激光多普勒測速研究

緒論第一章緒論本章介紹了多普勒測速技術(shù)的研究背景和重要意義，詳細介紹了其測速原理，討論了國內(nèi)外有關(guān)多普勒測速的發(fā)展狀況，給出了本文的結(jié)構(gòu)安排二、多普勒測速技術(shù)的概況（一）聲波多普勒測速技術(shù)1842年，奧國物理家Doppler首次指出了聲學多普勒效應(yīng)，這一概念已被廣泛應(yīng)用于實際研究中。多普勒效應(yīng)表明，隨著距離的增加，受測量的信號會變得更加強烈，從而使得受測量的信號更加明顯。多普勒效應(yīng)可以用一種特殊的方式描述：當一輛急診醫(yī)療車駛近，警報的響度也隨之增加；但一旦急診醫(yī)療車駛出，警報的響度也隨之減弱。近年來，由于科學技術(shù)的迅猛進步，多普勒效應(yīng)已經(jīng)成功地應(yīng)用到各種各樣的領(lǐng)域，從醫(yī)學檢查、材料力學、空間物理、天文觀察到大氣污染控制。眾所周知，多普勒效應(yīng)的出現(xiàn)，標志著一種新的、可靠的檢測方法的出現(xiàn)，這種方法可以幫助我們準確地檢測到物體的運動，從而推動物體的運動軌跡的精確定位。REF_Ref135742232\r\h[1]古代，多普勒效應(yīng)被用來衡量一種物品的運動速率。這種物品的運動原理是：當一個物品從一個地點飛躍至另一個地點，并且物品與物品一起飛躍至另一個地點，通過計算物品與物品之間的距離，我們就能夠計算出物品的運動速率。早期的航海計程儀有多種類型，包括拖拽型、轉(zhuǎn)動型、水力型和電子型。然而，這些計程儀都必須依靠水的流動來調(diào)整，從而確定船只的航線。REF_Ref135742275\r\h[2]相比之下，多普勒計程儀的最顯著優(yōu)勢在于，在低速條件下，能夠提供更加準確的測速結(jié)果。多普勒系統(tǒng)的設(shè)備各具特色，一種雙波束系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，用來衡量物體的垂直運動。二波束系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，用來估算物體的高低。三波束系統(tǒng)則被廣泛應(yīng)用，既能衡量物體的垂直運動，也能衡量物體的水平運動。特別適合用來檢測大型物體的運動情況，如接近港口或穿越狹小的河流。多普勒計程儀的精度已經(jīng)大大提高，其測量精度已經(jīng)超過了±0.2%~±2%，而且它的適用范圍也大大擴大，它的適用范圍從0.3米至0.5米，甚至還有0.01節(jié)0.005m/s的表現(xiàn)，這使得它成為一種理想的多普勒計程儀，它的功效已經(jīng)超出了預(yù)期。多普勒計程儀的應(yīng)用使十萬噸及更高噸位的船只在航行時，其航行速度的限制變?yōu)?.06m/s，遠遠小于傳統(tǒng)的肉眼檢查所需的標準，從而使其安全航行。多普勒測速技術(shù)無疑是一種非常重要的工具，因為它能夠幫助我們更準確地測量物體的速度。這種技術(shù)的使用范圍非常廣，包括航行、港口、錨泊、浮筒操作、水下測量、植物檢測、生物測量、心電圖測量、生物信息處理、病理診斷?，F(xiàn)在，B超技術(shù)已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的診斷手段，它基于超聲波多普勒效應(yīng)，通過觀察超聲在各個物體表面的波形、反射率以及穿越距離等特征，可以準確地發(fā)現(xiàn)物體中的潛在缺陷，從而實現(xiàn)有效的無創(chuàng)探傷。通過脈沖反射法，可以利用各種的方式來進行檢測，其中，當采取垂直檢測方式時，可使用縱向振動，而當采取斜向檢測方式時，則可使用橫向振動。此外，通過將圖像中的橫軸與縱軸分別設(shè)置為聲波的傳播時長與反射的信號幅度，可以更好地了解檢測結(jié)果。因此，當發(fā)生缺陷時，我們能夠從反射的回波中推斷其存在；此外，根據(jù)反射的回波的高低，也能夠準確地估算出缺陷與檢查點之間的距離，從而有效地進行缺陷的檢查；最后，根據(jù)反射的強弱，也能夠準確地評估其數(shù)額。因為其具備良好的定位特征、良好的方位感知、較高的靈敏度和無須外部接觸的特性，使得超聲波在醫(yī)學領(lǐng)域得到了極大的普及，它們可以準確地探測到身體內(nèi)的各種細微結(jié)構(gòu)，從而準確地識別出其中的氣體和液體。