激光測速和測距技術(shù)應(yīng)用

激光測速和測距技術(shù)應(yīng)用2思考與討論

當(dāng)奔馳的列車向你駛來，并經(jīng)過你的身旁，而后又離開你駛向遠(yuǎn)方，在這一過程中，你有沒有注意到你耳朵中聽到的列車的鳴笛聲有什么特殊的現(xiàn)象？3生活中的特殊現(xiàn)象

列車靠近時，鳴笛聲越來越尖銳；列車遠(yuǎn)離時，鳴笛聲越來越低吟。是不是列車的擴音器的頻率本身發(fā)生了變化？4生活中的特殊現(xiàn)象

汽車駛近時，行駛的聲音越來越尖銳；汽車遠(yuǎn)離時，行駛的聲音越來越低吟。是不是汽車行駛的聲音的頻率本身也發(fā)生了變化？5生活中的特殊現(xiàn)象

飛機飛近時，轟鳴聲越來越尖銳；飛機飛遠(yuǎn)時，轟鳴聲越來嘶啞。是不是飛機的轟鳴聲的頻率本身也發(fā)生了變化？66.1多普勒效應(yīng)9多普勒效應(yīng)實驗10多普勒效應(yīng)模擬1、觀察者靜止不動，數(shù)經(jīng)過的隊伍中的人數(shù)，每分鐘假設(shè)有30個人經(jīng)過。v測2、當(dāng)觀察者逆著隊伍行走時，數(shù)經(jīng)過的隊伍中的人數(shù)，每分鐘將大于30個人經(jīng)過。v測v測=03、當(dāng)觀察者與隊伍同向行走且速度比隊伍的小時，數(shù)經(jīng)過的隊伍中的人數(shù)，每分鐘將小于30個人經(jīng)過。11多普勒效應(yīng)的成因1、聲源完成一次全振動，向外發(fā)出一個波長的波，頻率表示單位時間內(nèi)完成的全振動的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個數(shù)。2、觀察者聽到的聲音的音調(diào)，是觀察者接收到的頻率，即單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)。3、由于相對運動，聲源的頻率沒有變化，而是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化。12

單位時間內(nèi)波源發(fā)出幾個完全波，觀察者在單位時間內(nèi)就接收到幾個完全波，故觀察者接收到的頻率等于波源的頻率。1、波源和觀察者沒有相對運動時多普勒效應(yīng)的成因2、觀察者朝波源運動時

觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到的頻率增大。3、觀察者遠(yuǎn)離波源運動時

觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)減少，即接收到的頻率減少。13

觀察者感覺到波變得密集，即波長減小，接收到的頻率增大。

觀察者感到波變得稀疏，即波長增大，接收到的頻率減少。1、波源朝觀察者運動時2、波源遠(yuǎn)離觀察者運動時多普勒效應(yīng)的成因141、當(dāng)波源與觀察者有相對運動時，如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者相互遠(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。2、在觀察者運動的情況下，引起觀察者接收頻率的改變，是由于觀測到的波的速度發(fā)生改變（波的波長不變）。3、在波源運動的情況下，引起觀察者接收頻率的改變，是由于觀測到的波的波長發(fā)生改變（波的速度不變）。多普勒效應(yīng)1515v0vs0s波源的振動頻率n觀察者測得的頻率nul一、波源和觀察者相對于介質(zhì)靜止兩個相鄰等相位面之間的距離是一個波長lTuun觀察者所接收的頻率取決于單位時間內(nèi)接收到波長的個數(shù)此時，波的頻率即為波源的頻率。1616二、波源相對于介質(zhì)不動，觀察者相對于介質(zhì)運動1.觀察者向波源運動vvs0sul波源的振動頻率n觀察者測得的頻率n

由此可見，觀察者所接收的頻率大于波源的頻率17172.觀察者以Vo離開波源運動

由此可見，觀察者所接收的頻率小于波源的頻率總之，波源靜止，觀察者以速率Vo運動時

1818三、觀察者不動，波源相對于介質(zhì)運動1.波源向觀察者運動

假定在t時刻，波源處于S點處，經(jīng)一個周期T后，波傳播到D點，波源運動到C點。CSDOv0vssuvsTvsTvsTvsTllll波源的振動頻率n觀察者測得的頻率n1919CSDO由此看見，觀察者所接收到的頻率升高2.波源背離觀察者運動SCDO2020由此看見，觀察者所接收到的頻率降低四、波源和觀察者都相對于介質(zhì)運動即波源運動等效于波長的變化觀察者運動等效于波速的變化SCDO2121波源和觀察者相向運動時，前取正號，前為負(fù)號；波源和觀察者相反運動時，前取正號，前為負(fù)號

