激光多普勒测速的原理_装置及应用
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
激光多普勒原理(一)
激光多普勒原理(一)激光多普勒什么是激光多普勒？•激光多普勒是一种使用激光技术来探测目标物体相对运动速度的测量方法。
•多普勒效应是指当光源和物体相对运动时，光的频率会发生变化的现象。
•激光多普勒利用多普勒效应原理，通过测量激光的频率变化来计算出目标物体的速度。
原理解析1.激光的发射和接收–使用激光器发射一束单色激光。
–通过透镜将激光聚焦成一束细小的光斑照射到目标物体上。
–反射的激光经过透镜再次聚焦到光电探测器上。
2.多普勒效应的测量–当激光照射到静止物体上时，反射回来的激光频率和发射时的激光频率相同。
–当激光照射到运动的物体上时，反射回来的激光频率会发生变化。
–若目标物体远离光源运动，反射回来的激光频率较发射时的激光频率低，称为红移。
–若目标物体靠近光源运动，反射回来的激光频率较发射时的激光频率高，称为蓝移。
3.计算目标速度–利用多普勒效应的原理，可以通过测量激光频率的变化来计算目标的相对速度。
–通过测量反射激光的频率变化，可以得到目标物体的速度大小和方向。
–根据频率变化的大小和方向，可以判断目标物体是远离还是靠近光源运动，以及速度的快慢。
应用领域•汽车行业：激光多普勒可以用于测量车辆的速度和距离，常用于自动驾驶系统和车辆防撞系统。
•气象学：激光多普勒雷达可以用于测量风速和风向，用于天气预测和气象研究。
•医学领域：激光多普勒可用于测量血流速度和方向，常用于心血管疾病的诊断和治疗。
•航天领域：激光多普勒可以用于测量卫星和火箭的速度和轨道参数，用于航天器的导航和控制。
结论激光多普勒作为一种先进的测量技术，可以准确地测量目标物体的速度和方向。
其原理简单，应用领域广泛。
在各个领域的科研和工程中，激光多普勒都扮演着重要的角色，为人们的生活带来更多便利和安全。
工作原理1.激光的发射和接收–激光器将光能转换为一束单色激光，并通过透镜将激光聚焦成一束细小的光斑。
–光斑照射到目标物体上，并反射回来。
–反射回来的激光再次经过透镜聚焦到光电探测器上，光电探测器将光信号转化为电信号。
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]
![激光多普勒测速[仅供参考]](https://img.taocdn.com/s3/m/185d9808168884868762d6b3.png)
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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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激光多普勒原理
激光多普勒原理
激光多普勒原理是指利用激光束与运动物体相互作用，通过观测散射光的频率变化来测量物体的速度。
激光多普勒原理基于多普勒效应，即当发射源和接收源相对于一个物体运动时，发射源发射的波频率就会相对接收源的观测频率发生变化。
如果物体向激光束的发射源运动，则观测到的频率将比激光频率更高，而如果物体远离发射源，则观测到的频率将比激光频率更低。
基于这个原理，激光多普勒原理可以通过测量散射光的频率变化来确定物体的速度。
当激光束照射到运动物体上时，散射光的频率与物体的速度相关。
测量频率变化后，可以通过多普勒公式计算出物体的速度。
激光多普勒原理被广泛应用于雷达、气象、医学等领域。
例如，它可以用于测量车辆的速度、飞机的速度、天气雷达中测量降雨速度等。
此外，在医学中，激光多普勒原理也被用于血流速度的测量。
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 )
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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。
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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。
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。