REF_Ref135742302\r\h[3]根據(jù)其發(fā)射的頻率，脈沖多普勒技術(shù)與B型超聲檢查技術(shù)有著密切的聯(lián)系，這兩種技術(shù)的綜合應(yīng)用，使得雙重功能的超聲檢查技術(shù)得到了實現(xiàn)。通過使用B型檢查技術(shù)，不僅可以清晰地展現(xiàn)出各種內(nèi)部器官的形態(tài)，還可以準確地檢測出特定的血液循環(huán)情況。隨著技術(shù)的發(fā)展，相控陣技術(shù)已經(jīng)成功地將脈沖多普勒與B型顯示相結(jié)合，從而使得傳統(tǒng)的單一機械探頭無法滿足當今的多普勒檢測需求，這種技術(shù)不僅可以更準確地反映出病人的病情，而且還可以更好地幫助醫(yī)生更好地預(yù)防疾病的發(fā)生。（二）無線電波多普勒測速技術(shù)多普勒效應(yīng)可以用來精準地檢測物體的距離，從而實現(xiàn)快速、準確的物體跟蹤。其中，無線電多普勒測速技術(shù)可以檢測到物體的距離，從而實現(xiàn)快速、準確的物體跟蹤。它的工作原理是，物體接觸到多普勒傳感器，其中的反射波的頻率會大大超過傳感器的發(fā)出波的頻率。通過調(diào)整頻率，多普勒天氣雷達不僅可以準確地確定被測物體與雷達的相對運動，還可以更加精準地檢測出極端天氣，從而更好地滿足人類的出行需要，確保安全、高效地實現(xiàn)各項任務(wù)。多普勒效應(yīng)在航空導航系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，普勒導航雷達正是基于此原理而設(shè)計的，它能夠準確地檢測到航空器在航空運動時的航跡，包括航跡的航向、航空的航空的航空時間、航空的航空時間的精確性，從而實現(xiàn)對航空器的精確定位。雷達與聲學多普勒技術(shù)有著密切的聯(lián)系，因此，在實際應(yīng)用時，我們可以將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，以更好地探測周圍的環(huán)境。具體而言，雷達的發(fā)射器可以看做一個聲源，將高頻的無線電波聚焦到一個指定的方向上1957年，蘇聯(lián)成功地發(fā)射出全球第一顆人工智能衛(wèi)星，引起美國科研者的極大興趣。美國的兩位科學家提出可以利用用多普勒頻移現(xiàn)象對衛(wèi)星進行定軌，精確定位和追蹤衛(wèi)星的行進路徑。接下來，兩位來自不同研究機構(gòu)的科學家們建議，采用多普勒技術(shù)，以及基于現(xiàn)存的衛(wèi)星軌跡，來精確測量和確認目標位置。REF_Ref135742341\r\h[4]這樣，第一代多普勒導航系統(tǒng)便得以問世。多普勒導航系統(tǒng)不僅可以滿足日益增長的航天需求，而且還可以為社會的可持續(xù)發(fā)展帶來巨大的潛力。這項技術(shù)被稱作世界上第一顆多普勒頻移衛(wèi)星導航系統(tǒng)，旨在幫助美國海軍的北極星潛艇獲取更加精確的定位信息。該系統(tǒng)包括6個主要部件：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、地面監(jiān)測站、數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)傳輸站、美國海軍天文臺以及用戶端。通過采用4~5顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，它們都沿著近似于圓形的軌跡運動。此外，還設(shè)置了4個定位天線，以便對每顆衛(wèi)星的位置和姿態(tài)進行實時監(jiān)測，以及及時的數(shù)據(jù)處理，最終把處理結(jié)果及其相關(guān)的參考值傳輸至計算機。美國海軍天文臺通過采集偶數(shù)分鐘的數(shù)字，將其轉(zhuǎn)換為可供分析的數(shù)字，然后通過編碼，傳輸?shù)阶⑷胝荆@些數(shù)字被存儲，每12個小時就會被更新一次，從而實現(xiàn)衛(wèi)星、跟蹤站、計算機、注入站及其他相關(guān)系統(tǒng)之間的實時同步。對于導航定位系統(tǒng)有著劃時代的歷史意義。多普勒技術(shù)還可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域，比如快速、準確地監(jiān)控汽車的運動狀態(tài)。