閆光緒激光多普勒測速

1、 激光多普勒測速原理及應(yīng)用激光多普勒測速原理及應(yīng)用電子信息學(xué)院電子信息學(xué)院閆光緒閆光緒 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)多普勒：多普勒：C. Doppler， 1803-1853 奧地利物理學(xué)家奧地利物理學(xué)家1、現(xiàn)象（、現(xiàn)象（1842年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)）：當(dāng)汽）：當(dāng)汽車或者火車向你駛來時，感覺車或者火車向你駛來時，感覺音調(diào)變高；當(dāng)汽車或者火車離音調(diào)變高；當(dāng)汽車或者火車離你遠(yuǎn)去時，感覺音調(diào)變低（音你遠(yuǎn)去時，感覺音調(diào)變低（音調(diào)由頻率決定，頻率高音調(diào)高；調(diào)由頻率決定，頻率高音調(diào)高；頻率低音調(diào)低）。頻率低音調(diào)低）。2、多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)：由于波源和觀察者之間有：由于波源和觀察者之間有相對運相對運動動，使觀察者，使觀察

2、者感到頻率變化感到頻率變化的現(xiàn)象，稱為的現(xiàn)象，稱為多普勒效多普勒效應(yīng)。應(yīng)。 非相對論性多普勒效應(yīng)非相對論性多普勒效應(yīng)運動和頻率的關(guān)系列表運動和頻率的關(guān)系列表波源的運動波源的運動情況情況觀察者運動觀察者運動情況情況頻率的關(guān)系頻率的關(guān)系波源靜止波源靜止觀察者靜止觀察者靜止觀觀察察者者接接收收頻頻率率等于等于波波源源的的頻頻率率波源靜止波源靜止觀察者觀察者向向波波源運動源運動大于大于波源靜止波源靜止觀察者觀察者遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離波源運動波源運動小于小于波源波源向向觀察觀察者運動者運動觀察者靜止觀察者靜止等于等于波源波源遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離觀觀察者運動察者運動觀察者靜止觀察者靜止小于小于相對論性多普勒效應(yīng)相對論性多普勒效應(yīng)

3、一、實際上，當(dāng)觀察者和光源發(fā)生相對運動時，觀察者一、實際上，當(dāng)觀察者和光源發(fā)生相對運動時，觀察者感受到的光的頻率和光源頻率也是不同的，也有類似聲感受到的光的頻率和光源頻率也是不同的，也有類似聲學(xué)中的多普勒效應(yīng)的頻率差。但并不完全相同。不能用學(xué)中的多普勒效應(yīng)的頻率差。但并不完全相同。不能用聲學(xué)中多普勒效應(yīng)的公式計算。應(yīng)當(dāng)由愛因斯坦狹義相聲學(xué)中多普勒效應(yīng)的公式計算。應(yīng)當(dāng)由愛因斯坦狹義相對論給出計算公式。因此對論給出計算公式。因此稱光波多普勒效應(yīng)為相對論性稱光波多普勒效應(yīng)為相對論性的多普勒效應(yīng)。的多普勒效應(yīng)。二、二者的不同還表現(xiàn)在二、二者的不同還表現(xiàn)在聲學(xué)多普勒效應(yīng)是聽著感受到聲學(xué)多普勒效應(yīng)是聽著感

4、受到音調(diào)高低的變化。音調(diào)高低的變化。而而光波的多普勒效應(yīng)則讓人感到顏色光波的多普勒效應(yīng)則讓人感到顏色的變化。的變化。激光激光二十世紀(jì)二十世紀(jì)60年代，激光器出現(xiàn)。年代，激光器出現(xiàn)。特點：特點：（1）亮度高）亮度高（2）方向性好）方向性好（3）單色性好）單色性好（4）相干性好）相干性好由于激光單色性非常好，即含有的頻率可看成是單一頻率。由于激光單色性非常好，即含有的頻率可看成是單一頻率。故可用來實現(xiàn)激光測速故可用來實現(xiàn)激光測速6 激光多普勒測速激光多普勒測速l激光多普勒測速的原理：激光多普勒測速的原理：用一束單色用一束單色激光照射到隨流體一起運動的微粒上激光照射到隨流體一起運動的微粒上，測出其散

5、射光相對于入射光的頻率，測出其散射光相對于入射光的頻率偏移，即所謂的多普勒頻移，進(jìn)而確偏移，即所謂的多普勒頻移，進(jìn)而確定流體的速度。定流體的速度。7運動微粒上接收到的光源入射光的頻率運動微粒上接收到的光源入射光的頻率如圖所示，靜止光源s發(fā)出一束頻率為 的單色光，該單色光入射到與被測流體一起運動(速度為 )的微粒O上，l微粒O接收到的光的頻率是頻率為頻率為 的單色光入射到速度為的單色光入射到速度為 的微粒的微粒 Ocvsoff/121rsfvsfv運動微粒上接收到的光源入射光的頻率運動微粒上接收到的光源入射光的頻率 為光源發(fā)出的光波頻率，為光源發(fā)出的光波頻率， 為微粒為微粒O O處的頻率，由于微

6、處的頻率，由于微粒相對于光源運動，故其不等于光源頻率。粒相對于光源運動，故其不等于光源頻率。 是光源傳播是光源傳播方向，方向， 。當(dāng)。當(dāng) 時，時， 可用泰勒可用泰勒級數(shù)級數(shù)展開，忽略二次項及其高次項，則可以簡化為展開，忽略二次項及其高次項，則可以簡化為 ： sfofrcv/cv cvsoff/121r)/1 (cvffsorcv 靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率 由于接收器由于接收器M相對于相對于O點也是運動的，故點也是運動的，故M處接收到的頻率可以處接收到的頻率可以表示為：表示為： )/1)(/1 (cvcvffsMOMsorr 靜止接收器上接

