第六章 光電檢測-打印

1、光外差檢測概述光外差檢測概述光外差概述：光外差概述：為了提高光學(xué)測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有為了提高光學(xué)測量的準(zhǔn)確度，七十年代起有人將電通訊的外差技術(shù)一直到光測量領(lǐng)域。發(fā)展了一種光外人將電通訊的外差技術(shù)一直到光測量領(lǐng)域。發(fā)展了一種光外差檢測技術(shù)。差檢測技術(shù)。概念概念：光外差是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率：光外差是指兩相干光束的光波頻率產(chǎn)生一個(gè)小的頻率差，引起干涉場中干涉條紋，經(jīng)光電檢測器將干涉場中的光差，引起干涉場中干涉條紋，經(jīng)光電檢測器將干涉場中的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場的相位差。信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由電路和計(jì)算機(jī)檢出干涉場的相位差。第六章第六章 光外差探測系統(tǒng)光外

2、差探測系統(tǒng) 光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)光外差檢測與直接檢測系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：1. 測量精度高7-8個(gè)數(shù)量級(jí)；2. 靈敏度達(dá)到量子噪聲極限，其NEP值可達(dá)10-20W。3. 可用于光子計(jì)數(shù)。4. 激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重，破壞了激光的相干性，所在外差檢測在大氣中應(yīng)用受限外差檢測在大氣中應(yīng)用受限，在外層空間已經(jīng)達(dá)到實(shí)用階段。5. 外差檢測在高頻（1016Hz）光波時(shí)不如直接檢測有用。而在長波長（近紅外和中紅外波段），光外差檢測技術(shù)就可實(shí)現(xiàn)接近量子噪聲限的檢測。放大器探測器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混直接檢測直接檢測系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為

3、平均光功率系統(tǒng)中，檢測器檢測的光功率為平均光功率P Pcpcp：2cos2122202AttdAPcp顯然光波直接檢測只能測量其振幅值。光外差檢測原理如圖，兩束平行的相干光，經(jīng)分光鏡和可變光闌入射到檢測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場，經(jīng)檢測器變換后，輸出信號(hào)包含差頻差頻信號(hào)，故又稱相干檢測相干檢測。6.1 6.1 光外差檢測原理光外差檢測原理轉(zhuǎn)鏡反射鏡可變光闌線柵偏振器光電檢測器放大器輸出激光器2COsfLfLsff 分光鏡外差檢測實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖，光源經(jīng)過穩(wěn)頻的二氧化碳激光器，由分束鏡把入射光分成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為fL，另一路經(jīng)偏心輪反射，經(jīng)聚焦到可變光闌上作為信號(hào)光束。偏心輪

4、轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為fs?？勺児怅@用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光垂直投射到檢測器上。首先設(shè)入射到檢測器上的信號(hào)光場和本機(jī)振蕩光場分別為： sssstAtfcos LLLLtAtfcos LLLssstAtAtfcoscos那么，入射到檢測器上的總光場為：光檢測器的響應(yīng)與光電場的平方成正比，所以光檢測器的光電流為： _22_22_2_2coscoscoscossLsLLssLsLLsLLLsssLsptAAtAAtAtAtftftfti式中第一、二項(xiàng)為余弦函數(shù)平方的平均值，等于

5、1/2。第三項(xiàng)為和頻項(xiàng)，頻率太高，光混頻器不響應(yīng)，可略去，第四項(xiàng)為差頻項(xiàng)，頻率低得多，當(dāng)差頻信號(hào)(L-s)/2=C/2低于光檢測器的上限截止頻率時(shí)，檢測器就有頻率為C/2的光電流輸出。如果把信號(hào)的測量限制在差頻的通常范圍內(nèi)，則可以得到通過以C為中心頻率的帶通濾波器的瞬時(shí)中頻電流為： sLsLLsCtAAticos中頻濾波器輸出端，瞬時(shí)中頻信號(hào)電壓為： sLsLLLsLCCtRAARtitVcos中頻輸出有效信號(hào)功率就是瞬時(shí)中頻功率在中頻周期內(nèi)的平均值，即：LLsLCCRPPheRVP2_22當(dāng)L-s=0，即信號(hào)光頻率等于本振光頻率時(shí)，則瞬時(shí)中頻電流為： sLLsCAAticos這是外差探測的一