此外，多普勒技術(shù)也可以被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控交通違法者。比如，警察可以使用多普勒技術(shù)來監(jiān)控汽油或汽水的流量，并及時采取相應(yīng)的措施來防止汽油泄漏。通過利用基于測試車與警車的相對運動的無線電波，我們可以迅速準確地估算出汽車的實際行駛時的速度。這種技術(shù)的進步使得我們能夠更好的監(jiān)控汽車的行駛狀態(tài)，并有效防止汽車的過載。通過安裝旋轉(zhuǎn)編碼器，我們可以測量汽車的轉(zhuǎn)速。當汽車轉(zhuǎn)過一周，旋轉(zhuǎn)編碼器會發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號，這些信號的強弱與轉(zhuǎn)速成反比。通過測量轉(zhuǎn)速，我們還可以計算汽車的行駛時長，從而確定汽車的運動軌跡。毫米波技術(shù)的獨特之處在于其被廣泛認可的高頻，可以抵抗各種環(huán)境條件，如煙、霧、灰塵，使得其不再受季節(jié)變換的影響，可以實現(xiàn)全日常運行。另外，毫米波技術(shù)的使用還可以滿足尺寸和頻率的需求，使其可以實現(xiàn)更加緊湊的結(jié)構(gòu)，從而使其與傳統(tǒng)的微波技術(shù)相媲美。（三）激光多普勒測速技術(shù)研究表明，多普勒效應(yīng)不僅存在于聲學領(lǐng)域，它也能夠應(yīng)用于激光測速技術(shù)中，因此我們可以利用光學多普勒效應(yīng)來測量運動物體的速度。從運動物體表面的光入射時，相對于觀察者，接受的光波頻率會改變，而這種變化和運動速度、樣品的運動方向，光波的波長以及觀察人員離運動物體的距離有關(guān)。REF_Ref135742483\r\h[5]如果后面的這幾個因素已知，然后就能通過頻率的變化來決定樣品的速度。利用這種原理來測量物體的速度，包括液體和氣體速度的這種技術(shù)就是激光多普勒測速技術(shù)。丹麥的DANTEC公司發(fā)展了相移激光多普勒測速儀。它可以實現(xiàn)液體和氣體的一維流動、二維以及三維速度場的測量，測量的速度接近500m/s，精度大于2%，粒子直徑的范圍在0.5~10000um，精度優(yōu)于4%。這一技術(shù)也可被用來測量距離、振動等物理參數(shù)[1]。它有著無接觸測量，不干擾流場，測速范圍廣，空間分辨率高，動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點，在對高速流體，惡性流體，狹窄流體，等方面有著傳統(tǒng)方法無法比擬的優(yōu)點，目前在航空，動力機械，氣象，水工，化工等方面得到應(yīng)用。隨著光源與探測器的移動，它們所能夠捕捉到的信號也隨著它們的移動而改變。例如，如果一個物體的表面受到了光的反射，那么它所能夠捕捉到的信號的頻譜也將隨著它的移動而改變。這些現(xiàn)象被稱之為光學多普勒效應(yīng)。1848年，斐索的多普勒一斐索效果最早被提及，他運用這一原理，研究了恒星的相對運動，并創(chuàng)造性地提出一種新的儀器，用以衡量恒星的運動。多普勒效應(yīng)與聲音有著類似的特性，但當調(diào)節(jié)光的頻譜時，可以顯著地影響到光的顏色。當恒星距離它越來越遙時，它的光譜便越來越接近“紅移和藍移”》，即朝著一個更加明亮的方向“紅移和藍移”“紅移和藍移”）。多普勒一斐索效果的發(fā)展使得人類有望實現(xiàn)脫離太陽系的夢想。1868年，加拿大天文家哈金斯運用多普勒效應(yīng)，成功地觀察出了天狼星的視向速率，結(jié)果表明，這一數(shù)值為46km/s。隨著時間的推移，這項技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，至今，多普勒測速方法已經(jīng)取得了40多年的成功。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，許多原本的光學儀器已經(jīng)不再受制于當前的條件，可以更加高效地進行調(diào)試、安裝以及更加普遍的使用。例如，現(xiàn)今的光學混頻技術(shù)已經(jīng)可以更加精確地進行測量，并且可以更加高效地被使用。當初，頻譜分析儀被引入信號處理領(lǐng)域，然而，它們的準確性有限，無法反映物體的實際行進狀態(tài)，只能獲得短暫的數(shù)據(jù)。