激光多普勒測(cè)速和激光測(cè)距

激光多普勒測(cè)速和激光測(cè)距1目錄激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)應(yīng)用激光測(cè)距技術(shù)脈沖激光測(cè)距相位激光測(cè)距22023/2/13激光多普勒測(cè)速技術(shù)概述1842年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)會(huì)使頻率發(fā)生變化——多普勒效應(yīng)。2023/2/14激光多普勒測(cè)速技術(shù)1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實(shí)了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動(dòng)速度。目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測(cè)量。2023/2/15激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)當(dāng)波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所接收到的頻率不等于波源振動(dòng)頻率，此現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。2023/2/16激光多普勒測(cè)速技術(shù)多普勒在其聲學(xué)理論中指出，在聲源、介質(zhì)、觀測(cè)者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學(xué)多普勒效應(yīng)。愛因斯坦在《論物體的電動(dòng)力學(xué)》中指出，當(dāng)光源與觀測(cè)者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應(yīng)。聲學(xué)多普勒效應(yīng)與波源及觀測(cè)者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，光學(xué)多普勒效應(yīng)只與光源和觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因此，聲學(xué)（機(jī)械波）和光學(xué)（電磁波）的多普勒效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。2023/2/17激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理聲波是依賴于介質(zhì)傳播的，離開介質(zhì)就談不上波的存在。設(shè)聲源的頻率為f，聲波在媒質(zhì)中的速度為v，波長(zhǎng)λ=v/f①聲源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)以速度v1運(yùn)動(dòng)設(shè)聲源相對(duì)于介質(zhì)靜止，觀測(cè)者迎向聲源運(yùn)動(dòng)，則聲波相對(duì)于觀測(cè)者的速度不再是v，而是v+v1，則觀測(cè)者接收到聲波的頻率為同理，觀測(cè)者背離聲源有2023/2/18激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理②聲源相對(duì)于媒質(zhì)以速度v2運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)者靜止于媒質(zhì)中設(shè)聲源S相對(duì)于媒質(zhì)以速度v2迎著觀測(cè)者D運(yùn)動(dòng)。波源在運(yùn)動(dòng)過程中按照自己的頻率振動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)完成一次全振動(dòng)，在媒質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)完整波形；同時(shí)在T內(nèi)，波源前進(jìn)了v2T距離，波長(zhǎng)變?yōu)镾1S2v2Dv2Tλ'λ

聲源向靜止觀察者運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)有2023/2/19激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理②聲源和觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，速度分別為v2和v1綜合上述情況，可以得到：觀測(cè)者向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，取正號(hào)；反之取負(fù)號(hào)聲源向著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)時(shí)，取負(fù)號(hào)；反之取正號(hào)總之當(dāng)聲源和觀測(cè)者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收頻率升高；當(dāng)聲源和觀測(cè)者背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收頻率降低；強(qiáng)調(diào)：聲學(xué)只有縱向多普勒效應(yīng)，沒有橫向多普勒效應(yīng)2023/2/110激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理對(duì)于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，所以，光源和觀測(cè)者誰相對(duì)于誰運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，只取決于相對(duì)速度的大小。如圖示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應(yīng)示意圖K'系中靜止的光源從K'系的t1'時(shí)刻開始發(fā)出一列光波，這個(gè)波列的發(fā)射截止時(shí)間為t2'，于是在K'系中此波列發(fā)射的時(shí)間為（t2'

－t1'