6、種特殊形式，稱為零差探測。6.2.1 6.2.1 光外差檢測可獲得全部信息光外差檢測可獲得全部信息 sLsLLsCtAAticos外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。在直接檢測系統(tǒng)是不可能的。6.2.2 光外差檢測轉(zhuǎn)換增益光外差檢測轉(zhuǎn)換增益G高高光外差檢測中頻輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPheP22在直接檢測中，檢測器輸出電功率為：LsRPheP220兩種方法得到的信號(hào)功率比G為：sLCPPPPG206.2 6.2 光外差檢測特性光外差檢測特性可知，在微弱光信號(hào)下，外差檢測更有用?？芍?，在微弱光信號(hào)下，外差檢測更有用。sLCPPPPG206.2.3

7、 良好的濾波性能光外差檢測中，取信號(hào)處理器通頻帶為f=fL-fs，則只有此頻帶內(nèi)的雜光可進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)造成影響，而其它的雜光噪聲被濾掉。因此外差檢測系統(tǒng)不需濾光片，其效果也遠(yuǎn)優(yōu)于直接檢測系統(tǒng)。例：目標(biāo)沿光束方向運(yùn)動(dòng)速度=0-15m/s，對(duì)于10.6um CO2激光信號(hào) 多普勒頻率fs為：cffLs21通頻帶f1取為：MHzcccffffLLLs3221而直接檢測加光譜濾光片時(shí)，設(shè)濾光片帶寬為1nm，所對(duì)應(yīng)的帶寬，即通頻帶f2=3000MHz?？梢姡獠顧z測對(duì)背景光有強(qiáng)抑制作用。 另：速度越快，多普勒頻率越大，通頻帶越寬。6.2.4 信噪比損失小當(dāng)不考慮檢測器本身噪聲影響，只包含輸入背景噪聲的

8、情況下，外差檢測器的輸入信噪比等于輸出信噪比，輸出信噪比沒有損失。6.2.5 最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件當(dāng)本征功率當(dāng)本征功率P PL L足夠大時(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋鹤銐虼髸r(shí)，本征散粒噪聲遠(yuǎn)超過所有其它噪聲，則上式變?yōu)椋簝?nèi)部增益為內(nèi)部增益為M M的光外差檢測器輸出有效信號(hào)功率為：的光外差檢測器輸出有效信號(hào)功率為：LLsCRPPMheP22檢測系統(tǒng)中檢測器本身的檢測系統(tǒng)中檢測器本身的散粒噪聲和熱噪聲散粒噪聲和熱噪聲是影響最大，難以消除的。則是影響最大，難以消除的。則外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：外差檢測輸出的散粒噪聲和熱噪聲表示為：fkTfRIPPPhee

9、MPLdLBsn422功率信噪比為：功率信噪比為：fkTfRIPPPheeMRPPMheSNRLdLBsLLsp222fhPSNRsp這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比這就是光外差檢測系統(tǒng)中所能達(dá)到的最大信噪比極限，一般稱為光外差檢測的極限，一般稱為光外差檢測的量子檢測極限量子檢測極限或或量量子噪聲限子噪聲限。引入最小可檢測功率（等效噪聲功率）NEP表示，在量子檢測極限下，光外差檢測的NEP值為：fhNEPPs最小在光電直接檢測系統(tǒng)的量子極限為：fhNEP2這里面需要說明的是：直接檢測量子限是在理想光檢測器的理想條件下得到，實(shí)際中無法實(shí)現(xiàn)量子極限的。而對(duì)于光外差檢測，利用足夠的本振光是

10、容易實(shí)現(xiàn)的?？傊瑱z測靈敏度高是光外差檢測的突出優(yōu)點(diǎn)。6.2.5 6.2.5 最小可檢測功率最小可檢測功率內(nèi)增益型光電檢測器件內(nèi)增益型光電檢測器件時(shí)的信號(hào)功率即1SNR為克服由信號(hào)光引起的噪聲以外的所有其他噪聲，從而獲得高的轉(zhuǎn)換增益，增大本振光功率是有利的。但本振光本身也引起散粒噪聲，本振功率越大，噪聲也越大，使檢測系統(tǒng)信噪比反而降低。因此，應(yīng)合理選擇本振光功率，以便得到最佳信噪比和較大的中頻轉(zhuǎn)換增益。spPSNRhf6.2.6 6.2.6 光外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器性能的要求光外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器性能的要求外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器要求一般比直接檢測對(duì)檢測器的要外差檢測系統(tǒng)對(duì)檢測器要求一般比直接檢測對(duì)