然而，隨著科技的進步，光譜分析儀和其他相關(guān)儀器的準確性和可靠性得到大幅改善，使得該領(lǐng)域的測量技術(shù)變得更加準確可靠。1970年，光學技術(shù)的進步使得光學模型的整合變得更加容易。此外，近代光學技術(shù)的進步也使得光纖通信和多普勒技術(shù)的應(yīng)用變得更加普遍，這些技術(shù)的應(yīng)用包括空氣動力學、光纖傳感器和光纖激光器。REF_Ref135742516\r\h[6]激光多普勒測速系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理受到了極大的關(guān)注，這得益于具備較高反射速度的示波器和先進的記錄技術(shù)。激光多普勒測量技術(shù)被廣泛應(yīng)用于測量非接觸物的流量，其測量方法基于將特定的物料混合進多普勒波長的光束，然后通過檢測波長的多普勒頻移，從而計算出物料的流量。多普勒測量技術(shù)的應(yīng)用可以幫助我們更準確地測量物料的物性，從而更好地了解物料的物理性質(zhì)。激光多普勒技術(shù)是用來檢測和控制流體的速度的有效工具。它不僅可以用來檢測具有較大波長的液態(tài)或氣態(tài)的液體，還可用來檢測具有較大波長的固態(tài)或氣態(tài)的液態(tài)或氣態(tài)的液態(tài)。此外，激光多普勒還具有較好的光學性質(zhì)，它的光束角度較小，所以它的準確性較好。激光多普勒技術(shù)可以快速、準確地檢測出幾十米/分鐘甚至幾千米/分鐘的流速，它的使用范圍已經(jīng)擴大到了任何可以檢測的物體，并且它的精確性可以抵抗任何外力的干擾，使得它成為了當今最常見的快速檢測手段之一。激光多普勒測速技術(shù)在眾多領(lǐng)域有著廣闊地應(yīng)用，在氣象、化工等科學和技術(shù)領(lǐng)域都有應(yīng)用。比如激光風速計，它可以用來測量液體或氣體的流動速度。在液體中，因為存在細微粉塵，會自然形成散射中心。1964年，科學家葉和柯明斯在光的多普勒效應(yīng)基礎(chǔ)上用632.8nm的氦-氖激光器照射水中的聚苯乙烯微粒，將微粒的散射光束和參考光進行混頻，測得的最低速度達到了0.07mm/s，為激光多普勒測速的研究開創(chuàng)了先河。由于純凈的氣體或者液體是不存在細粉塵所以不能夠散射激光，因此為了測量其速度，我們需要加入一些散射粒子。而氣體、液體的流速一般認為在毫秒及以下量級的時間尺度上是認為不變的，所以我們平時是采用反復(fù)多次的方法來測量同一信號以獲取更加精確的數(shù)據(jù)。REF_Ref135742587\r\h[7]同時激光多普勒測速技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用也十分重要，它可以用來測量原子能反應(yīng)堆、氣缸、鍋爐等，多普勒測速研究技術(shù)不僅僅存在于科研實驗中，同時在工廠以及加工制造產(chǎn)業(yè)方面有著重要的幫助，例如在機械工程中，激光多普勒測速儀可以用于測量機械運動部件的速度和加速度，如機器人、滑動床、滾珠滑軌等。同時，它也可以用于測量陀螺儀、激光旋轉(zhuǎn)儀、光學陀螺儀等的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)角度。在這個領(lǐng)域中，激光多普勒測速儀也是一個不可或缺的工具。隨著先進的激光器、光學加工技術(shù)和軟件編程的不斷進步，激光多普勒測速技術(shù)可以準確地測量出運動物體的速度，而且其準確性和可靠性也在不斷提升，使得它與實際值的偏差大大減少。三、激光多普勒測速技術(shù)的原理通過激光多普勒技術(shù)，可以準確地測量物體的速度。這一過程的基本原理是：當光源以一定的角度照射到一個運動物體的表面時，這個物體就成為了一個接收器，而這個接收器的頻率會隨著物體的運動而發(fā)生變化，這一過程可以用圖1來描述：：圖SEQ圖\*ARABIC1運動物體的光學多普勒效應(yīng)v在公式中，v1代表光源的頻率，μ則指的是物體的運動速度，θ1則指的是物體運動方向與入射角之間的夾角，而c則指的是光在真空環(huán)境中的傳播速度。從多普勒效應(yīng)的視角來看，當一個運動的物體被設(shè)置于檢測器的視域中，其表面和檢測器相互之間的夾角θ2，則可以用以下方程來描述其所產(chǎn)生的光波的頻率：v=由于物體運動速度遠遠小于光速，將高次項忽略，可得：v因此，隨著物體的加速，多普勒頻率變化可以表現(xiàn)出如下特征： dv=v?