激光多普勒測速和激光測距

激光多普勒測速和激光測距1目錄激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎激光多普勒測速技術應用激光測距技術脈沖激光測距相位激光測距22023/2/13激光多普勒測速技術概述1842年奧地利科學家Doppler等人首次發現，任何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質或散射體的運動會使頻率發生變化——多普勒效應。2023/2/14激光多普勒測速技術1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實了可用激光多普勒頻移技術來確定粒子流動速度。目前，激光多普勒頻移技術已廣泛地應用到流體力學、空氣動力學、燃燒學、生物醫學以及工業生產中的速度測量。2023/2/15激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應當波源與觀測者之間有相對運動時，觀測者所接收到的頻率不等于波源振動頻率，此現象稱為多普勒效應。2023/2/16激光多普勒測速技術多普勒在其聲學理論中指出，在聲源、介質、觀測者存在相對運動時，觀測者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現象就是聲學多普勒效應。愛因斯坦在《論物體的電動力學》中指出，當光源與觀測者有相對運動時，觀測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。聲學多普勒效應與波源及觀測者相對于介質運動有關，光學多普勒效應只與光源和觀測者之間的相對運動有關，因此，聲學（機械波）和光學（電磁波）的多普勒效應有本質區別。2023/2/17激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應1）聲多普勒效應原理聲波是依賴于介質傳播的，離開介質就談不上波的存在。設聲源的頻率為f，聲波在媒質中的速度為v，波長λ=v/f①聲源不動，觀測者相對于媒質以速度v1運動設聲源相對于介質靜止，觀測者迎向聲源運動，則聲波相對于觀測者的速度不再是v，而是v+v1，則觀測者接收到聲波的頻率為同理，觀測者背離聲源有2023/2/18激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應1）聲多普勒效應原理②聲源相對于媒質以速度v2運動，觀測者靜止于媒質中設聲源S相對于媒質以速度v2迎著觀測者D運動。波源在運動過程中按照自己的頻率振動，一個周期內完成一次全振動，在媒質中產生一個完整波形；同時在T內，波源前進了v2T距離，波長變為S1S2v2Dv2Tλ'λ

聲源向靜止觀察者運動的多普勒效應示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測者運動有2023/2/19激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應1）聲多普勒效應原理②聲源和觀測者相對于媒質運動，速度分別為v2和v1綜合上述情況，可以得到：觀測者向著聲源運動時，取正號；反之取負號聲源向著觀測者運動時，取負號；反之取正號總之當聲源和觀測者相向運動時，接收頻率升高；當聲源和觀測者背離運動時，接收頻率降低；強調：聲學只有縱向多普勒效應，沒有橫向多普勒效應2023/2/110激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應2）光多普勒效應原理對于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，所以，光源和觀測者誰相對于誰運動是等價的，只取決于相對速度的大小。如圖示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應示意圖K'系中靜止的光源從K'系的t1'時刻開始發出一列光波，這個波列的發射截止時間為t2'，于是在K'系中此波列發射的時間為（t2'

－t1'

），在這段時間內發射的波數為N，光源的頻率為2023/2/111激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應2）光多普勒效應原理在觀測者所在坐標系K中來看，此波列發射始于t1時刻（光源在S1處），接收這個波列的時刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應示意圖在觀測者所在坐標系K中來看，此波列發射截止于t2時刻（光源在S2處）。t2時刻光源發出的光波傳到觀測者的時刻為2023/2/112激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應2）光多普勒效應原理觀測者D收到這N個波共需時2023/2/113激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應2）光多普勒效應原理觀測者接收光波的頻率為根據時間相對性這就是光學多普勒效應公式2023/2/114激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎1.多普勒效應2）光多普勒效應原理若相對運動發生在觀測者和光源連線上，則cosθ＝±1（遠離時取1，接近時取－1）：縱向多普勒效應若相對運動發生在觀測者和光源連線的垂直方向上，則cosθ＝0橫向多普勒效應同樣的v值下，橫向多普勒效應比縱向多普勒效應要小很多。2023/2/115激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術基礎2.激光多普勒測速原理1）多普勒測速原理如圖。由于v/c非常小，只取級數展開的前兩項，即

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

因，若則得

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

方式：零差；外差。2023/2/118激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術應用1.管道內水流的測量2023/2/119激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術應用2．血液流速測量多維流速的測量1D速度需要1對光束，2D速度則要2對光束，

2對光束通常做在一個激光頭內，且兩對光束平面正交。3D速度則要3對光束。通常由一個1D激光頭和一個2D激光頭組成，調節兩者之間的相對位置，可測得理想的三維速度。3D激光多普勒測速儀Measurementofairflowarounda

helicopterrotormodelinawindtunnelPhotocourtesyofUniversityofBristol,UKMeasurementofwaterflow

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