基于激光探测技术的小型化弹丸测速系统

1 绪论

弹丸速度是弹丸运动特性的一个重要参数，是衡量武器性能的基本参数，也是为射表编制和内弹道研究必须提供的数据。区截装置测速法是现代靶场中弹丸测速的普遍方法。

1．1 弹丸测速技术研究的意义

在武器系统的研制、定型、生产质量控制、产品检验以及弹道学理论的研究中，都需要测定弹丸的飞行速度。弹丸飞行速度是弹道特性的一个重要参数之一，也是枪炮，火药生产研制的一个重要技术指标。弹丸速度的大小与弹丸发射条件及过程有关，也与弹丸本身的物理参数、气动参数和气象参数有关，它是衡量枪炮特性和弹道特性的一项重要指标。利用这项指标，可以描述作用在弹丸上的力和力矩随马赫数的变化以及射击时伴随枪炮及弹药的一些物理现象，可以确定武器弹药系统的弹道特性、选择装药和普遍地检验枪炮、火药和弹药工厂的产品。因此，在武器系统的研制、定性、生产质量控制、产品验收，以及整个弹道学理论和其他一些理论的研究中都需要测量弹丸的飞行速度[1]。

虽然目前弹丸测速技术已经比较成熟了，但是随着目前国防对各种类型高速射击武器的不断需求以及武器研制和生产水平的不断进步，各类射击武器的研制和产厂家越来越突出其出射弹丸的高速性能，因此在对各类射击武器的定型和生产中对弹丸速度的高精度测量也提出了越来越高的要求。可见对于弹丸测速技术的进一步研究和改进，把目前一些新方法和新技术运用到弹丸测速技术之中，提高弹丸测速的精度和稳定性仍然有着重要的意义。

1．2 弹丸测速技术国内外的发展与现状

自1742年，英国实验弹道学家罗宾斯发明弹道摆，第一次提供弹丸速度的测量方法以来，人们对弹丸飞行速度的测量进行了大量的研究，发明了许多较为成功的方法，19世纪中期，由于火炮发射技术的进步，弹丸速度的不断增加，对弹丸速度测定精度要求也愈来愈高。这样，客观上促进了弹丸速度测量技术的发展，电械测时仪、布朗节测速仪是这一期间应用较为广泛的两种测速方法，特别是，布朗节测速仪大大提高了弹丸测速精度，使人们对空气阻力有了更深刻的认识，可以说是弹丸速度测量方法的一次重大革新，这种测速方法在我国普遍采用，直到60年代才开

始被新的测速方法取代[2]。20世纪初期，伴随着电子技术的广泛兴起以及计算机技术的蓬勃发展，弹丸测速技术也得到迅猛发展，螺线管、测时仪和快速记录示波器等先进的测速技术应运而生，使弹丸速度测量精度得到较大的提高。

目前，国内外采用的弹丸测速方法主要有两种：一种方法是区截装置测速法。这种方法是测量弹丸飞过一段已知距离的时间，然后用距离除以时间求出的已知距离的弹丸平均飞行速度；另一种弹丸速度的测量方法是应用多普勒雷达技术。其基本原理是向运动目标发出一束无线电波，从目标上反射回到测速仪上来。测速仪输出一个交变电流信号，其频率是发射波频率和接受机频率之差。如果目标相对测速仪是静止的，发射和接受的频率相等，则频差为零；如果目标相对测速仪之间相对运动时，则反射信号将产生一个频率偏移，这个频差(也叫多普勒频移)直接与测速仪到目标的距离的变化率成正比即与径向速度成正比，因此可以得到目标的运动速度。由于区截装置测速法的性价比高，所以国内目前普遍采用的弹丸测速方法以区截装置测速法为主[3]。