），在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)射的波數(shù)為N，光源的頻率為2023/2/111激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理在觀測(cè)者所在坐標(biāo)系K中來看，此波列發(fā)射始于t1時(shí)刻（光源在S1處），接收這個(gè)波列的時(shí)刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應(yīng)示意圖在觀測(cè)者所在坐標(biāo)系K中來看，此波列發(fā)射截止于t2時(shí)刻（光源在S2處）。t2時(shí)刻光源發(fā)出的光波傳到觀測(cè)者的時(shí)刻為2023/2/112激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理觀測(cè)者D收到這N個(gè)波共需時(shí)2023/2/113激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理觀測(cè)者接收光波的頻率為根據(jù)時(shí)間相對(duì)性這就是光學(xué)多普勒效應(yīng)公式2023/2/114激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理若相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在觀測(cè)者和光源連線上，則cosθ＝±1（遠(yuǎn)離時(shí)取1，接近時(shí)?。?）：縱向多普勒效應(yīng)若相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生在觀測(cè)者和光源連線的垂直方向上，則cosθ＝0橫向多普勒效應(yīng)同樣的v值下，橫向多普勒效應(yīng)比縱向多普勒效應(yīng)要小很多。2023/2/115激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測(cè)速原理1）多普勒測(cè)速原理如圖。由于v/c非常小，只取級(jí)數(shù)展開的前兩項(xiàng)，即

考慮流體中的速度為c/n，將v換成縱向分量2023/2/116激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測(cè)速原理1）多普勒測(cè)速原理探測(cè)器接收到的兩束光頻率之差為（忽略橫向效應(yīng)）

因，若則得

于是，流速為測(cè)量出探測(cè)器上的拍頻信號(hào)，就可以得到Δf，也就可以得到v2023/2/117激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測(cè)速原理2）頻移信號(hào)的檢測(cè)光混頻技術(shù)（外差干涉）：

方式：零差；外差。2023/2/118激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)應(yīng)用1.管道內(nèi)水流的測(cè)量2023/2/119激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)應(yīng)用2．血液流速測(cè)量多維流速的測(cè)量1D速度需要1對(duì)光束，2D速度則要2對(duì)光束，

2對(duì)光束通常做在一個(gè)激光頭內(nèi)，且兩對(duì)光束平面正交。3D速度則要3對(duì)光束。通常由一個(gè)1D激光頭和一個(gè)2D激光頭組成，調(diào)節(jié)兩者之間的相對(duì)位置，可測(cè)得理想的三維速度。3D激光多普勒測(cè)速儀Measurementofairflowarounda

helicopterrotormodelinawindtunnelPhotocourtesyofUniversityofBristol,UKMeasurementofwaterflow