=u=根據(jù)以下分析，可以得知，如果將光源與探測器放置在一起，并使其與被檢測的目標更為緊密地貼合，則該目標會受到更高的光頻信號的影響，而不是僅僅受到光源的信號。當我們觀察到正向入射并接收到反饋信號時，我們應(yīng)該考慮這一點。dv=根據(jù)多普勒頻移和波長的變化，可以推斷出，在沒有外部因素影響的情況下，運動物體的速率會隨著多普勒頻移的增加而增加，因此，可以通過觀察多普勒頻移和波長的變化，準確地估算出它的速度。四、激光測速的實驗研究（一）實驗方案的設(shè)計和可行性分析1.實驗方案的設(shè)計激光多普勒測速系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)在光路的設(shè)計、數(shù)據(jù)的捕捉、傳輸、測量等多個環(huán)節(jié)。其測速效果的好壞，主要受光路的類型、光學元件的特點、光線的強弱、光線的波長等因素的影響。因此，本次研究利用VISAR光路，并利用干涉儀的技術(shù)，對光信號的速率進行優(yōu)化，從而提高測速的精確度。以及，對于元件的參數(shù)與表面質(zhì)量的挑選。其次，因為變相管相機具有拍攝頻率高，曝光時間短的特性所以將它作為我們的記錄儀器。REF_Ref135742616\r\h[8]在這篇論文中，我們將討論如何在多普勒測速儀的光學系統(tǒng)中優(yōu)化光學光路的問題。通過應(yīng)用多普勒效應(yīng)，激光干涉測速技術(shù)可以有效地檢測出物體的流速。由于光的速度與運動速度相比很快，所以要求在進行測速時對于光源的質(zhì)量與頻率上研究更加仔細。同時通過對光斑的分布特征與激光的入射角度的觀察以確保兩種模式的輸出的穩(wěn)定。并且降低激光器的線寬對測量精確的影響，因此采用了體積小、線寬窄的單模式固體激光器。此外，根據(jù)本次試驗的需求，以532nm的綠光作為光源，可以提供更廣泛的應(yīng)用本研究采用了Coherent公司的VerdiV5系列激光器，其輸出功率可以根據(jù)需要進行調(diào)整，范圍為0~5W，詳情請參考下表：表1顯示了半導體泵浦激光器的關(guān)鍵技術(shù)特性。在實驗中.由于激光到達樣品時，樣品表面的無論開始的鏡面度都多高，反射系數(shù)依然會快速的降低，便需要采用強激光照射以保證有探測器接受到足夠的信號，但強激光的長時間照射會導致我們光學零件的損壞和老化，為了避免這種情況的發(fā)生，我們添加一個光電開關(guān)的組件在開始記錄時讓激光通過，結(jié)束記錄時關(guān)閉，使用這種辦法用于保護實驗中的儀器以及元件避免其老化與損壞，保證其性能。本次實驗未采用任何外部設(shè)備，如偏置儀、波導儀和偏振分離儀，而是采取了一種新的技術(shù)，將兩組不同的信號組合，形成一個具備較高準確性的正交編碼系統(tǒng)，從而為接下來的數(shù)據(jù)測量提供很大的方便。REF_Ref135742641\r\h[9]在本次實驗中，采用的變像管相機不僅具有高精度的捕捉功能，還具有低功耗的特點，因為它不需要復(fù)雜的電源線，只需要單獨的電源，即可捕捉到多種不同的信號，從而使得本次實驗的設(shè)備更加緊湊、高效。根據(jù)不同的傳播速度，我們可以選擇合適的標準設(shè)計和透鏡組合，從而實現(xiàn)時間延遲。與傳統(tǒng)的分束器相比，這些組合能夠在保持零程差的情況下，實現(xiàn)高精度的傳輸。為了實現(xiàn)這一目的，我們需要在傳輸中加入532nm的窄帶濾波器，這樣就能夠有效地抑制散射，并保證較高的空間分辨率。激光多普勒測速系統(tǒng)的光學部件都需要經(jīng)過特殊處理，例如加裝增強的光纖。這些光纖可以幫助系統(tǒng)更好地吸收光線，同時降低光線的干擾。特別是當光纖的反射和折射作用被抑制時，它們的光譜性能會得到顯著改善。盡管使用光電倍增管和具備足夠帶寬的示波器，可以獲得比傳統(tǒng)的激光干涉測速技術(shù)更加準確的測試數(shù)據(jù)，但其反射時間比傳統(tǒng)的技術(shù)要長，因此，為了提升實驗的精度，我們選擇了具備更高時間分辨率的變相管相機，從而獲得更加準確的測試數(shù)據(jù)。實驗中對于整個系統(tǒng)的設(shè)計如下圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC2測速系統(tǒng)裝置原理圖由于使用的是具有孔洞的反射鏡M1、M2、M3及L，所以當進行沖擊波實驗時，我們能夠有效地把激光從實驗室內(nèi)部傳輸出去，而無需使用炸藥或者高速彈丸來進行加載，從而避免由此而造成的損害。