第6章激光测速与测距技术

1、12345678910111213141515波源的振动频率波源的振动频率观察者测得的频率观察者测得的频率一、波源和观察者相对于介质静止一、波源和观察者相对于介质静止两个相邻等相位面之间的距离是一个波长观察者所接收的观察者所接收的频率频率取决于单位时间内接收到波长的个数取决于单位时间内接收到波长的个数u此时，此时，波的频率即为波源的频率波的频率即为波源的频率。1616二、二、 波源相对于介质不动，观察者相对于介质运动波源相对于介质不动，观察者相对于介质运动1. 观察者向波源运动观察者向波源运动波源的振动频率观察者测得的频率uVuuVuVuooo 由此可见，由此可见，观察者所接收的频率大于波源的

2、频率观察者所接收的频率大于波源的频率17172. 观察者以观察者以Vo离开波源运动离开波源运动 由此可见，由此可见，观察者所接收的频率小于波源的频率观察者所接收的频率小于波源的频率 uVuo总之，总之，波源静止，观察者以速率波源静止，观察者以速率Vo运动时运动时 uVuuVuVuooo1818三、观察者不动，波源相对于介质运动三、观察者不动，波源相对于介质运动1. 波源向观察者运动波源向观察者运动 假定在假定在t时刻，波源处时刻，波源处于于S点处，经一个周期点处，经一个周期T后，波传播到后，波传播到D点，波源点，波源运动到运动到C点。点。CSDO0oV sV波源的振动频率观察者测得的频率191

3、9CSDO0oV sVsSCV T()ssSCuTV TuV T uuuVuuVss由此看见，由此看见，观察者所接收到的频率升高观察者所接收到的频率升高2. 波源背离观察者运动波源背离观察者运动SCDO0oV sVsSCV T()ssSCuTV TuV T2020ssVuuVuuu由此看见，由此看见，观察者所接收到的频率降低观察者所接收到的频率降低四、波源和观察者都相对于介质运动四、波源和观察者都相对于介质运动即即0,0soVV波源运动等效于波长的变化波源运动等效于波长的变化()()sssuVBCuTV TuV T观察者运动等效于波速的变化观察者运动等效于波速的变化ouuVSCDO0oV sV

4、()ssSCuTV TuV T2121()osossuVuVuuVuV波源和观察者相向运动时，波源和观察者相向运动时， 前取正号，前取正号， 前为负号；前为负号；oVsV波源和观察者相反运动时，波源和观察者相反运动时， 前取正号，前取正号， 前为负号前为负号oVsV 频率改变的原因频率改变的原因：在观察者运动的情况下在观察者运动的情况下，频率频率改变是由于观察者观测到的波数增加或减少改变是由于观察者观测到的波数增加或减少；在波源在波源运动的情况下运动的情况下，频率改变是由于波长的缩短或伸长。频率改变是由于波长的缩短或伸长。 22(1)vvvffv人波人测波波波(1)vvvffv人波人测波波波v

5、v ffv Tvv波波波测源源波波波vv ffv Tvv波波波测源源波波波232425262728285 5、静止不动的超声波探测器能发射频率为、静止不动的超声波探测器能发射频率为100 kHz的的超声波。有一车辆迎面驶来，探测器接收到从车辆反超声波。有一车辆迎面驶来，探测器接收到从车辆反射回的超声波频率为射回的超声波频率为112 kHz。如果空气中的声速为。如果空气中的声速为340 ms1 ，试求车辆的行驶速度。，试求车辆的行驶速度。 解：超声波传向车辆时解：超声波传向车辆时uVu超声波反射回探测器时超声波反射回探测器时Vuu 所以所以VuVu 解得解得1 -1 -sm219sm100112

6、100112340 .uV2929冲冲 击击 波波马马 赫赫 锥锥 前面在介绍波源相对于媒质运动所引起的多普勒效应时，讨论了 波源速率 波速 的情况。若 ，波源就会冲出自身发出的波阵面 ，在 时间内， 它所发出的波的一系列波面的包络是一个圆锥体，称为 马赫锥。这种波称为 冲击波。马赫锥的顶角 满足称为马赫数3030高速快艇在其两侧激起的舷波，高速快艇在其两侧激起的舷波， 超音速飞机飞行生成的声波，超音速飞机飞行生成的声波，高速子弹飞行激起的声波等，都属冲击波高速子弹飞行激起的声波等，都属冲击波。 冲击波可使媒质的密度、速度和温度急剧变化，并产生高冲击波可使媒质的密度、速度和温度急剧变化，并产生