insideapumpmodelPhotocourtesyofGrundfosA/S,DKMeasurementofflowfieldarounda1:5scalecarmodelinawindtunnelPhotocourtesyofMercedes-Benz,GermanyMeasurementofwakeflowaroundashipmodelinatowingtankPhotocourtesyofMarin,theNetherlandsMeasurementofairflowfieldaroundashipmodelinawindtunnelPhotocourtesyofUniversityofBristol,UKMeasurementofflowaroundashippropellerinacavitationtank2023/2/128激光測(cè)距技術(shù)脈沖激光測(cè)距脈沖激光測(cè)距是利用激光脈沖連續(xù)時(shí)間極短、能量在時(shí)間上相對(duì)集中、瞬時(shí)功率很大（一般可達(dá)到兆瓦級(jí)）的特點(diǎn)，在有靶標(biāo)的情況下，脈沖激光測(cè)量可達(dá)極遠(yuǎn)的測(cè)程。2023/2/129激光測(cè)距技術(shù)在進(jìn)行幾公里的近程測(cè)距時(shí)，如果測(cè)量不確定度要求不高，即使不用靶標(biāo)，只利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的漫反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。目前，脈沖激光測(cè)距方法已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測(cè)量、戰(zhàn)術(shù)前沿測(cè)距、導(dǎo)彈運(yùn)行軌道跟蹤，以及人造衛(wèi)星、地球到月球距離的測(cè)量等。2023/2/130激光測(cè)距技術(shù)脈沖激光測(cè)距基本原理如圖所示脈沖激光測(cè)距原理圖示觸發(fā)器時(shí)鐘脈沖振蕩器光電接收器整形電路激光器計(jì)數(shù)器放大器參考信號(hào)取樣回波發(fā)射光束KEDCABA發(fā)射BCDE計(jì)數(shù)a）原理圖b）各點(diǎn)波形圖干涉濾光片2023/2/131激光測(cè)距技術(shù)利用激光進(jìn)行遠(yuǎn)距離（幾千米）測(cè)量的技術(shù)，通常有激光相位測(cè)距和脈沖激光測(cè)距兩種。1激光相位測(cè)距1．激光相位測(cè)距原理相位測(cè)距是通過對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)的。光波從A點(diǎn)傳播到B點(diǎn)的相移可表示為若光從A點(diǎn)傳到B點(diǎn)所用時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)之間的距離Lλ2π相位的調(diào)制波形AB2023/2/132激光測(cè)距技術(shù)激光相位測(cè)距1．激光相位測(cè)距原理只要測(cè)出光波相移中周期2π的整數(shù)m和余數(shù)Δm，便可由公式求出被測(cè)距離L。所以，調(diào)制光波的波長(zhǎng)λ是相位測(cè)距的一把“光尺”。實(shí)際上，用一臺(tái)測(cè)距儀直接測(cè)量A和B兩點(diǎn)光波傳播的相移是不可能的。因此，采用在B點(diǎn)設(shè)置一個(gè)反射器（即測(cè)量靶標(biāo)），使從測(cè)距儀發(fā)出的光波經(jīng)靶標(biāo)反射再返回到測(cè)距儀，由測(cè)距儀的測(cè)相系統(tǒng)對(duì)光波往返一次的相位變化進(jìn)行測(cè)量。ΔλLλA′LAB傳播2L后的光波相位2023/2/133激光測(cè)距技術(shù)激光相位測(cè)距1．激光相位測(cè)距原理相位測(cè)量技術(shù)只能測(cè)量出不足2π的相位尾數(shù)，即只能確定余數(shù)Δm，而不能確定相位的整周期數(shù)m。因此當(dāng)被測(cè)距離L大于Ls時(shí)，用一把光尺是無法測(cè)定距離的。為能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距高準(zhǔn)確度測(cè)量可同時(shí)使用Ls不同的幾把光尺。最短的尺用于保證必要的測(cè)距準(zhǔn)確度，最長(zhǎng)的尺用于保證測(cè)距儀的量程。目前，采用的測(cè)距技術(shù)主要有直接測(cè)尺頻率和間接測(cè)尺頻率兩種。2023/2/134激光測(cè)距技術(shù)激光相位測(cè)距2．激光相位測(cè)距技術(shù)1）直接測(cè)尺頻率由測(cè)尺量度Ls可得光尺的調(diào)制頻率這種方法所選的測(cè)尺頻率fs直接和測(cè)尺長(zhǎng)度Ls相對(duì)應(yīng)，即測(cè)尺長(zhǎng)度直接由測(cè)尺頻率決定。若測(cè)距儀測(cè)程為100km，要求精確到0.01m。如相位測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不確定度為1‰，則需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相應(yīng)光調(diào)制頻率分別為fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。顯然，要求相位測(cè)量系統(tǒng)在這么寬的頻帶內(nèi)都保證1‰的測(cè)量不確定度很難做到。所以直接測(cè)尺頻率一般應(yīng)用于短程測(cè)距，如GaAs半導(dǎo)體激光短程相位測(cè)距儀。2023/2/135激光測(cè)距技術(shù)激光相位測(cè)距2．激光相位測(cè)距技術(shù)2）間接測(cè)尺頻率在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)程要求較大，大都采用間接測(cè)尺頻率方式。若用兩個(gè)頻率fs1和fs2調(diào)制的光分別測(cè)量同一距離L，可得于是2023/2/136激光測(cè)距技術(shù)激光相位測(cè)距2．激光相位測(cè)距技術(shù)2）間接測(cè)尺頻率其中這樣，用fs1和fs2分別測(cè)量某一距離時(shí)，所得相位尾數(shù)之差，與用fs1和fs2的差頻頻率fs=fs1-fs2測(cè)量該距離時(shí)的相位尾數(shù)相等。即通過fs1和fs2頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測(cè)定相應(yīng)的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把fs1和fs2稱為間接測(cè)尺頻率，而把差頻頻率稱為相當(dāng)測(cè)尺頻率。