区截装置测速法主要是用测时仪和区截靶测出弹丸在两靶间的平均速度。其中用区截靶敏感弹丸到达弹道的位置，用测时仪计算出弹丸飞过两靶间的时间和速度。区截装置根据所测弹丸的不同种类而选用。目前使用的区截装置主要有通断靶(靶网、铝箔靶等)、电磁感应的线圈靶以及近年来出现的光电靶(包括光幕靶、天幕靶等)。其中光电靶由于它能沿弹道测量弹丸飞行的时间，而没有通常接触靶对弹丸的干扰，无需对弹丸磁化、无需对靶网接线、劳动强度低等。因而深受用户的青睐，使用也越来越普遍。光电靶的工作原理是当弹丸通过光幕上方时就改变了落在光电管上的光线，因而产生一个电信号启动测时仪[4]。

1．3 测时仪的发展概况

测时仪的种类较多，但在弹丸速度测量中，由于弹丸速度高，测速靶距较小，靶场环境复杂，容易受到电磁和电源波动的干扰，与普通环境下的计时相比，用于弹丸测速的测时仪对响应、精度、分辨率和抗干扰的要求都更高，因此，目前国内、外普遍采用电子测时仪，随着科学技术的不断发展，电子测时仪经历了几次更新换代，最早期的测时仪为电子管测时仪，这种测时仪功耗高、体积大、使用不方便，工作不可靠；二代电子测时仪是分立元件的晶体管测时仪，其体积大大减小、功耗较小、使用时不需要预热，工作可靠性相对较高，但电路设计、调试比较烦琐，计

时分辨率较低；代电子测时仪在结构上采用集成电路，体积进一步减小，并实现多路同时测量的功能，工作可靠性大大提高，但同样存在电路设计，调试比较烦琐等不利因素；第四代电子测时仪引入计算机技术，使得测时与数据处理集为一体，实现了自动数据采集、存贮、处理和输出，它不但可以测量一发弹的多点速度，而且可以测出连射弹丸的飞行速度和射击频率(射频) [5]。

大规模集成电路的发展，使计算机的体积越来越小，而且价格亦越低，为智能化仪器、虚拟仪器的发展提供了条件。目前国内外普遍采用的电子测时仪为第四代，都是在计算机技术基础上发展起来的，尤其是高频晶振的出现和半导体技术的日趋成熟为高分辨率计时的设计提供了契机，利用单片机技术构建的测时仪及以瞬态波形存储器与计算机构成的虚拟测时仪应用居多。

1．4 本文的主要工作

为了有效提高测速系统的使用范围和灵活性，降低成本，根据弹丸测试场合，测试特点等方面的要求，现提出了采用激光光幕测试技术来实现对弹丸速度的测试。激光光幕速度测试是利用光电检测技术实现对弹丸速度的非接触测试，该方法操作简便，效率高，测试范围大，精度高，且不受天气的影响。在常规兵器弹丸速度测试中具有显著的优势。小型弹丸速度测试系统由光学设计单元、信号处理单元及数据采集、显示单元组成。由于速度信号的采集、显示采用单片机数据处理和显示电路来实现，代替了由数据采集卡和计算机构成的数据处理模块，故不仅使得系统实现了小型化、使用起来更加方便，而且降低了成本。因此该测试系统在弹丸速度测试领域具有非常高的实用价值。其具体的设计思路和本文的主要工作如下：1、详细地介绍了各种弹丸测速的重要意义、历史和现状；比较了弹丸测速各种方法的优缺点；针对弹丸区截装置测速系统中测时仪的发展现状，分析了当前测时仪所存在的问题即测时仪的可靠性、精度和智能化，提出采用单片机计时的简单实用方案。

2、在分析目前国内外弹丸测试现状的基础上，结合本课题的设计要求，设计了系统方案。提出一种基于单片机的简单轻便，能立刻显示结果的一套实用系统。

3、设计一个光学系统,能对弹丸飞过光幕能作出相应合理的光信息变化，并通过光敏器件把相对应的光信号转化成电信号。

4、在分析输出信号的基础上，设计了从光信号转换成模拟的电信号，再把模拟的

电信号转换成单片机能识别的数字信号的电路。

5、通过编程，使单片机能完成速度的计算，并输出结果，在LCD上显示出来。

6、仿真系统，是否能正常运行。

7、进行试验，并进行分析数据。

2 系统方案的设计

弹丸区截装置测速法(定距测时法)是目前国内普遍采用的弹丸初速的测量方法。其测量的精度主要取决于光幕靶之间距离的测量精度和测时仪的测时精度。光幕靶之间距离的测量方法已经比较成熟，因此精化弹丸通过两光幕之间的时间，对于提高测速精度有着重要的意义。

