激光多普勒测速..

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2.激光多普勒测速的光路模式
图中所示是参考光模式，激光经分光镜分成两束光，其中一束是弱 光用作参考光，另一束是强光用作照射光束， 它们聚焦到测量区。光电 检测器接受参考光， 同时接受另一束照射光束经过粒子散射在同一方向 上的散射光，它们在光电检测器件中进行光外差，从而得到多普勒频移。 为了使参考光和散射光强度基本相近，必须使参考光减弱。通常参考光 束和照射光束的光强比为1：9左右，这里可以用中性滤光片来减弱参考 光，或者选择合适的分光镜的分光比来实现。
f D f S fo fo 1

u (es e0 ) c
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u (es eo )
当入射光、散射光和速度方向布置成如图所示的那样，就可以 得到简单的多普勒平移表达式：
fD
2 sin / 2

uy
图2 多普勒测速特殊布置 图中θ为入射光方向与接收光方向的夹角，粒子的速度投影到该夹 5/23 角一半的垂直线方向上即得到 u y 。

图1 运动粒子的散射光
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根据相对论，运动微粒P接收到的光波频率fP与光源频率fo之间的关系为

f P f o (1
u e0 ) c
静止的光检测器接收到粒子散射光的频率fS为
f S f P (1
u es ) c

光检测器接收到的光波频率与入射光波频率之差称为多普勒频移，用 fD表示，则
特点：双光束一双散射模式是目前应用最广泛的光路模式。它的多普勒 频移只取决于两束入射光方向，而与散射光方向无关，这是该模式的重 要特点。因为光接收器可以放在任意位置，而且可以采用大的收集立体 角以提高散射光功率。入射光系统可制成集成化光学单元， 大大提高了 9/23 光学系统的稳固性和易调准性。
3.激光多普勒测速的信号处理
特点：单光束一双散射模式一般用得较少，它没有明显的优点，可以用它 来接收两个互相垂直平面的两对散射光， 同时测量两个速度分量，而旋转 8/23 双孔光阑到任意角度， 可接收测量平面上任意方向的两个速度分量。
如图所示是双光束一双散射模式，激光经分光镜分成两束强度 相等、互相平行的光束，通过聚焦透镜，会聚于被测点，然后这两 束入射光在同一方向的散射光汇聚到光电检测器中进行外差而获得 多普勒频移。
如图所示是激光多普勒测速系统图，光学系统测量运动物体， 产生多普勒频移信号，光电检测器完成信号的收集及光电转换。但 是，实际上接收到的多普勒信号很小且存在噪声，所以信号要进行 放大和滤波等处理。根据多普勒信号的特点， 己研制出多种信号处 理系统，如：频谱分析仪、频率跟踪器、计数型处理机、F—P扫描 干涉仪、滤波器组、光子计数相关法、快速傅里叶变换。
光外差
光波的频率：5×1014 Hz 多普勒频移：108~109 Hz
直接检测散射光的光频，这种方法的典型分辨率为5MHz， 对于大多数的低速测量，将超出光电检测器的响应频率。
ห้องสมุดไป่ตู้
当来自同一个相干光源的两束光波按一定条件投射到光电 检测器表面时，通过光电转换的平方律效应可得到它们之间的 频差。这个频差就是所需要的多普勒频移，其它与光频接近或 更高频率信息都因远远超过光电检测器的频率响应被滤去。这 就是光外差，或称为光混频。利用光电检测器来收集散射光， 就能把光学多普勒频移变为电流的变化，然后采用各种电路对 信号进行处理，就能取得速度信息。
图7 频率跟踪原理图
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光电检测器与光电效应
图8 完整的光电检测电路
图9 光电检测器模块结构框图
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半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般 情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电 性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以 将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。 当入射光的能量hѵ≥Eg (Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光 子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的 电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于 光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。
r ----费米能级
图10 不同材料能带分布图
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4.激光多普勒测速的技术应用
激光多普勒测速具有许多优点，它广泛地应用于空气动力学和流体力 学，用来测量风洞、水筒、水工模型、射流元件等各场合中流体的流场分 布和有关的物理参量，它也适用于边界层流体的测量和二相流的测量。近 来， 已能测量亚音速、超音速喷气流的速度，所以被用来研究喷气过程、 燃烧过程，为燃气轮机、气缸、锅炉、原子能反应堆等方面的设计研究提 供了实验数据和测试结果。
图6 测量系统框架图
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频率跟踪是目前性能较优，在国内外使用最广泛的信号处理机， 其最大优点是可用于信噪比较低的场合， 同时可以得到实时速度信 息。频率跟踪法是应用一个闭环负反馈信号跟踪系统实现信号的连续 实时测量，其原理如图6所示。多普勒信号首先经过滤波、放大电路 后，滤掉低频信号，获得信噪比较高的纯净的多普勒信号，然后输入 到频率跟踪电路， 由其中的压控振荡器输出瑞引出方波频率信号， 由高线性F/V转换电路转换为线性模拟电压，再由A/D转换。
激光多普勒测速技术
姓名： 学号： 学院：能源与动力工程 专业：工程热物理
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主要内容
1.激光多普勒测速的基本原理
2.激光多普勒测速的光路模式 3.激光多普勒测速的信号处理 4.激光多普勒测速的技术应用
5.扩展光束型多普勒测量系统
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1.激光多普勒测速的基本原理
光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间存在相对运动时， 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。 运动粒子P以速度u 通过测量区域时，粒子相对于入射光来说是 运动的，即光源静止，接收器运动；而相对于光电探测器来说，运 动粒子的散射光相对于探测器是运动的，即光源运动，接收器静止。
特点：参考光模式的光学单元具有结构紧凑、调节方便和使用灵活的优点。
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图中所示是单光束一双散射模式， 一束人射激光束直接聚焦于测量点 上，该入射光束在两个不同方向上散射，两束散射光进行光外差而得到多 普勒频移。如图3所示，两支对称的散射光束通过置于大透镜前的双孔光阑， 其余的散射光则被遮挡住，然后，两支散射光被光束分离器结合成单光束， 然后在光电检测器中进行光外差。