激光多普勒测速技术介绍及发展史

1、激光多普勒测速概述：利用光的多普勒频移效应，用激光作光源，测量气体、液体、固体速度的一种装置。1842年奥地利物理学家C.多普勒发现了声波的多普勒效应。1905年A.爱因斯坦在狭义相对论中指出，多普勒效应也能在光波中发生。光照射到运动的粒子上发生散射时，散射光的频率相对入射光的频率发生变化。频率的偏移量与运动粒子的速度成正比。当流场中散射粒子的直径与入射光的波长为同一量级，且散射粒子的重量与周围流场粒子重量相近时，散射粒子的运动速度基本上代表流场的局部流速。美国Y.耶和H.卡明斯于1964年第一次报道利用激光多普勒频移效应进行流体速度测量。激光多普勒测速计包括光学系统和信号处理系统。光学系统将

2、激光束照射到跟随流体运动的粒子上，并使被测点（体积）的散射光会聚进入光电接收器。按接受散射光的方式光学系统可分为前向散射型、后向散射型和混合散射型。按光学结构可分为参考光型、双散射型、条纹型和偏振光型。图6为前向双散射型原理图。 光电接收器（光电倍增管、硅光二极管等）接收随时间变化的两束散射光波，经混频后输出信号的频率是两部分光波的频率差，与流速成正比。采用信号处理系统把反映流速的真正信息从各种噪声中检测出来,并转换成模拟量或数字量,作进一步处理或显示。常用的信号处理器有频率分析仪、频率跟踪器、计数式处理器等。从原理上讲，激光多普勒测速计是直接测量速度的唯一手段。在风洞实验中可用它测量局部速度

3、、平均速度、湍流强度、速度脉动等，适用于研究激波和边界层的分离干扰区、旋翼速度场、有引射的边界层以及高温流等。测速仪器或装置的测速范围从0.05厘米/秒到2000米/秒。测量高速时受光电器件频率响应范围的限制。实验中，有时需要用专门的粒子播发装置把不同大小的粒子掺入气流中。由于散射粒子惯性等的影响，粒子运动速度滞后于流体，因而测速精度较低，湍流度高时精度更低。原理：由布拉格单元输出的两束强度相同的光，其中一束被加了一个频移。这两束光通过聚焦进入光纤，然后被传输到探头。这些光经过一个聚焦透镜在探测体内相交于一点。在探测体内，由于光的干涉现象，光的强度被调整而产生一组干涉条纹,条纹的方向与两束入射

4、光的的角平分线平行。由两列相干涉平面波相互干涉的结果可知，干涉条纹的距离是由激光的波长和两光束的角度决定的：d=2sin2 式中入射光的波长；入射光束的夹角。当示踪粒子在垂直于干涉条纹方向上随流体以速度V穿过条纹时，若粒子位于条纹的亮区，则对光的阻挡及散射最大，相反对光的阻挡及散射最小。因此，散射光中包含了一个多普勒频移，在条纹之后接收到的光信号是一个调制量，它与和这两个光束等分线垂直的速度分量成比例。光电探测器把光强度的波动转化成电信号，即多普勒脉冲。多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，然后经过频率分析（诸如快速傅立叶变换）确定多普勒频率，进而获得粒子的速度信息。优点：a、无接触测量，测量

5、过程对流场无干扰；b、空间分辩率高,适用于边界层、薄层流体及狭通道流体的测量；c、动态响应快，可进行瞬时测量，是研究紊流,测量瞬时速度的新方法；d、测量精度高，该仪器的基本原理是一个精确的物理表达式，基本上与流体的其它特性无关；e、利用测须差来测速度，由于须差和速度从低速到高速是一个线性关系式，故不需校正，并且频移的可测速度范围很大；f、好的方向灵敏性，可以比较方便地测量任意方向上的速度分量。局限性a、被测流体要有一定的透光度，管道要有透明窗口。试验段一般采用透明的有机玻璃，但若测量精度要求很高,通常采用光学玻璃；b、测纯净的水或空气时，须人工掺入适当的粒子作散射中心，并对粒子尺寸有一定要求；

6、c、流速很高时，要求提高激光输出功率，另外由于信号频率高而使信号处理困难；d、价格较贵，且有一定的防震要求。改善措施：实验时需要选用线宽较窄的激光器；选用孔径较小的探测器；在满足外差干涉条件的情况下,适当增大两光束光轴之间的夹角；在保证信号强度的前提下,适当增大待测点到半透半反镜上有效光斑中心的距离，以减小系统的测量误差。激光多普勒测速的未来发展趋势激光的多普勒效应是激光多普勒测速技术的重要理论基础，当光源和运动物体发生相对运动时，从运动物体散射回来的光会产生多普勒频移，这个频移量的大小与运动物体的速度、入射光和速度方向的夹角都有关系，可以通过测量激光多普勒频移量的值来获得运动物体的速度信息目

7、前的单频激光多普勒测速仪存在着直流漂移，抗干扰能力差的缺陷；正交偏振双频激光多普勒测速仪不存在直流漂移，抗干扰能力强，但是，它的测速上限受限于所采用双频激光器的频差，无法满足对高速运动物体进行速度测量的需求，可以通过研制大频差双频激光器来提高这种测量方法的测速上限；采用双频激光同时照射到运动物体上以传感运动速度的型双频激光多普勒测速仪能够有效提高可测速度上限，扩大测速范围。单频激光多普勒测速仪：通过测量由于运动物体对光的散射所产生的多普勒频移量来获取待测物体的速度。1、 迈克尔逊干涉型测速仪：（测速体积比较大的固体材料，对信号检测系统的带宽有较高的要求）2、 差分混频单频激光多普勒测速仪（只能

8、测量很低的速度）3、 单频激光速度干涉仪（不能测量匀速运动的物体速度）下面详细介绍适用于风洞测速技术的激光多普勒测速仪（LDV）详见上面的介绍为了修正其中的一些缺陷，最近发展了双频激光多普勒测速仪双频激光多普勒测速仪不同于单频激光多普勒测速仪，采用双频激光器作为光源，能够克服单频激光多普勒测速仪易受测量环境影响的缺点，抗干扰能力强，具有较高的信噪比。分为正交偏振双频激光多普勒测速仪和型双频激光多普勒测速仪正交偏振双频激光多普勒测速仪：外差式双频激光多普勒测速仪的最大测量速度取决于双频激光器的频差。至今已见报道的此类测速仪所用的双频激光器的频差还不够高，限制了它们的测速范围型双频激光多普勒测速仪：不