2．1弹丸测速和测时的原理

2.1.1弹丸测速原理

本文采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。光电靶测速的基本原理是基于区截测速。在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕，分别为启动光幕和结束光幕，如图1所示。此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成（要是两光幕不平行就会产生误差，即两光幕间的距离S值不确定）。光幕靶采用激光与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。当运动物体(弹丸)在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光，光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。由单片机处理对两路区截信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根据公式V=S/T便可计算出弹丸通过这段距离的平均速度，即弹丸的速度[6]。

图1 弹丸测速原理图

2.1.2测时原理

测时仪是弹丸区截装置测速系统中的主要设备。因为当距离已确定，那速度由时间来决定。测时仪和区截装置配合来测量、计算弹丸飞过两个区截装置间的时间和飞行平均速度。虽然测时仪的种类较多，但在区截装置测速法中都普遍采用电子测时仪，其基本原理也都是以记录晶振振荡脉冲数目的方法来测定时间间隔[7]。如图2所示，测时仪内的同步计数器在时基脉冲的驱动下工作，当测时仪内部的信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的启动脉冲信号有效时，计数器开始计数，直到信号捕捉电路捕捉到区截装置输出的截止脉冲信号有效时，计数器才停止计数，这时的计数器的值和时基脉冲周期的乘积便是启动脉冲和截止脉冲信号的间隔时间，也就是我们所要测量的弹丸在两个区截装置间（激光光幕）的飞行时间[8]。

图2 测试仪工作原理示意图

利用单片机的定时、计数部件构成计时模块是目前工程上广泛采用的一种计时方式。由于单片机最高工作频率为24MHz，计时分辨率为0．05us，在多数情况下能满足计时精度的要求。因此本方案利用单片机计计数器进行计时。

2．2 弹丸通过光幕分析

假设光功率P 均匀分布在高为h 的光幕上,则当直径为D 的球形弹丸穿过激光光

幕时,弹丸遮挡的最大光功率与总光功率之比小于D/h(对于直径为D 的圆柱形弹丸, 其比值为D/h)。若光幕的出射光经会聚后全部被光电探测器接收，则弹丸在穿过光

幕过程中探测器接收到的最大光功率变化β

为方便起见，首先针对直径和高度均为1 mm 的圆柱形弹丸进行速度估算。从弹

丸右边缘开始进入光幕到深入至光幕0.4mm(光幕厚度)，探测器接收到的光功率逐

渐减小，减小速度由弹丸运动速度决定；从弹丸右边缘深入激光光幕0.4 mm 到弹丸

左边缘进人光幕，弹丸遮挡光功率基本保持不变，探测器接收的光功率也基本保持

不变；从弹丸左边缘进入光幕到左边缘完全出光幕，弹丸遮挡的光功率逐渐减少，探测器接收到的光功率逐渐增多；当弹丸左边缘完全出光幕时，探测器接收到的光

功率恢复到弹丸未穿过光幕时的水平，此时弹丸右边缘行进的距离为弹丸直径与光

幕厚度之和。可以近似得到弹丸穿过光幕过程中光功率随时间变化的波形，如图3

所示。其中：时间1t ～2t 表示弹丸进入光幕的过程，2t ～3t 表示弹丸稳定穿过光幕

的过程，3t ～4t 表示弹丸离开光幕的过程。

图3 弹丸穿过光幕的示意图

图4 接收光功率的波形示意图

假设弹丸速度口=10 km/s ，光幕厚度d=0.4mm ，弹丸直径D=1mm ，则

波形前沿 12140d t t t ns v

=-=

= (2.1) 顶部时间 3260top D d t t t ns v

-=-== (2.2) 波形后沿 4340r d t t t ns v =-== (2.3) 波形底宽 41140bottom f top r t t t t t t ns =-=++= (2.4)

波形半高宽 1()1002w t o p b o t t o m t t t n s =+= (2.5)