M2是一個具有高效率和多功能性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能夠根據(jù)實際環(huán)境（如沖擊波）的變化，從三個方向上對激光束的射程和方向做出精確的控制，從而達到準確的結(jié)果。前置透鏡L和M3雖然是一種易損耗的零件，但是在實驗過程中，它們的參數(shù)可以得到調(diào)整，從而提高測量的準確性。接下來，我們使用同一個前置透鏡來捕捉樣本的反射光，并將其轉(zhuǎn)換為一條直線。REF_Ref135742658\r\h[10]經(jīng)由532nm的窄帶濾波片，我們將該條直線精確地捕獲，然后將它傳送至干涉儀，從而有效地抑制了外界的雜散光，從而保證了實驗的準確性。此外，該光還經(jīng)由兩條不同的支路，即經(jīng)由分束器BS和反射鏡M4，最終經(jīng)由透鏡延遲干涉儀系統(tǒng)，從而獲得更加精確的結(jié)果。根據(jù)不同的傳輸速率范圍，利用標準具和透鏡技術(shù)，干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)光的延時。此外，為了更好地捕捉各種傳輸方式的信息，我們還將兩個支線的光線聚集到BS2（BS3），然后將其輸出到變焦儀中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。2.實驗方案的可行性分析采用532nm的高效鐳射器，其具有5MHz的寬度，并且具有0~5W的出口能量，因此，該型號的鐳射器具有良好的穩(wěn)定性，從而滿足了高精度的光學需求。通過使用廣角邁克爾遜干涉儀，我們可以實現(xiàn)對零程差的精確測量。在這種干涉儀中，我們精心挑選出具備最佳性能的材質(zhì)、光學元件，并且確定其尺寸，使得每個反射鏡的反射率達到97%，同時，其外殼覆蓋上一層防水的鋁膜，其表面的平面度也要達到λ/20，從而降低波面差。經(jīng)過精確的調(diào)整，兩支光路的差異被有效地限定在um量級，這樣就能夠達到良好的仿真效果，實現(xiàn)零差異的目標。采用先進的防震技術(shù)，我們的光學系統(tǒng)得以完善采用變像管相機作為信號采集的方式，比傳統(tǒng)的光電倍增管、示波儀等技術(shù)具有更高的時間分辨率、更快的掃描速度，因此，該技術(shù)能夠更準確地捕捉到?jīng)_擊波產(chǎn)生的動態(tài)特征。（二）實驗具體設(shè)計1.光路中主要儀器及各元件參數(shù)本次實驗旨在探索激光的應(yīng)用，以獲取準確的速度數(shù)據(jù)。為了達到良好的效果，需要精確的激光源，特別是它的頻率特征。為了達到良好的效果，本次試驗采取了一系列的步驟，包括激光粗調(diào)、白光微調(diào)以及兩個程差的精確控制。由于需要精確地控制零差，干涉儀的每一個部位的光學性能必須達到最佳水平。此外，由于需要防止波面差的產(chǎn)生，必須使用精確的分束器、反射鏡和標準具，這些部位的表面精度也必須達到最佳的水平。根據(jù)不同的運動特性，我們制定出六種適當?shù)倪\動靈敏度。在本次試驗中，采用的是熔巖作為基礎(chǔ)，它的反映率高達1.46021（使用532nm的激光入射），而且反映率高達97%。鑒于物質(zhì)的顏色分布，由于折射率的顏色分布，我們需要使用條紋常數(shù)來校準這一點，具體方法參見I.。H.Malitson給出的色散方程，取修正值0.0317VISAR儀器使用了一種特殊的透鏡系統(tǒng)，它的兩個部分的折射率差異很少，這使得它們的光程差的測量變得更加精確。因此，在這種情況下，我們可以使用一個簡單的方程來描述VISAR儀器的傳輸速度：下表是各個測量檔的具體參數(shù)。表SEQ表\*ARABIC2六檔不同速度靈敏度的各個參數(shù)2.光路部分的調(diào)節(jié)針對靜態(tài)調(diào)試，我們選擇了激光粗調(diào)，這種方法的優(yōu)勢在于，它的光斑直徑僅2mm，而且根據(jù)相關(guān)的研究表明，隨著光斑的增大，它的零度誤差也會變得更準。因此，我們將其添加了一個擴散器，以達到最佳的光斑尺寸，即18mm。因為25.4mm的反射鏡與分束鏡的尺寸都是標準的，當進行45°的轉(zhuǎn)彎操作時，如果僅僅依靠擴散后的18mm的光斑，就可能導致光斑的失衡，從而嚴重影響到整個光學系統(tǒng)的精確度。