頻率改變的原因：在觀察者運動的情況下，頻率改變是由于觀察者觀測到的波數(shù)增加或減少；在波源運動的情況下，頻率改變是由于波長的縮短或伸長。221）觀察者朝波源運動2）觀察者離波源運動1、波源不動，觀察者相對波源運動多普勒效應(yīng)中觀測頻率的計算2、觀察者不動，波源相對觀察者運動1）波源朝觀察者運動2）波源離觀察者運動23

多普勒效應(yīng)是波動過程共有的特征，一切波（如電磁波和光波）都能發(fā)生多普勒效應(yīng)。應(yīng)用1、雷達(dá)測速儀：交通警察向行進中的汽車發(fā)射一個已知頻率的電磁波（通常是紅外線），波被運動的汽車反射回來時，接收到的頻率發(fā)生變化，由此可指示汽車的速度。多普勒效應(yīng)的應(yīng)用24應(yīng)用2、有經(jīng)驗的鐵路工人可以從火車的汽笛聲判斷火車的運動方向和快慢；有經(jīng)驗的戰(zhàn)士可以從炮彈飛行時的尖叫聲判斷飛行的炮彈是接近還是遠(yuǎn)去。應(yīng)用3、用多普勒效應(yīng)測量其它星系向著還是遠(yuǎn)離地球運動的速率。

宇宙中的星球都在不停地運動．測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后跟地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，就可以算出星球靠近或遠(yuǎn)離我們的速度。應(yīng)用4、臨床上應(yīng)用：彩色多普勒超聲診斷系統(tǒng)

醫(yī)生向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度．這種方法俗稱“彩超”，可以檢查心臟、大腦和眼底血管的病變。多普勒效應(yīng)的應(yīng)用25應(yīng)用5、軍事應(yīng)用(E-3“望樓”預(yù)警機)脈沖多普勒雷達(dá)，多譜勒導(dǎo)航儀多普勒效應(yīng)的應(yīng)用261、關(guān)于多普勒效應(yīng)，下列說法正確的是（）A．多普勒效應(yīng)是由于波的干涉引起的B．多普勒效應(yīng)說明波源的頻率發(fā)生改變C．多普勒效應(yīng)是由于波源與觀察者之間有相對運動而產(chǎn)生的D．只有聲波才可以產(chǎn)生多普勒效應(yīng)2、當(dāng)火車進站鳴笛時，我們可聽到的聲調(diào)（）A．變高B．不變高C．越來越沉D．不知聲速和火車車速，不能判斷CA273、以速度u=20m/s奔馳的火車,鳴笛聲頻率為275Hz,已知常溫下空氣中的聲速v=340m/s。⑴當(dāng)火車駛來時,站在鐵道旁的觀察者聽到的笛聲頻率是多少？⑵當(dāng)火車駛?cè)r,站在鐵道旁的觀察者聽到的笛聲頻率是多少？292Hz260Hz4、一個觀察者在鐵路附近，當(dāng)火車駛近時，他聽到的汽笛聲頻率為f1=440Hz，當(dāng)火車駛遠(yuǎn)時，他聽到的頻率為f2=392Hz，在大氣中聲音速度為330m/s，求火車的速度？19m/s28285、靜止不動的超聲波探測器能發(fā)射頻率為100kHz的超聲波。有一車輛迎面駛來，探測器接收到從車輛反射回的超聲波頻率為112kHz。如果空氣中的聲速為340ms1

，試求車輛的行駛速度。

解：超聲波傳向車輛時超聲波反射回探測器時所以解得2929沖擊波ssssssstruvstraas馬赫錐

前面在介紹波源相對于媒質(zhì)運動所引起的多普勒效應(yīng)時，討論了波源速率波速的情況。uvs若，波源就會沖出自身發(fā)出的波陣面，在時間內(nèi)，vsutr它所發(fā)出的波的一系列波面的包絡(luò)是一個圓錐體，稱為馬赫錐。這種波稱為沖擊波。1truvstrsinM2avsua馬赫錐的頂角滿足Mvsu稱為馬赫數(shù)3030高速快艇在其兩側(cè)激起的舷波，超音速飛機飛行生成的聲波，高速子彈飛行激起的聲波等，都屬沖擊波。