7、收到的運動微粒散射光的頻率靜止接收器上接收到的運動微粒散射光的頻率 對對 做泰勒展開，并忽略做泰勒展開，并忽略高次項得高次項得:這樣，實際接收到的頻率相對于原頻率有一個頻率偏移，只要檢測這樣，實際接收到的頻率相對于原頻率有一個頻率偏移，只要檢測出頻偏就可求出速度。頻偏出頻偏就可求出速度。頻偏)/1)(/1 (cvcvffsMOMsorr)(SOOMMvcfffrr)(1)(SOOMSOrrrrvvcffOMd 差頻法測速差頻法測速可分為兩類：可分為兩類：參考光束型多普勒測速：參考光束型多普勒測速：檢測散射光檢測散射光和入射光之間的頻移（多普勒頻移）；和入射光之間的頻移（多普勒頻移）；雙散射光束

8、型多普勒測速：雙散射光束型多普勒測速：檢測兩束檢測兩束散射光之間的頻差（多普勒頻差）。散射光之間的頻差（多普勒頻差）。 雙光束型多普勒測速雙光束型多普勒測速雙光束型測速方法的光路的原理圖雙光束型測速方法的光路的原理圖兩束強度相同的光照射到兩束強度相同的光照射到P，產(chǎn)生兩，產(chǎn)生兩種頻率的光，兩束頻率不同的光將形種頻率的光，兩束頻率不同的光將形成拍頻信號。成拍頻信號。設(shè)兩束光夾角為設(shè)兩束光夾角為 ，則上式可寫為，則上式可寫為 。 于是于是2 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 血液流速的測量血液流速的測量(詳細(xì)介紹詳細(xì)介紹)內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)流場特性研究內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)流場特性研究對內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計制造有指導(dǎo)意義風(fēng)洞中風(fēng)速測量風(fēng)

9、洞中風(fēng)速測量激光多普勒激光多普勒血液流速的測量血液流速的測量激光器發(fā)出激光經(jīng)光纖傳送到血液，后向散射后經(jīng)光激光器發(fā)出激光經(jīng)光纖傳送到血液，后向散射后經(jīng)光纖傳出，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)光電接收器件，對信號纖傳出，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后到達(dá)光電接收器件，對信號進(jìn)行前置放大后送到頻譜分析儀進(jìn)行分析，得出多普進(jìn)行前置放大后送到頻譜分析儀進(jìn)行分析，得出多普勒頻偏以后就可以計算出血流速度。勒頻偏以后就可以計算出血流速度。激光多普勒激光多普勒血液流速的測量血液流速的測量先把注射針刺入血管，先把注射針刺入血管，然后沿著注射針的中然后沿著注射針的中心心把光纖插入血管。把光纖插入血管。來自光纖的激光碰到來自光纖的激光碰到散射

10、粒子發(fā)生后向散散射粒子發(fā)生后向散射射散射粒子主要是紅血散射粒子主要是紅血球，直徑約球，直徑約7微米。肝微米。肝素是一種抗凝劑，是素是一種抗凝劑，是一種多聚糖。一種多聚糖。激光多普勒血液流速的測量激光多普勒血液流速的測量來自出射端的反射波（頻率來自出射端的反射波（頻率 ）以及散射信號）以及散射信號 一起一起在光纖內(nèi)傳播?；氐狡窭忡R時由光電探測器接收。經(jīng)信號在光纖內(nèi)傳播。回到偏振棱鏡時由光電探測器接收。經(jīng)信號放大后送到頻譜分析儀分析。放大后送到頻譜分析儀分析。0fff0頻譜分析儀頻譜分析儀用來分析光電器件接收到的信號的頻譜，以便確定多用來分析光電器件接收到的信號的頻譜，以便確定多普勒頻偏。普勒頻

11、偏。 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 1.激光多普勒測速屬于非接觸測量。這使得這一激光多普勒測速屬于非接觸測量。這使得這一測量方法不會影響流體場的變化，使得測量的結(jié)測量方法不會影響流體場的變化，使得測量的結(jié)果準(zhǔn)確可靠?？蛇h(yuǎn)距離測量流體場的速度果準(zhǔn)確可靠?？蛇h(yuǎn)距離測量流體場的速度2.2.測速精度非常高。測速精度非常高。目前目前激光多普勒測速精度一激光多普勒測速精度一般情況下可以達(dá)到般情況下可以達(dá)到0.5%1.0%0.5%1.0%之間。之間。3.3.測速范圍廣。目前已經(jīng)能測量測速范圍廣。目前已經(jīng)能測量0.1mm/s0.1mm/s至至2000m/s2000m/s的速度。這是普通測速方法無法做到的。的速度。這是普通測速方法無法做到的。, 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 4.4.動態(tài)響應(yīng)快。是研究湍流、大氣、以及脈動速度的好方動態(tài)響應(yīng)快。是研究湍流、大氣、以及脈動速度的好方法。法。5.5.有較好的方向靈敏性。所以可以方便的測量速度大小的有較好的方向靈敏性。所以可以方便的測量速度大小的同時測量速度方向。同時測量速度方向。但：但：要求被測流體有一定透明度。在純凈的水和空氣進(jìn)行測量要求被測流體有一定透明度。在純凈的水和空氣進(jìn)行測量時，需要人為摻入一些煙塵等合適的微小粒子作為散射