經(jīng)過改進，我們把原本的擴散器改裝成了12mm的微弱光束，并安裝到了干涉儀。在進行調(diào)試時，不僅需要確保所有的光軸都處于相同的水準，而且也需要注意干涉儀的尺寸和安裝方式。經(jīng)過精心設(shè)計，我們在實驗臺上安裝了一個450×600mm的小型面板，并且根據(jù)圖3.2的指示，構(gòu)筑出兩條相同的光學線，以精準測量出它們之間的距離，從而有效控制它們之間的零度誤差。經(jīng)過精心設(shè)計，我們把反射鏡M2安裝到了一種特殊的微調(diào)平移臺，它的粗調(diào)行程達到了13mm，而且具有0.5mm的分辨率，而且還能夠進一步精確地控制零程差[49]，從而達到更好的效果。另外，根據(jù)圖3.2，我們還能夠根據(jù)干涉條紋來調(diào)節(jié)每一個元件的俯仰角度。通過調(diào)節(jié)M2的旋鈕，我們能夠讓垂直的干涉條紋變得越來越少。當我們調(diào)整到垂直的干涉條紋變得越來越少時，我們就能夠通過調(diào)整M2的位置來確保兩個光源之間的距離達到最低。經(jīng)過精心的調(diào)整，2~3個垂直的條紋出現(xiàn)在了顯示器的視野中。（三）記錄儀器通過使用傳感器，我們可以獲得測速系統(tǒng)的準確性。傳感器的準確性取決于它能夠捕捉到的速度的波動。如果一個物體的速度接近26.6km/s，它的準確性會大大降低，甚至無法進行測量。因此，傳感器的準確性取決于它能夠捕捉到的速度波動。當前，由于光電倍增管-示波器系統(tǒng)的反射速度τ無法達到10-10s，因此，為了更快地捕捉信號，我們選擇了一種更加先進的變焦鏡頭，它可以捕捉到0.1ns的信號，這是一種非常可靠的技術(shù)?！白兿窆堋笔且环N用電子透鏡將圖片轉(zhuǎn)換為顯示器的器件。這種器件具有快速掃描和準確定位圖片的特點，并且具備圖片增強和同步的功能。使用這種器件，攝影師可以捕捉圖片中的細節(jié)，并對圖片的運動情況做出準確的捕捉。因為爆破產(chǎn)生的沖擊波的傳播速度較慢，而且樣本的反射率也較慢，因此，利用增強的特性，如可調(diào)節(jié)的頻帶，可以更加準確地捕捉到瞬間的變化，從而發(fā)揮出它的最佳性價比。五、測速數(shù)據(jù)處理的研究（一）實驗數(shù)據(jù)的記錄以及條紋的判讀通過使用變像管技術(shù)，可以將光線從一個固定的位置發(fā)散，然后通過一個特定的光學系統(tǒng)將其分散，從而使兩個平行的平板產(chǎn)生一個電壓，從而使得兩個平板的電位發(fā)生變動，從而產(chǎn)生一種單一的、逐漸衰減的信號，從而使得兩個平板的電位發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)對物體的精確拍攝。由于在平板上施加的電壓會隨著時間的推移而發(fā)生變化，從而導致在光陰極表面產(chǎn)生的電子偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，而隨著距離的增加，這些變化會影響微通道板MCP的電子位置，通過放大，可以獲取熒光屏上的清晰可見的結(jié)果。通過將光電倍增管和CCD結(jié)合在一起，我們可以獲得更加精確的測速信息。光電倍增管具有更高的空間分辨率，因此，在CCD上，我們可以獲得更多的細節(jié)，例如細微的斑點，從而更好地完成測速任務(wù)。此外，即使光強發(fā)生變化，也不會影響條紋的對比度和信噪比，從而有效地抑制了其他雜散噪聲的干擾。圖3展示了由管相機捕捉的靜態(tài)干涉圖像。通過使用變像管相機，我們可以觀察到運動物體在不同波長下的自由面速度變化，并通過觀察條紋圖樣的變化量來計算。例如，當波長為532nm時，我們可以使用Malitson公式來估算出該值為0.0317。（二）數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計通過變像管相機記錄的干涉圖，可能會受到光、電、磁等因素的影響，從而導致噪聲的產(chǎn)生、圖像分布的不均勻以及對比度的變化，但是，這些因素都會影響到條紋的判讀準確性，因此，為了達到最佳的測速效果，必須對條紋的判讀進行準確的評估為了提高條紋圖像的質(zhì)量，matlab可以幫助我們實現(xiàn)對其進行編程處理，以便更好地捕捉條紋中最清晰的“脊線”，從而更有效地獲取所需的信息。