沖擊波可使媒質(zhì)的密度、速度和溫度急劇變化，并產(chǎn)生高溫、高壓。聲暴當(dāng)波源的運動速率剛好等于波速時，vsu即，馬赫錐的頂角，錐面變?yōu)槠矫?。ap波源在各時刻發(fā)射的波，幾乎與波源自身共處于同一平面，這時沖擊波的能量非常集中、強度和破壞力極大，這種現(xiàn)

例如，當(dāng)飛機剛好以聲速飛行時，機體所產(chǎn)生的任一振動象稱為“聲暴”。都將尾隨在機體附近，并引起機身的共振，給飛行帶來危險。因此，超音速飛機在飛行時都要盡快越過這道音速的屏障。313132323333343435經(jīng)典多普勒效應(yīng)：經(jīng)典多普勒效應(yīng)對光是不正確的對于光波，有在相對論中，不同的慣性系中波長和頻率將不同，但兩者的乘積恒為c光的多普勒效應(yīng)

為觀察者實測到的光頻率0

為光源的固有頻率一.相對論多普勒頻移公式與空間有關(guān)與時間有關(guān)36*推導(dǎo)(x,y,z

,t)(0,0,0,t*)yx光源觀察者O371.光的縱向多普勒效應(yīng)“紅移”(1)若光源離開觀察者，上式中

取正號，這時l<0

，實測頻率l

小于光源固有頻率0

“藍(lán)移”(2)若光源趨近觀察者，上式中

取負(fù)號，這時l>0

，實測頻率l

大于光源固有頻率0

38例解求一遙遠(yuǎn)的河外星系以很高的速率離開地球退行而去，其譜線發(fā)生紅移。與固有頻率0

相對應(yīng)的波長為

0=434nm

的譜線，地面上觀測記錄的該譜線的波長

=600nm.此河外星系的退行速率。以v表示本題所求的退行速率，以

表示與波長

對應(yīng)的頻率，則有0=c/0

和=c/

，代入縱向多普勒效應(yīng)式，有代入題給數(shù)據(jù)，解得39散射物的多普勒頻移

觀察者靜止位于一個坐標(biāo)原點為的坐標(biāo)系中，在這個坐標(biāo)系中接收電磁輻射

波源靜止于另一個原點為O的坐標(biāo)系中,以光速C在參考系O中移動的平面波為相對運動中參考系之間的坐標(biāo)變換E——系統(tǒng)O中考察點P處的電場強度ν——頻率

r——波沿傳播方向的距離δ——是相位常數(shù)

波源是靜止時坐標(biāo)系中的平面波——波傳播方向和Z軸之間的夾角（1）（2）40（2）代入（1）中有假設(shè)參考系O在x軸上以速度V相對于另一個參考系作移動，利用洛倫茲變換可以得到：其中（3）（4）（5）（6）用表示和ν的關(guān)系，則利用式(6)有

（7）41討論在光源和觀察者相對靜止的情況下，移動物體所散射光的頻移先從光源到移動的物體，然后由物體到觀察者——雙重多普勒頻移

考慮從光源S發(fā)出的頻率為ν的光被物體P散射，在Q處來觀察散射光P所觀察到的頻率由（5）式得該頻率的光又被P重新發(fā)射出來，在Q處接收到的頻率為由（7）得（8）（9）由于v《C,因此（10）（11）—散射角

—速度向量和PB之間的夾角

PB—

PS和PQ夾角的平分線（12）426.2激光多普勒測速技術(shù)

☆屬于非接觸測量，不影響流場分布，可測遠(yuǎn)距離的速度場分布☆測速精度高，一般都可以達(dá)到0.5%—1.0%☆空間分辨率高，可測很小體積內(nèi)的流速☆測速范圍廣，動態(tài)響應(yīng)快☆具有良好的方向靈敏度，并可進行多維測量