对于直径为1mm 的球形弹丸，穿过光幕的时间较柱形弹丸的时间略长，而且在

稳定穿越的过程中遮挡的光功率也并非不变，而是一个由少到多再由多到少的变化

过程，在接收光信号上表现为：顶部时间可能减小，信号的前后沿将延长，信号的

最高频率将降低，对光电检测电路的高频性能要求也相应降低。因此，为了准确测

量直径D=1mm 的弹丸速度(约10 km/s)，测量装置必须具有足够快的响应速度，从而

可以准确捕获前沿为40ns 的脉冲信号[10]。

2．3 系统设计

本系统采用的研究手段是利用光电靶检测弹丸。光电靶测速的基本原理是基于区截测速。在弹道中的两个固定的点放置两个激光光幕靶，分别为启动光幕和结束光幕，如图5所示。此激光光幕靶是由两个平行的光幕组成[11]。激光光幕靶采用激光器与光敏器件构成，光源通过光学系统形成一定有效光幕区域，由光敏器件接收。当运动物体(弹丸)在通过已知间距为S的两个光幕时，会挡住一部分或者全部激光,光敏器件将该光通量的变化转化成电信号，然后经过放大、整形，作为区截信号。由单片机处理电路对两信号进行处理计算，得到运动物体（弹丸）通过这段距离所需时间T，然后根据公式V=S/T便可计算出弹丸计通过这段距离的平均速度，再通过显示器（LCD）将其值显示出来[12]。

图5 系统原理图

总体设计包括光学系统和控制系统两大部分。光学系统中选用半导体激光二极

管作光源，具有体积小、效率高、成本低、无需高压电源、寿命长等优点；选用大面积PIN 光敏二极管作为光电检测器件，以确保在实现大面积有效光幕区的同时会

聚光斑的接收。在电路设计及器件的选择上确保低噪声、高响应速度和高灵敏度[13]。

控制系统采用经典单片机AT89C51来代替数据采集卡和计算机组成的系统，性

价比高、操作简单、且易于扩展功能。控制系统主要由单片机AT89C51、比较电路、

LCD显示及驱动电路组成，其系统框图如图6所示[14]。两路输入信号经比较电路后成为方波信号，送入单片机AT89C51的外部中断端(INT0，INT1)，控制定时器1的开关，即可获得弹丸穿过两激光光幕间的时间间隔t。而已知靶距S，从而计算出弹丸过靶速度。将数据写到P0口，将P2口进行控制输出，驱动LCD显示。本系统中，采用LCD动态显示，可节省线路板空间、降低成本、更具实用性。

图6 系统框架图

3 硬件部分设计

3．1 光幕单元

3.1.1 反向屏反向原理(玻璃微珠原向反射膜及其剩余发散角)

微珠玻璃原向反射膜是由玻璃微珠涂敷在压敏胶膜上，再粘贴到平板上构成，其结构示意图如图7所示。微珠玻璃反射膜的主要特性是原向反射。从玻璃的冷加工工艺考虑，制作精度较高的玻璃球并非易事。目前微珠玻璃的生产工艺常为将熔融的玻璃喷成雾状微粒，在液态玻璃的表面张力的作用下，通过喷咀气流速度控制微粒的大小，自行凝结成为微小圆球体。而且，目前仍有许多科技人员从事着有关工艺研究，如美国专利6511739(2003.1.28)，6461988(2002.10.8)，6461718

（2002.10.8）和6451408(2002.9.17)等报道所述[15]。图8为一种玻璃微珠原向反射薄膜在观察角度为0.2度时的反射亮度随入射角度的典型变化曲线，反射亮度的单位为2(cd/x )/lm 。3M 公司研制的新产品的反射亮度可以达到700 2(cd/x )/lm 。