11、檢測器的要求高得多，主要如下：求高得多，主要如下：1.1. 響應(yīng)頻帶寬響應(yīng)頻帶寬。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢。主要是因?yàn)椴捎枚嗥绽疹l移特性進(jìn)行目標(biāo)檢測時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至測時(shí)，頻移的變化范圍寬，要求檢測器的響應(yīng)范圍要寬，甚至達(dá)上千兆達(dá)上千兆HzHz。2.2. 均勻性好均勻性好。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏。外差檢測中檢測器即為混頻器，在檢測器光敏面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在面上信號(hào)光束和本振蕩光束發(fā)生相干產(chǎn)生差頻信號(hào)，為達(dá)到在光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求檢測器的光電性能在整光敏面不同區(qū)域相同的外差效果，要求

12、檢測器的光電性能在整光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。光敏面上都是一致。特別是跟蹤系統(tǒng)的四象限列陣檢測器。3.3. 工作溫度高工作溫度高。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如。在實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，工作溫度無嚴(yán)格要求。如果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測器。果在室外或空間應(yīng)用時(shí)，要求選工作溫度高的檢測器。6.3 6.3 影響光外差檢測靈敏度的因素影響光外差檢測靈敏度的因素在本節(jié)內(nèi)容中，只考慮光外差檢測的空間條件和頻率條件對(duì)靈敏度的影響及改善方法。其它因素可參閱書籍。6.3.1 光外差檢測的空間條件（空間調(diào)準(zhǔn)）放大器探測器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示

13、意圖分光鏡可變光闌光頻混 sLsLLsCtAAticos 信號(hào)光和本振光的波前在光檢測器光敏面上保持相同的相位關(guān)系，才得式： 實(shí)質(zhì)上，由于光的波長比光檢測器面積小很多，混頻作用是在一個(gè)個(gè)小面積元上產(chǎn)生的，即總的中頻電流是每個(gè)小微分面元所產(chǎn)生的微分電流之和，顯然要使中頻電流達(dá)到最大，這些微分中頻電流要保持恒定的相位關(guān)系。即要求信號(hào)光和本振光的波前是重合的。即是說必須保持信號(hào)光和本振光在空間上的角準(zhǔn)直。 下面就考慮一下信號(hào)光與本振光皆為平面波時(shí)，波前不重合時(shí)對(duì)光外差檢測的影響。 設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為設(shè)信號(hào)光束和本振光束之間夾角為，且信號(hào)光束的波陣面，且信號(hào)光束的波陣面平行于光敏面時(shí)，如圖

14、。平行于光敏面時(shí)，如圖。xz信號(hào)本振檢測器l設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場為：設(shè)信號(hào)光束和本振光束的光場為： LLsstjLLtjsseAtfeAtf,那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不那么本振光束到達(dá)光敏面時(shí)，在不同點(diǎn)同點(diǎn)x處有不同的波前，即不同的處有不同的波前，即不同的相位差相位差 。相位差等于光程差和。相位差等于光程差和波數(shù)之積。即：波數(shù)之積。即：xxLsin2式中，式中，sin2L，并認(rèn)為折射率，并認(rèn)為折射率n=1。于是本振光波可表示為：于是本振光波可表示為： xtjAtfLLLLexp則檢測器上則檢測器上x點(diǎn)的響應(yīng)電流為點(diǎn)的響應(yīng)電流為dxxtAAdiLscLscos則整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為則

15、整個(gè)光敏面總響應(yīng)電流為22sincoscosllLscLsALscLstAAdxxtAAid12sin2ll從式中可知，當(dāng)從式中可知，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，即即 時(shí)，中頻電流時(shí)，中頻電流i最大。最大。22sinll即可得外差檢測的即可得外差檢測的空間相位條件空間相位條件為：為：2sinLlLsin即：即：lLarcsin顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角顯然：波長愈短或口徑愈大，要求相位差角愈小，愈難滿足外愈小，愈難滿足外差檢測的要求。差檢測的要求。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測。說明紅外光比可見光更易實(shí)現(xiàn)光外差檢測。例：本振光波長為例：本振光波長為1微米，檢測器光敏面長度為微米，檢測器光敏面