436.2.1激光多普勒測速的基本原理光混頻技術(shù)：將兩束頻率不同的光混頻，獲取差頻信號。零差干涉：入射至物體前兩束光頻率相同

外差之分：入射至物體前兩束光頻率不相同Al,A2—兩束光在探測器上的振幅—分別為兩束光的初始相位—兩束散射方向不同的散射光的頻率兩束光在探測器上混頻后，其合成的電場強度:—兩束光初始相位差—待測的多普勒頻移零差不能判別運動方向，而且難以抑制直流噪聲外差可判別運動方向，能夠抑制噪聲446.2.2激光多普勒測速技術(shù)1.差動多普勒技術(shù)

差動技術(shù)將兩束等強度光聚焦并相交在測量點處，從該點發(fā)出的散射光進入光檢測器，差拍后得到和兩個散射角相對應(yīng)的多普勒頻移。(1)雙光束散射法—散射體里粒子運動速度V與兩束入射光之間的夾角—

V與觀測方向的夾角兩散射光的多普勒頻移為：檢測器上的差頻f為：—兩束照射光之間的夾角—運動方向與光束夾角平分線的法線之間的夾角45(2)單光束雙散射法

前向雙散射光路后向雙散射光路一束入射光直接聚焦于被測點上，光線被同一微粒在兩個方向上散射，兩路對稱的散射光束在光電器件上混頻，得到差拍信號。46(3)多普勒技術(shù)的干涉解釋多普勒技術(shù)的干涉解釋47干涉解釋中的多普勒信號情況48當(dāng)場從kl方向與粒子撞擊，粒子的位移為r，由k0方向觀察可得在LDV測速儀中，有兩個照明場，k1和k2。所以由k0方向觀察可得探測器得到的信號與場的模的平方成比例借助右圖看出，的差值與y軸平行，模數(shù)為若粒子產(chǎn)生平行于y軸的面內(nèi)位移r，那么余弦函數(shù)的相位可得492.參考光技術(shù)

參考光式光路參考光和散射光以相同的光路入射到檢測器。光檢測器的輸出包含了兩種光束的差頻信號α—是兩束照射光之間的夾角503.多維速度測量與辨向技術(shù)

在差動多普勒技術(shù)中，多普勒差頻是兩個頻率之差，故不可能知道哪一個頻率高哪一個頻率低，因此速度符號變化對產(chǎn)生的信號頻率無差別，即被測速度存在著方向上的180o模糊問題。通過引入頻移技術(shù)可以消除速度方向的模糊性問題。如果其中一光束與另一束存在的頻差，則測量體內(nèi)形成的干涉條紋將以速度向一個方向移動，如右圖所示，其移動速度為

于是在照明區(qū)域中，一個靜止的粒子產(chǎn)生的信號將等于這個頻移頻率。假設(shè)，不存在光學(xué)頻移時，粒子產(chǎn)生的多普勒頻移為ν，則當(dāng)示蹤粒子的速度方向與條紋運動方向相同時，粒子穿越條紋的速度將減慢，此時粒子散射光的頻率變?yōu)?，反之，?dāng)粒子速度方向與條紋運動方向相反時，光感應(yīng)器得到的光波頻率為，依靠判別頻率的增加與降低就可以判斷出速度的方向。51(1)二維激光測速光路頻率分離型二維光路52(2)六光束三維頻移激光測速光路六光束三維LDV光路布置對稱布置的軸向測量光路534.多普勒信號處理技術(shù)(1)激光多普勒信號的特點①信號頻率在一定范圍內(nèi)變化，是一個變頻信號。多普勒信號特征圖②信號幅值按一定規(guī)律變化。54③信號是隨機的，斷續(xù)的多普勒信號的隨機和斷續(xù)性55(2)激光多普勒信號處理方法①頻譜分析方法多普勒信號頻譜56②頻率跟蹤方法

頻率跟蹤器示意圖57③計數(shù)器處理技術(shù)

④濾波器組分析法⑤光子相關(guān)技術(shù)⑥計算機處理技術(shù)58處理技術(shù)得到瞬時速度接收間斷信號提取微弱信號能力典型不確定度可測信號頻率上限頻譜分析否可好(費時)1%1GHz頻率跟蹤可否好0.5%50MHz計數(shù)器處理可可較好0.5%200MHz濾波器組可可很好2%~5%10MHz光子相關(guān)否可很好1%~2%50MHz計算機處理技術(shù)(FFT)可可很好<0.5%150MHz59激光多普勒測速技術(shù)的進展