1一支柱；2一明表层膜；3一玻璃珠；4一空气层

5一护纸；6一背胶；7一塑胶树脂

图7 玻璃微珠原向反射膜结构示意图

图8 原向反射薄膜反射亮度随入射角度的典型变化曲线

在光测领域，玻璃微珠不失为一种价廉物美的定向反射器件，它小巧质轻，一般微珠的直径在微米级，粘附在待测目标上既可获得定向反射功能，又不增加过多的负载，具有价廉质轻、便于安装的优点。工程中，常对玻璃微珠反射膜反射光功率与入射光功率的比值感兴趣，在此将其称为等效反射率。采用测试照度的方法对3M 公司8710型原向反射膜的等效反射率进行r 测试，结果仅为8.87％。由此可见，与以往使用的玻璃圆弧柱面反射镜相比，其反射效率是比较低的[16]。因此在设计激光光幕测速系统时，一方面需选用较大功率的半导体激光器，另一方面应通过提高光电放大器的增益来提高系统灵敏度，并应同时兼顾增益、响应速度及信噪比。

微珠玻璃的直径一般为μm 量级，实际光束投射到原向反射微珠玻璃上时，覆盖了许多微珠玻璃。由于各个微珠玻璃折射率和球形的差异，造成了实际反射光并不是从原向返回。假设投射到原向反射屏的光束为高斯光束，位于该处的等相面为平面，则距光束中心为r 处的辐射强度I(r)可表示为

2222022P

()exp (-2r /)exp (-2r /)I r I ωωπω== (3.1)

(3.1)式中ω为辐射强度降落到其峰值21/e 扩的光束半径；P 为总辐射功率。因为微珠玻璃的折射率及球形的差异是由大量相互独立的随机因素的影响所组成的，而每一个别的因素在总的影响中所起的作用可以看作是均匀的了，因此这类随机变量是服从正态分布的，而引起的反射后发散角也是近似服从正态分布的。所以，光束经原向反射屏反射后，在距离z 处光斑的光强分布也为高斯分布。为了表征原向反射屏的反射特性，可将其反射光束的21/e 光强分布面的渐近圆锥面的锥顶角定义为剩余发散角2θ，如图9所示。剩余发散角可通过对实际反射光束辐射强度分布的测试

得到。图10为用数字CMOS相机测量剩余发散角装置的示意图。光束通过半透射半反射分光镜投射到原向反射屏，反射光束由分光镜反射投向半透明的投射屏，用CMOS 相机获取激光斑辐射强度分布图，根据相机所带软件可以得到对应2

1/e峰值辐射强度处像素的坐标，由此得出光斑直径，再根据由原向反射屏到投射屏的光程，计算出剩余发散角2 [17]。

图9 剩余发散角的概念

图10 剩余发散角的测量

1/e峰值辐射强采用3M公司8710玻璃微珠原向反射屏，当z=1750 mm时，测得2

度处的光斑直径上的像素数为425，即光斑直径为53.13mm(测量装置的比例因子为：0.125 mm／pixel)，求得剩余发散角15.2 mrad≈0.87。

3.1.2 光幕设计

本系统采用激光作为光源。激光作为一种新型光源，与其他光源相比有方向性强，光亮度极高，性能稳定的优点，同时解决了以往同类仪器复杂的光源驱动电路设计。现在的半导体激光器型号之多，安装调试很方便，很多厂家你只要给参数，它就能你满足你要求的激光器。之外还有成本低廉，便于日后维修的优点。

如图11,激光测速靶采用半导体激光器作光源经准直扩束后，在一个方向上以一定的发散角展成扇形光幕，再用一原向反射屏（横截面为圆弧）作光幕反射镜，若中心点处放置半导体激光器，半导体激光光幕平面垂直于圆弧柱面母线入射，合理设计光学系统，能保证从中心点发射的光线经原向反射屏反射后会聚到中心点附近。当弹丸飞过有效靶区时，进入光电检测器件的光通量将发生变化，光电检测器件将该光通量的变化转化为电信号，经信号处理电路获得触发计时脉冲。用两套上述相同的激光光幕就可构成一套区截装置，可获取弹丸通过两个光幕的时间间隔，通过接口电路，根据两个激光光幕靶的距离由单片机机进行数据处理，得到弹丸的飞行速度[18]。