16、長度為1mm，則，則0.32mrad（0.018度）。度）。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，穩(wěn)頻的CO2激光器做外差檢測實(shí)驗(yàn)，當(dāng)激光器做外差檢測實(shí)驗(yàn)，當(dāng)2.6mrad時(shí)，時(shí)，才能看到清晰的差頻信號(hào)。才能看到清晰的差頻信號(hào)。這個(gè)角度也被稱為失配角。這個(gè)角度也被稱為失配角。放大器探測器sf信號(hào)光束Lsff 光束本振Lf光外差檢測原理示意圖分光鏡可變光闌光頻混如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，如圖，要形成強(qiáng)的差頻信號(hào)，必須使信號(hào)光束和本振光束必須使信號(hào)光束和本振光束在空間準(zhǔn)直得很好。在空間準(zhǔn)直得很好。背景雜散光來自各個(gè)方向，背景雜散光來自各個(gè)方向，絕大部分的背景光不與本振絕大部分的背景光不與本振光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明

17、顯的差光準(zhǔn)直，即不產(chǎn)生明顯的差頻信號(hào)。頻信號(hào)。因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好因此外差檢測在空間上能很好地抑制背景噪聲。具有很好的的空間濾波性能空間濾波性能。但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比但是嚴(yán)格的空間條件也使調(diào)準(zhǔn)兩光束比較困難。較困難。問：問：“如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時(shí)，如果兩光束是平行的，但與光檢測器呈一定角度時(shí)，對(duì)中頻電流有沒有影響對(duì)中頻電流有沒有影響”？dD斑直徑衍射限光pD敏面直徑探測器光本振光束rD直徑會(huì)聚透鏡信號(hào)光束r解決方法：解決方法：如圖結(jié)構(gòu)稱為如圖結(jié)構(gòu)稱為聚焦光束聚焦光束外差結(jié)構(gòu)外差結(jié)構(gòu)，即用聚焦透，即用聚焦透鏡降低空間準(zhǔn)直要求。鏡

18、降低空間準(zhǔn)直要求。這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于這種結(jié)構(gòu)本質(zhì)上相當(dāng)于把不同傳播方向的信號(hào)把不同傳播方向的信號(hào)光束集中在一起。光束集中在一起。 理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍理論分析證明，如果用聚焦透鏡聚焦到衍射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場角射限，這時(shí)的失配角可由系統(tǒng)的視場角r來決定。來決定。經(jīng)過推導(dǎo)，失配角經(jīng)過推導(dǎo)，失配角r與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：與透鏡，光敏面參數(shù)有如下關(guān)系：rdpDDD44. 2例：波長為例：波長為1um，l為為0.1mm（檢測器直徑），由上知失配角（檢測器直徑），由上知失配角0.32mrad，如，如采用會(huì)聚透鏡，孔徑采用會(huì)聚透鏡，孔徑Dr=10cm(在光外差檢測系統(tǒng)中

19、，作為接收天線的會(huì)聚透在光外差檢測系統(tǒng)中，作為接收天線的會(huì)聚透鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距鏡，這個(gè)孔具有代表性）。取焦距f=100cm，可求得視場角，可求得視場角r=1mrad。6.3.2 光外差檢測的頻率條件為獲得靈敏度高的光外差檢測，要求信號(hào)光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。光外差檢測的物理光學(xué)的本質(zhì)是兩束光波疊加后產(chǎn)生干涉的結(jié)果。這種干涉取決于信號(hào)光和本振光束的單色性。因此為獲得單色性好的激光輸出，必須選用單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器作為光外差檢測光源。信號(hào)光和本振光存在著頻率漂移，使光外差檢測系統(tǒng)的性能變壞。是因?yàn)轭l率差太大可能超過中頻濾波帶寬，中頻信號(hào)不能正常放大。因此在光外差檢測中，

20、需要采用專門措施穩(wěn)定信號(hào)光和本振光的頻率。1、激光光源：He-Ne氣體激光器，頻寬達(dá)103Hz，相干長度可達(dá)300km(相干長度如何定義)2、干涉系統(tǒng)：邁克爾遜干涉原理，位移-測量臂；3、光電顯微鏡：給出起始位置。實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)測長度或位移的精密瞄準(zhǔn)，使干涉儀的干涉信號(hào)處理部分和被測量之間實(shí)現(xiàn)同步。4、干涉信號(hào)處理部分：光電控制、信號(hào)放大、判向、細(xì)分及可逆計(jì)數(shù)和顯示記錄等。6.4.1 6.4.1 激光干涉測長儀激光干涉測長儀如圖，主要有幾部分組成：激光器NeHe光電計(jì)數(shù)器顯示記錄裝置邁克爾遜干涉儀可移動(dòng)平臺(tái)待測物體光電顯微鏡光束光束激光束BS測量光束2和參考光束1相互疊加干涉形成干涉信號(hào)。其明暗變化