7、高温、高压。温、高压。声声 暴暴当波源的运动速率刚好等于波速时当波源的运动速率刚好等于波速时，即即，马赫锥的顶角马赫锥的顶角 ，锥面变为平面。，锥面变为平面。p p波源在各时刻发射的波，几乎与波源自身共处于同一平面，波源在各时刻发射的波，几乎与波源自身共处于同一平面，这时冲击波的能量非常集中、强度和破坏力极大，这种现这时冲击波的能量非常集中、强度和破坏力极大，这种现 例如，当飞机刚好以声速飞行时，机体所产生的任一振动例如，当飞机刚好以声速飞行时，机体所产生的任一振动象称为象称为 “声暴声暴”。都将尾随在机体附近，并引起机身的共振，给飞行带来危险都将尾随在机体附近，并引起机身的共振，给飞行带来危

8、险。因此，超音速飞机在飞行时都要尽快越过这道音速的屏障。因此，超音速飞机在飞行时都要尽快越过这道音速的屏障。313132323333343435经典多普勒效应：经典多普勒效应：00 uusvv经典多普勒效应经典多普勒效应对光是不正确的对光是不正确的对于光波，有对于光波，有c 在相对论中，不同的惯性系中波长和在相对论中，不同的惯性系中波长和频率将不同，但两者的乘积恒为频率将不同，但两者的乘积恒为 c光的多普勒效应光的多普勒效应cucos1120 为观察者实测到的光频率为观察者实测到的光频率0 为光源的固有频率为光源的固有频率一一. 相对论多普勒频移公式相对论多普勒频移公式 与空间有关与空间有关

9、与时间有关与时间有关362222)*(ttcyx*推导推导)d*d)(*(dd2ttttctxuxx22)*(yxttctcuyxxtd)1 (*d22tcu* t)dcos1 (d201ddtt201)cos1 (ddcut*t0*TTcucos11 200(x, y, z , t )(0, 0, 0, t* )yx 光源光源观察者观察者uO37l11001. 光的纵向多普勒效应光的纵向多普勒效应“红移红移”(1) 若光源离开观察者，上式中若光源离开观察者，上式中 取正号，这时取正号，这时l 0 ，实测实测频率频率 l 大于光源固有频率大于光源固有频率0 38例例解解求求一遥远的河外星系以很

10、高的速率离开地球退行而去，其谱线一遥远的河外星系以很高的速率离开地球退行而去，其谱线发生红移。与固有频率发生红移。与固有频率 0 相对应的波长为相对应的波长为 0 = 434 nm 的谱的谱线，地面上观测记录的该谱线的波长线，地面上观测记录的该谱线的波长 = 600 nm.此河外星系的退行速率。此河外星系的退行速率。以以v 表示本题所求的退行速率，以表示本题所求的退行速率，以 表示与波长表示与波长 对应的频率，对应的频率，则有则有0 = c/0 和和 = c/ ，代入纵向多普勒效应式，有，代入纵向多普勒效应式，有cc/1/1 0vvsm 1093. 031. 08cv代入题给数据，解得代入题给

11、数据，解得39散射物的多普勒频移散射物的多普勒频移 观察者静止位于一个坐标原点为的坐标系 中，在这个坐标系中接收电磁辐射 波源静止于另一个原点为O的坐标系中,以光速C在参考系O中移动的平面波为 O0cos2rEEv tc相对运动中参考系之间的坐标变换 E 系统O中考察点P处的电场强度 频率 r 波沿传播方向的距离 是相位常数 波源是静止时坐标系中的平面波 波传播方向和Z轴之间的夹角 cossinrOBBAxy（1）（2）40（2）代入 （1）中有0cossincos2xyEEv tc假设参考系O在x轴上以速度V相对于另一个参考系 作移动，利用洛伦兹变换可以得到：O0cossincos2xyEE

12、vtc其中221cos1/vVvcVc cos/cos1(/ )cosV cV c （3）（4）（5）（6）v用表示 和的关系，则利用式(6)有 221/1 (/ )cosvVcvV c （7）41讨论在光源和观察者相对静止的情况下，移动物体所散射光的频移 先从光源到移动的物体，然后由物体到观察者双重多普勒频移 考虑从光源S发出的频率为的光被物体P散射，在Q处来观察散射光 P所观察到的频率由（5）式得 1221cos1/vVvcVc 该频率的光又被P重新发射出来，在Q处接收到的频率为 由（7）得v（8）2221/1 (/ )cosvVcvV c （9）由于v C,因此12(coscos)vVv

13、vvc （10）2cossin2vVvc（11）散射角 12()122速度向量和PB之间的夹角 PB PS和PQ夹角的平分线 2cossin2Vv （12）426.2 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术 属于非接触测量，不影响流场分布，可测远距离的速度场分布 测速精度高，一般都可以达到0.5%1.0% 空间分辨率高，可测很小体积内的流速 测速范围广，动态响应快 具有良好的方向灵敏度，并可进行多维测量 436.2.1 激光多普勒测速的基本原理光混频技术：将两束频率不同的光混频，获取差频信号。零差干涉 ：入射至物体前两束光频率相同 外差之分 ：入射至物体前两束光频率不相同 Al,A2两束光在探测

