光检测器接收的粒子散射光频率：
fS
f
p
(1
es
c
)
*
(5-2)
因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。
激光多普勒测速matlab代码
激光多普勒测速是一种非常重要的测速技术，它可以用于测量目标的速度、距离和运动状态。
在工程领域广泛应用于雷达、车载测速仪、医学影像和气象预报等方面。
激光多普勒测速通过检测目标表面反射的激光脉冲信号，利用多普勒效应来计算目标的速度。
本文将介绍激光多普勒测速的原理和相关的matlab代码实现方法。
一、激光多普勒测速原理激光多普勒效应是指当激光束与运动物体相互作用时，由于多普勒频移导致激光波长发生变化。
当激光束照射到物体表面并被反射回来时，如果物体在照射过程中发生了运动，那么反射回来的激光波长就会发生变化，从而可以通过探测这种波长变化来计算物体的速度。
二、激光多普勒测速的matlab代码实现在matlab中实现激光多普勒测速的代码可以分为以下几个步骤：1. 生成模拟的激光脉冲信号```matlabfs = 1000; 采样频率t = 0:1/fs:1-1/fs; 采样时间f0 = 100; 信号起始频率f1 = 200; 信号终止频率s = chirp(t,f0,1,f1,'linear'); 生成线性调频信号```2. 模拟目标运动引起的频率变化```matlabv = 10; 目标运动速度c = 3e8; 光速fD = 2*v*f1/c; 多普勒频移```3. 计算多普勒效应后的信号```matlaby = s.*exp(1j*2*pi*fD*t); 多普勒效应后的信号```4. 进行信号处理和频谱分析```matlabN = length(y); 信号长度f = (-N/2:N/2-1)*fs/N; 频率坐标yfft = fft(y,N); 进行傅里叶变换yfftshift = fftshift(yfft); 进行频率移位figure;plot(f,abs(yfftshift)); 绘制频谱图```经过以上步骤，我们就可以得到模拟激光多普勒测速的matlab代码实现。
通过对生成的激光脉冲信号进行频谱分析，可以观察到多普勒频移的效果，从而实现对目标速度的测量。
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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。
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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。
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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。
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。
➢ 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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Hale Waihona Puke 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
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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。 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。