21、次數(shù)直接對(duì)應(yīng)于測量鏡的位移，可表示為：2 NL6.4 6.4 光外差檢測系統(tǒng)舉例光外差檢測系統(tǒng)舉例L2M1M光束光束激光器器數(shù)計(jì)逆可234567891011121314151611、激光器；2、透鏡；3、小孔光闌；4、透鏡；5、反射鏡；6、反射棱鏡；7、位相板；8、角錐反射棱鏡；9、分束鏡；10、角錐反射棱鏡；11、透鏡；12、光闌；13、光電檢測器；14、透鏡；15、光闌；16、光電檢測器光闌3形成一種空間濾波器，減小光源中雜散光的影響。到達(dá)角錐反射棱鏡10的作為干涉儀的參考臂。而角錐反射棱鏡8作為測量臂。光學(xué)元件7稱為位相板，使通過光路的部分光束產(chǎn)生附加位相移動(dòng)，使光電檢測器13和16接收

22、到的干涉信號(hào)在位相上相差/2。光路中，采用角錐棱鏡代替了平面反射鏡作為反射器，一方面避免了反射光束反饋回激光器對(duì)激光器帶來不利影響；另一方面由于角錐棱鏡具有“出射光束與入射光束的平行不受棱鏡繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的影響”的特點(diǎn)。實(shí)用的激光干涉測長儀的簡化光路實(shí)用的激光干涉測長儀的簡化光路干涉測長的光路布局和光學(xué)倍數(shù)干涉測長的光路布局和光學(xué)倍數(shù) 一個(gè)角錐棱鏡結(jié)構(gòu) 雙程干涉儀 立方分光棱鏡 光學(xué)倍頻布局干涉信號(hào)的方向判別與計(jì)數(shù)原理紋條涉干光電接收光電接收波形變換前置放大波形變換前置放大倒相倒相微分微分微分微分器數(shù)計(jì)逆可機(jī)算計(jì)子電器示顯度長系統(tǒng)移相sincos1243反向sinsincoscos1234正向辨向原

23、理：正向移動(dòng)時(shí)，辨向原理：正向移動(dòng)時(shí)，四路信號(hào)依次相差四路信號(hào)依次相差9090度，度，順序?yàn)轫樞驗(yàn)?3241324若反向移動(dòng)，若反向移動(dòng)，接收信號(hào)依然相差接收信號(hào)依然相差9090度，度，但順序?yàn)榈樞驗(yàn)?4231423，由后面的，由后面的邏輯電路可以判斷，進(jìn)行邏輯電路可以判斷，進(jìn)行辨向處理。辨向處理。同時(shí)，由于一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成同時(shí)，由于一個(gè)周期的干涉信號(hào)變成四個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖被細(xì)分，每四個(gè)脈沖信號(hào)，計(jì)數(shù)脈沖被細(xì)分，每個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表個(gè)計(jì)數(shù)脈沖代表1/41/4條紋的變化，則條紋的變化，則所測位移長度為：所測位移長度為：8 NL激光測速的激光測速的原理原理是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多

24、是：是測量通過激光束的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到粒子速度。測得了粒子的速度，也就是流動(dòng)的速度。度。測得了粒子的速度，也就是流動(dòng)的速度。激光測速的最主要的激光測速的最主要的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)流動(dòng)沒有任何擾動(dòng)，測量是對(duì)流動(dòng)沒有任何擾動(dòng)，測量的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是的精度高，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。上速度測量精度最高的儀器。6.4.2 6.4.2 激光多普勒測速激光多普勒測