14、器上的振幅 12分别为两束光的初始相位 1f2f两束散射方向不同的散射光的频率 1111cos(2)EAf t2222cos(2)EAf t两束光在探测器上混频后，其合成的电场强度: 12111222cos(2)cos(2)EEEAf tAf t222121212121( )()()cos2()2I tk EEk AAkA Aff t两束光初始相位差 1212()ff待测的多普勒频移 零差不能判别运动方向，而且难以抑制直流噪声 外差可判别运动方向，能够抑制噪声446.2.2 激光多普勒测速技术1. 差动多普勒技术 差动技术将两束等强度光聚焦并相交在测量点处，从该点发出的散射光进入光检测器，差拍

15、后得到和两个散射角相对应的多普勒频移。 (1)双光束散射法 12散射体里粒子运动速度V与两束入射光之间的夹角 3 V与观测方向的夹角 两散射光的多普勒频移为： 13(coscos)/vvVc 23(coscos)/vvVc检测器上的差频f为： 12(coscos)sincos2vVVfvvc 21()两束照射光之间的夹角 121()2运动方向与光束夹角平分 线的法线之间的夹角 45(2)单光束双散射法 前向双散射光路 后向双散射光路 一束入射光直接聚焦于被测点上，光线被同一微粒在两个方向上散射，两路对称的散射光束在光电器件上混频，得到差拍信号。46(3)多普勒技术的干涉解释 多普勒技术的干涉解

16、释 47干涉解释中的多普勒信号情况 48当场0E从kl方向与粒子撞击，粒子的位移为r，由k0方向观察可得 10i()0ekkrE在LDV测速仪中，有两个照明场，k1和k2。所以由k0方向观察可得1020i()i()00eekkrkkrEEE探测器得到的信号与场的模的平方成比例22001020201222cos()()21cos()IEEkkrkkrEkkr 借助右图看出，12kk的差值与y轴平行，模数为122 sinkkk若粒子产生平行于y轴的面内位移r，那么余弦函数的相位 12()2sinkkrkr2fdd2 (dd )sin2sin22tkrtVf可得 492. 参考光技术 参考光式光路

17、sin2Vf参考光和散射光以相同的光路入射到检测器。光检测器的输出包含了两种光束的差频信号 是两束照射光之间的夹角 503.多维速度测量与辨向技术多维速度测量与辨向技术 在差动多普勒技术中，多普勒差频是两个频率之差，故不可能知道哪一个频率高哪一个频率低，因此速度符号变化对产生的信号频率无差别，即被测速度存在着方向上的180模糊问题。通过引入频移技术可以消除速度方向的模糊性问题。如果其中一光束与另一束存在的频差，则测量体内形成的干涉条纹将以速度向一个方向移动，如右图所示，其移动速度为 2sinsvufvfv 于是在照明区域中，一个静止的粒子产生的信号将等于这个频移频率。假设，不存在光学频移时，粒

18、子产生的多普勒频移为，则当示踪粒子的速度方向与条纹运动方向相同时，粒子穿越条纹的速度将减慢，此时粒子散射光的频率变为 ，反之，当粒子速度方向与条纹运动方向相反时，光感应器得到的光波频率为 ，依靠判别频率的增加与降低就可以判断出速度的方向。51(1) 二维激光测速光路频率分离型二维光路 d2sinyyyVfk蓝d2sinzzzVfk绿52(2) 六光束三维频移激光测速光路六光束三维LDV光路布置 对称布置的轴向测量光路 cossinRUW122cosRRU122sinRRW12()4sin cosUffk12()4sin cosWffk534.多普勒信号处理技术多普勒信号处理技术 (1) 激光多

19、普勒信号的特点信号频率在一定范围内变化，是一个变频信号。 多普勒信号特征图 VVVDDDfff信号幅值按一定规律变化。 54信号是随机的，断续的 多普勒信号的随机和断续性 55(2) 激光多普勒信号处理方法频谱分析方法 多普勒信号频谱 56频率跟踪方法 频率跟踪器示意图 57计数器处理技术 滤波器组分析法 光子相关技术 计算机处理技术 58处理技术得到瞬时速度接收间断信号提取微弱信号能力典型不确定度可测信号频率上限频谱分析否可好(费时)1%1GHz频率跟踪可否好0.5%50MHz计数器处理可可较好0.5%200MHz滤波器组可可很好2%5%10MHz光子相关否可很好1%2%50MHz计算机处理