1966年，F(xiàn)oreman、George、Lewis、Thornton、Felton和Watson等人首先撰寫了廣泛論述激光風(fēng)速計的論文。1975年在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e行的“激光多普勒測速國際討論會"標(biāo)志著這一技術(shù)的成熟。20世紀(jì)80年代，激光多普勒技術(shù)進入了實際應(yīng)用的新階段60使用兩個穩(wěn)定單模激光頻差的頻移激光多普勒測速儀混頻器單元方框圖61激光測距儀與其它測距儀(如光電測距儀等)相比，具備的特點：探測距離遠(yuǎn)測距精度高抗干擾性強保密性好體積小重量輕6.3激光測距技術(shù)62激光測距儀的分類激光測距儀的分類：激光測距不同于激光測長，它的測量距離要大得多，按照測量距離可分為下述三類：1、短程激光測距儀，它的測程僅在五公里以內(nèi)，適用于各種工程測量2、中長程激光測距儀，測程為五至幾十公里，適用于大地控制測量和地震預(yù)報等3、遠(yuǎn)程激光測距儀，它用于測量導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、月球等空間目標(biāo)的距離激光測距是通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的時間來換算出距離的，其換算公式為63測距方法分類脈沖測距法：測距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測目標(biāo)反射后，光脈沖回到測距儀接收系統(tǒng)，測量其發(fā)射和接收光脈沖的時間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時間t。脈沖法測距精度大多為米的量級相位測距法：它是通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在待測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化，間接測量時間t。這種方法測量精度較高，因而在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用644.3.1脈沖激光測距1.測量原理脈沖激光測距原理

由激光器發(fā)出持續(xù)時間極短的脈沖激光(稱為主波)，經(jīng)過待測的距離L射向被測目標(biāo)。被反射的脈沖激光(回波信號)返回測距儀，由光電探測器接收。當(dāng)光速為c，激光脈沖從激光器到待測目標(biāo)之間往返時間為t，就可算出待測目標(biāo)的距離為652.測量系統(tǒng)（1）組成：脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、門控電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路脈沖激光測距系統(tǒng)（2）測量過程：首先對準(zhǔn)目標(biāo)，啟動復(fù)位開關(guān)K，復(fù)原電路給出復(fù)原信號，使整機復(fù)原，準(zhǔn)備進行測量。同時觸發(fā)脈沖激光發(fā)生器，產(chǎn)生激光脈沖。該激光脈沖有一小部分能量由參考信號取樣器直接送到接收系統(tǒng)，作為計時的起始點，大部分光脈沖能量射向待測目標(biāo)。由目標(biāo)反射回測距儀處的光脈沖能量，被接收系統(tǒng)接收。參考信號(主波信號)和回波信號先后由光電探測器變換為電脈沖，并加以放大和整形。整形后的參考信號使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，控制計數(shù)器開始對晶體振蕩器發(fā)出的時鐘脈沖進行計數(shù)。整形后的回波信號使T觸發(fā)器的輸出翻轉(zhuǎn)無效，從而使計數(shù)器停止工作。根據(jù)計數(shù)器的輸出可計算出待測目標(biāo)的距離式中，N為計數(shù)脈沖個數(shù)；f為計數(shù)脈沖的頻率。66（3）分辨率

系統(tǒng)的分辨率決定于計數(shù)脈沖的頻率。由于光速很快，計時基準(zhǔn)脈沖和計數(shù)器頻率的高低直接影響著所獲得的測距精度。①過高的時鐘脈沖不易獲得；②普通電子元器件無法保證精度，但選用高速器件會增加系統(tǒng)設(shè)計難度，成本大幅提高。（4）測距精度67相位激光測距1、相位測距原理f—

調(diào)制頻率c—光速光波從A點傳到B點的相移：式中m是零或正整數(shù)；是個小數(shù)，A，B兩點之間的距離L：t—

光由A點傳到B點所需時間（1）波長為：（2）（3）用“光尺”測量距離波長λ是相位式激光測距儀量度距離的一把尺子68光波往返一次后的相位變化光波經(jīng)2L距離后的相位變化假設(shè)測距儀的接收系統(tǒng)置于A(實際上測距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在點)

則有相位測量技術(shù)只能測量出不足的相位尾數(shù)，只能確定小數(shù)：的相位尾數(shù)的

當(dāng)距離L<λ/2時，即m=0時，可確定距離L為

因此，當(dāng)距離L大于Ls時，僅用一把“光尺”是無法測定距離的

，怎么辦？（4）（5