25、速Laser Doppler Velocimeter光電倍增管放大屏信號(hào)電源光源2L聚焦透鏡粒子流動(dòng)1L透鏡分束鏡多普勒測速原理基本光路原理圖光源：穩(wěn)頻后的單模激光光源測速原理：測速原理：激光光束的光強(qiáng)分布為高斯分布，在透鏡L1后的焦點(diǎn)附近高斯光束束腰的波前為平面波，兩光束在焦點(diǎn)附近空間范圍內(nèi)相交得到平行的干涉條紋；而在遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的空間范圍相交干涉條紋為弧形。干涉條紋間距為2sin12iAB光源觀察者等光程平面干涉條紋波面1A1B2A2Bii2fxzyzyyx條紋模型條紋模型測速原理：測速原理：2sin12i1A1B2A2Bii2干涉條紋的空間頻率（單位長度內(nèi)條紋明暗對(duì)數(shù)）為：2sin21ifA

26、B光源觀察者等光程平面干涉條紋波面當(dāng)散射粒子在平行干涉條紋的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，散射的光波強(qiáng)度隨干涉場及流速面變化，若顆粒運(yùn)動(dòng)速度為，運(yùn)動(dòng)方向與條紋垂線的夾角為（如圖），則顆粒散射的光強(qiáng)頻率為：cos2sin2cosvvffsi輸出波形分析：輸出波形分析：在光電倍增管上接收到的輸出信號(hào)是一種包絡(luò)波形，包絡(luò)與光在光電倍增管上接收到的輸出信號(hào)是一種包絡(luò)波形，包絡(luò)與光強(qiáng)分布及粒子大小有關(guān)。包絡(luò)的形成是因?yàn)楣獍咧泄鈴?qiáng)的分布強(qiáng)分布及粒子大小有關(guān)。包絡(luò)的形成是因?yàn)楣獍咧泄鈴?qiáng)的分布為高斯型。包絡(luò)的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包為高斯型。包絡(luò)的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包絡(luò)的頻率。絡(luò)的頻率。速度信

27、號(hào)的獲取（頻譜分析法、頻率跟蹤法）速度信號(hào)的獲?。l譜分析法、頻率跟蹤法）頻率跟蹤法頻率跟蹤法獲得瞬時(shí)流速獲得瞬時(shí)流速外差信號(hào)外差信號(hào)VLL的差頻頻率的差頻頻率f0經(jīng)過中頻放大器放大，輸出經(jīng)過中頻放大器放大，輸出信號(hào)到頻率鑒別器。鑒頻器信號(hào)到頻率鑒別器。鑒頻器輸出特性如圖，信號(hào)頻率偏輸出特性如圖，信號(hào)頻率偏離離f0時(shí)，壓控振蕩器跟蹤信時(shí)，壓控振蕩器跟蹤信號(hào)頻率的瞬時(shí)變化。號(hào)頻率的瞬時(shí)變化。sVLVLLV混頻器放大器中頻頻率鑒別器壓控振蕩器積分器sLfff0特點(diǎn)：非接觸測量，精度高，用于血流速測量。特點(diǎn)：非接觸測量，精度高，用于血流速測量。ffVf0fO激光多普勒測速的特點(diǎn)激光多普勒測速的特點(diǎn)

28、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 空間分辨率高 流速測量范圍寬 測量精度高激光多普勒測速的應(yīng)用激光多普勒測速的應(yīng)用 管道內(nèi)水流流層研究； 流速分布亞音速或超音速氣流旋流的測量 大氣遠(yuǎn)距離測量； 風(fēng)速測量 可燃?xì)怏w火焰的流體力學(xué)研究； 水洞、風(fēng)洞和海流測量車燈亮度全自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。車燈亮度全自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一般汽車前燈都有強(qiáng)弱二檔，按規(guī)定，汽車在晚上行一般汽車前燈都有強(qiáng)弱二檔，按規(guī)定，汽車在晚上行駛?cè)缬鰧?duì)面有車駛來，須將車燈打至弱檔，以免對(duì)方司機(jī)眩目而造成撞車事故。然而，駛?cè)缬鰧?duì)面有車駛來，須將車燈打至弱檔，以免對(duì)方司機(jī)眩目而造成撞車事故。然而，由于種種原因，有些司機(jī)很難做到這一點(diǎn)因而晚間事故時(shí)有發(fā)生。由于種種原因，有些司機(jī)很難做到這一點(diǎn)因而晚間事故時(shí)有發(fā)生。車燈亮度全自動(dòng)控制系統(tǒng)由光電傳感器和單片微機(jī)車燈亮度全自動(dòng)控制系統(tǒng)由光電傳感器和單片微機(jī)(或計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)) 系統(tǒng)組成，根據(jù)入射光系