20、技术(FFT)可可很好0.5%150MHz596.2.3激光多普勒测速技术的进展激光多普勒测速技术的进展 1966年，Foreman、George、Lewis、Thornton、Felton和Watson等人首先撰写了广泛论述激光风速计的论文。 1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速国际讨论会标志着这一技术的成熟。 20世纪80年代，激光多普勒技术进入了实际应用的新阶段 60使用两个稳定单模激光频差的频移激光多普勒测速仪 混频器单元方框图 61激光测距仪与其它测距仪激光测距仪与其它测距仪( (如光电测距仪等如光电测距仪等) )相比，具相比，具备的特点：备的特点： 探测距离远探测距离

21、远 测距精度高测距精度高 抗干扰性强抗干扰性强 保密性好保密性好 体积小体积小 重量轻重量轻6.3 激光测距技术激光测距技术62激光测距仪的分类激光测距仪的分类激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大激光测距仪的分类：激光测距不同于激光测长，它的测量距离要大得多，按照测量距离可分为下述三类：得多，按照测量距离可分为下述三类：1 1、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量、短程激光测距仪，它的测程仅在五公里以内，适用于各种工程测量2 2、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和、中长程激光测距仪，测程为五至几十公里，适用于大地控制测量和地震

22、预报等地震预报等3 3、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的、远程激光测距仪，它用于测量导弹、人造卫星、月球等空间目标的距离距离激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的时间来换算出距离的，其换算公式为出距离的，其换算公式为2ctd 63测距方法分类测距方法分类脉冲测距法：脉冲测距法：测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时间间隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间即

23、光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。脉冲法测距精度大多。脉冲法测距精度大多为米的量级为米的量级相位测距法：相位测距法：它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化，间接测量时间传播所发生的相位变化，间接测量时间t。这种方法测量精度较。这种方法测量精度较高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用644.3.1 脉冲激光测距1. 测量原理测量原理脉冲激光测距原理 由激光器发出持续时间极短的脉冲激光(称为主波)，经过待测的距离L射向被测目标。被反射的脉冲激光(回波信号)返回测距仪，由光电探测器接收。

24、当光速为c，激光脉冲从激光器到待测目标之间往返时间为t，就可算出待测目标的距离为2Lct652. 测量系统（1）组成：脉冲激光发射系统、接收系统、门控电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路 脉冲激光测距系统 （2）测量过程：首先对准目标，启动复位开关K，复原电路给出复原信号，使整机复原，准备进行测量。同时触发脉冲激光发生器，产生激光脉冲。该激光脉冲有一小部分能量由参考信号取样器直接送到接收系统，作为计时的起始点，大部分光脉冲能量射向待测目标。由目标反射回测距仪处的光脉冲能量，被接收系统接收。参考信号(主波信号)和回波信号先后由光电探测器变换为电脉冲，并加以放大和整形。整形后的参考信号使T触发器翻

25、转，控制计数器开始对晶体振荡器发出的时钟脉冲进行计数。整形后的回波信号使T触发器的输出翻转无效，从而使计数器停止工作。根据计数器的输出可计算出待测目标的距离 2cNLf式中，N为计数脉冲个数；f为计数脉冲的频率。66（3）分辨率 系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。由于光速很快，计时基准脉冲和计数器频率的高低直接影响着所获得的测距精度。 过高的时钟脉冲不易获得；普通电子元器件无法保证精度，但选用高速器件会增加系统设计难度，成本大幅提高。（4）测距精度 12Lc t676.3.2相位激光测距 1、相位测距原理、相位测距原理f 调制频率c 光速 光波从A点传到B点的相移 ： 2 ()2mmm/2m

26、式中m是零或正整数；m是个小数，A，B两点之间的距离L： ()2Lctfmmft 光由A点传到B点所需时间 （1）波长为： cf（2）（3）用“光尺”测量距离 波长是相位式激光测距仪量度距离的一把尺子 68光波往返一次后的相位变化 光波经2L距离后的相位变化 假设测距仪的接收系统置于A(实际上测距仪的发射和接收系统都是在点 ) A,2ABBA AAL则有 2()Lmm()()2sLmmL mm相位测量技术只能测量出不足 的相位尾数，只能确定小数： 2的相位尾数的 2m当距离LL即可确定距离L 缺点：由于测相系统存在的测相误差，使得所选用的Ls愈大时测距误差愈大 用一组(两个或两个以上)测尺一起对距离L进行测量 优点：解决了测距仪高精度和长测程的矛盾，其中最短的测尺保证了必要的测距精度，最长的测尺则保证了测距仪的测程。测尺频率测尺频率 /(2)ssfcL直接测尺频率方式：直接测尺频率方式：测尺频率fs是直接和测尺长度Ls相对应的，即测尺长度 直接由测尺频率所决定 测程要求l00km，精确到0.01m ，如果采用相位测量系统的精度为1 ，（7）需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m， Ls3=10m，相应的光的调制频率分别为fsl=1.5KHz， fs2 =150KHz， fs3 =