matlab可以根據(jù)不同的雜散因素，如光照、電磁等，將條紋圖像轉(zhuǎn)換為更加精確的形式，從而使人類和機器都能夠準確地分析和處理條紋圖像。為了更好地研究干涉條紋，我們利用matlab開發(fā)了一款圖像處理程序，以便從變像管相機記錄的圖像中提取出干涉條紋信息。為了驗證該程序的可靠性，我們還結(jié)合了已有的文獻，以更加準確地獲取干涉條紋信息，如下圖所示：圖4展示了由管相機捕捉的干涉條紋的灰度分布情況。通過matlab，我們可以將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，其中每個像素的尺寸為304×164，長度方向的尺寸為10mm，記錄時間為15ns，從而使得條紋在水平和垂直方向上都能夠清晰地顯示出來，這表明樣品的速度發(fā)生了變化。在這張圖中，時間沿著橫軸延伸，而空間則沿著縱軸發(fā)生了變化。經(jīng)過精心的編碼，我們可以獲取每個時刻、每個位置的最佳像素數(shù)量，但是，隨著外界噪音的不斷增加，這些數(shù)據(jù)的準確性也將隨之下降，從而給后期的圖像分析工作增加了極大的挑戰(zhàn)。為了獲取更準確的結(jié)果，我們需要采取措施，包括對數(shù)據(jù)進行圖像處理，以及對噪點進行削弱、抑制和消除，以達到獲取更好的結(jié)果，如下所示：圖SEQ圖\*ARABIC5經(jīng)matlab處理后的圖像圖SEQ圖\*ARABIC6處理后圖像與原始圖像的對比圖經(jīng)matlab的精心調(diào)整，使得處理出來的圖像和原始數(shù)據(jù)完全一致，從而有效地驗證了這一設(shè)計的準確性。因此，我們不僅可以輕松地識別出條紋，還可以準確地測量出物體的運動軌跡。如果將這個圖像中的條形的常數(shù)設(shè)置為2.49×103m/s/Fr，那么當這些條形發(fā)生變換的時候，它的速率也會發(fā)生2.49×103m/s的波動。因此，只要將這些條形的變換與它的初始狀態(tài)進行比較，便可以獲取有關(guān)它的速率變動的信息。根據(jù)圖表，我們可以清楚地觀察到，在過去的5ns里，物體的運動速率沒有顯著的波動，但是當它繼續(xù)向上移動，并且逐漸接近900m/s。在這張圖7中，我們可以看到圖像的運動情況。（三）系統(tǒng)誤差來源分析當受到強烈的激光輻射，大多數(shù)光學器材的性質(zhì)都發(fā)生顯著的變化，因此，為了深入探索它們的表面特征，就必須準確地檢測它們的運動狀態(tài)，尤其是采用激光驅(qū)動的飛碟或樣品，還有采用電爆炸技術(shù)驅(qū)動的飛碟，這就提出了一個極具挑戰(zhàn)的問題：即具有較高的時間敏感性和空間敏感性。通過使用變像管相機，我們可以準確地捕捉到瞬息萬變的沖擊波，尤其是在微秒和納秒的尺寸范圍內(nèi)。但是，由于現(xiàn)有的實驗技術(shù)和某些測量設(shè)備的準確性有限，我們?nèi)钥赡軙霈F(xiàn)較大的偏差，從而影響最后的結(jié)果。本文將探討各種誤差的根源以及對此進行的深入研究：（1）由于干涉儀的測試結(jié)果受限于其內(nèi)部的波面差，無法保證其與標準具或反射鏡的表面質(zhì)量相同，從而導致了兩個波面之間的差異，進而影響了測試結(jié)果的可靠性，從而使得測試結(jié)果受到了較大的沖擊；（2）由于元件和觀察者的視覺偏差，在調(diào)整模擬零程差的位置時，可能會存在一些差異，但無論如何，仍無法達到完全的模擬零程差要求；（3）在進行每個實驗的條紋常數(shù)計算之前，我們需要使用一個特殊的標準參數(shù)τ。通過公式，我們發(fā)現(xiàn)τ和入射光的方向之間存在著緊密的聯(lián)系。但是，我們使用的測速系統(tǒng)并不能完全反映實際情況，在發(fā)生沖擊波的情況下，它們之間的夾角會發(fā)生輕微的改動，從而導致我們在進行實際實驗之前獲取的速度值存在較大的偏差；（4）當采用變焦鏡頭拍攝照片時，由于它的掃描非線性超過1%，導致熒幕的邊緣受到了極大的干擾。這種干擾不僅僅體現(xiàn)在圖片的空間變化上，還包括圖片中的噪聲和振動，從而導致了測量結(jié)果的偏移。

結(jié)論多普勒效應(yīng)，又名Doppler效果，最初是由奧地利的自然科學家們發(fā)覺的，后來又被應(yīng)用于光學、無線電等多種科學領(lǐng)域，取得了巨大的成就。它的應(yīng)用領(lǐng)域有交通、醫(yī)學、化工、軍工等，尤其是對于高速流體，湍流，高溫流體等速度測量時，激光多普勒測速技