激光多普勒测速技术

激光多普勒测速技术（LDV）

1.引言

多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。二十世纪六十年代，激光器得以发明。激光的出现大力地促进了各个学科的发展。由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。

1964年，杨(Yeh)和古明斯(Cummins首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪(LDV)以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展。激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。

2. 激光多普勒测速原理

激光多普勒测速原理即为激光多普勒效应：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。

图1. 激光多普勒效应的示意图

激光多普勒效应的示意图如图1所示，其中，o为光源，p为运动物体，s

为观察者的位置。激光的频率为f，运动物体的速度为V，那么物体运动产生的多普勒频移量可表示为：

fDfV(eseo) (1) c

式中：eo为入射光单位向量，es是散射光的单位向量，c是光速。由式(1)可知，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。

3. 激光多普勒测速的光检测方式

由于光频较高，常见的电检测器，如光电倍增管、硅光二极管、雪崩二极管等不能响应光波的频率，所以用光电检测器直接检测散射光频率是很困难的。因此，一般采用相干检测的方法。

设一束散射光与另一束参考光（或两束均为散射光，但散射方向不同）的频率分别为fs1 , fs2 ，它们到达光探测器阴极表面的电场强度分别为：

E1E01cos(2fs1t1)

E2E02cos(2fs2t2) (2)

式中， E01, E02 分别为两束光在光阴极表面处的振幅；ϕ1,ϕ2 分别为两束光的初始相位。两束光在光阴极表面混频，其合成的电场强度为：

EE1E2

E01cos(2fs1t1)E02cos(2fs2t2) (3)

光强度与光的电场强度的平方成正比：

I(t)k(E1E2)2

(4) 122k(E01E02)kE01E02cos[2(fs1fs2)t)2

式中，k 为常数，ϕ为两束光初始相位差，ϕ =ϕ1 −ϕ2，如两束光相干，则ϕ为常数。其中，第一项是直流分量，可用电容器隔去，第二项是交流分量，其中(fs1 − fs2 )正是我们希望得到的多普勒频移。

在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。

3.1 参考光模式

图2. 参考光模式

图2所示是参考光模式，激光经分光镜分成两束光，其中一束是弱光用作参考光，另一束是强光用作照射光束，它们聚焦到测量区。光电检测器接收参考光，同时接收另一束照射光束经过粒子散射在同一方向上的散射光，它们在光电检测器件中进行光外差，从而得到多普勒频移。为了使参考光和散射光强度基本相近，必须使参考光减弱。通常参考光束和照射光束的光强比为1:99左右，这里可以用中性滤光片来减弱参考光，或者选择合适的分光镜的分光比来实现。参考光模式的光学单元具有结构紧凑、调节方便和使用灵活的优点。

3.2 单光束-双散射模式

光阑

激

光

图3. 单光束-双散射模式

图3所示是单光束-双散射模式，一束人射激光束直接聚焦于测量点上，该入射光束在两个不同方向上散射，两束散射光进行光外差而得到多普勒频移。如图3所示，两支对称的散射光束通过置于大透镜前的双孔光阑，其余的散射光则被遮挡住，然后，两支散射光被光束分离器结合成单光束，然后在光电检测器中进行光外差。单光束-双散射模式一般用得较少，它没有明显的优点，但是可以用它来接收两个互相垂直平面的两对散射光，同时测量两个速度分量，而旋转双孔光阑到任意角度，可接收测量平面上任意方向的两个速度分量。

3.3 双光束-双散射模式

如图4. 双光束-双散射模式

如图4所示是双光束-双散射模式，激光经分光镜分成两束强度相等、互相平行的光束，通过聚焦透镜，会聚于被测点，然后这两束入射光在同一方向的散射光汇聚到光电检测器中进行外差而获得多普勒频移。双光束-双散射模式是目前激光测速中应用最广泛的光路模式。它的多普勒频移只取决于两束入射光方向，而与散射光方向无关，这是该模式的重要特点。因为光接收器可以放在任意位置，而且可以采用大的收集立体角以提高散射光功率。入射光系统可制成集成化光学单元，大大提高了光学系统的稳固性和易调准性。

4. 激光多普勒测速的特点

4.1 激光多普勒测速的优点

激光多普勒测速与传统的测速仪相比具有如下优点：

 属于非接触测量:激光会聚点就是测量探头.测量过程对流场无干扰,这对回旋

流场尤为适用。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。  空间分辨率极高：目前测点可小于10−4mm3，随着所用激光波长的减小，光

路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径10μm 中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。  动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，

可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。

 测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的

其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪器。

 测量量程大：因为频差与速度成简单线性关系，不论低速或高速都不需校正，

他允许有很大的频移，目前已能测0.1mm/s~2000m/s 的速度，这是普通测速仪不能比拟的。

 测量速度方向的灵敏性好：因光束分离器旋转时测点不变，所以可方便地测

量任意方向的速度分量，并可用作常量二维流动的测量研究。

4.2 激光多普勒测速的缺点

激光多普勒测速仪本质上是利用检测流体中和流体以同一速度运动的微小颗粒的散射光来测定流体速度的仪器，由此也带来一定的局限性。

 被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。

 在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作散射中心。  流速很高时要求提高激光输出功率，由于信号频率很高而使信号处理困难。  价格较贵。

 使用时要有一定的防震要求，并使管道和光学系统无相对运动。

尽管如此，由于他有许多独特的优点，现已成为科研和实验室工作中的有力工具，并具有广阔的应用前景。

5.激光多普勒测速技术的应用

激光多普勒测速具有许多优点，它广泛地应用于空气动力学和流体力学，用来测量风洞、水筒、水工模型、射流元件等各场合中流体的流场分布和有关的物理参量，它也适用于边界层流体的测量和二相流的测量。近来，已能测量亚音速、超音速喷气流的速度，所以被用来研究喷气过程、燃烧过程，为燃气轮机、气缸、锅炉、原子能反应堆等方面的设计研究提供了实验数据和测试结果[6]。激光多普勒速度计已从科研的实验室进人工厂现场，如测铝板、钢板的轧制速度，固体粉末输送速度，天然气输送以及控制棉纱、纸、人造纤维的运动速度以提高产品质量。结合其他技术，还可以扩大测速仪的用途，同时测量浓度，或者振动等其他物理参量。现在，激光多普勒测速技术已逐渐在国民经济各部门得到实际应用，并取到了良好的效果。这一技术本身也正在不断地深入发展，以适应迅猛发展的科学研究与生产的需要。