图11 激光光幕示意图

图12 光学系统发射和接收端示意图

接收端如图12所示，激光在经过原向反向屏后原向返回，但不是原路返回，与原路光线是有一个水平的位移，这样在接收端，在激光出射口的周围形成光斑。被激光出射口周围的光敏器件接收到，形成稳定的光电流。当子弹飞过光幕时，子弹挡住部分激光，导致返回的激光光功率变小，在接收端的光斑变弱,产生的光电流变小，形成了一个脉冲式的电信号。

3．2 电路单元

3.2.1 光电转换放大电路

设计中采用德国Silicon Sensor的series5 快速响应型光电探测器型号为PS11.9-5，其相关参数如下：

有效光照响应区域：3.45*3.45mm

光谱相应：（800nm）0.52A/W,(632nm)0.4A/W

暗电流：（20V）1nA

上升时间：（850nm,20V,50?）3ns

击穿电压：50V（2uA）

节电容：（0V）180pF，（20V）40pF

图13 PS11.9-5光谱响应曲线

光电二极管有两个电极——阳极和阴极。光电二极管工作时需施加逆向偏压，即阳极加上较阴极负的电压。光电二极管未受入射光线照射时，由于反偏的作用使空间电荷区变宽，势垒增大，流过 p-n 结的电流很小，它是由少数载流子的漂移运动形成的，称为暗电流，由于流过光电二极管的暗电流极小，光电二极管相当于是一只阻值极大的电阻；当光电二极管受到入射光线照射时，产生光电导效应，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，产生光生电流，光电流比无光照时大的多，且光照越强，在同样条件下产生的载流子越多，光电流越大。这时逆向电流(亮电流)将明显增大，光电二极管可等同于一只阻值极小的电阻。光电二极管的逆向电流又称光电流。光电流的大小与入射光线的强度有关；入射光线越强，光电流越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把变化的光信号转换成变化的电信号[19]。

本设计中的光电转换放大电路如图14所示:

图14 光电转换放大电路

由光电二极管产生的电信号比较弱，经过要进过放大电路放大。本电路采用电压放大型IC变换电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载电阻RL取1MΩ以上，光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号。最后产生的电信号由U11端口输出，送到比较电路模块[20]。简单的说，当有子弹通过光幕时，U11端口输出个高电平脉冲。

本电路运放器采用OP07。OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。

3.2.2 比较电路

图15 比较电路

U11进来电信号，跟U+做比较，如果U1比U+高(子弹通过光幕时)，U12端口输出低电压；相反，如果U11进来的电信号比U+低(没有子弹通过光幕)，U12端口就输出个高电压。这样当子弹经过光幕时，从U12端口输出个低电平脉冲给单片机，使计数器开始计数。当子弹通过第二个光幕时（结束光幕），同理U12端口也输出个低电平脉冲给单片机，使计数器停止计数。根据U11输入端口进来的电压，调节滑动变阻器来改变U+的电压值。

本电路采用LM338运放器。LM338是大电流可调集成稳压器，最大输出电流为5A，可调输出范围1.25V—25V。它有二种封装，一种是TO-3金属壳，另一种是TO220塑料壳。电压调整率：0.003%。

3.2.3 单片机及LCD显示电路

本系统采用经典单片机AT89C51来处理数据和计时。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[21]。

图16 AT89C51单片机接口

单片机AT89C51管脚如图16所示，以下是本次系统要用到的管脚介绍: VCC：供电电压；

GND：接地；

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它

激光多普勒测速实验报告

.\ 研究生专业实验报告 实验项目名称： LDV激光多普勒测速实验 学号： 20141002042 姓名：张薇 指导教师：唐经文 动力工程学院

.\ LDV激光多普勒测速实验 一、实验目的 应用激光测量流体的流速，是六十年代迅速发展起来的一种新的测速方法。它和过去应用的传统的测速仪器，如皮托管、旋浆式流速仪、热线式风速仪等相比，有如下几个主要优点：无接触测量，不干扰流场；测速范围广（4秒 米 10 104 5- ?-）；空间分辨率高；动态响应快。特别是对高速流体、恶性（如：酸性、碱性、高温等）流体、狭窄流场、湍流、紊流边界层等的测量方面，显示出传统方法无法比拟的优点。 本实验要求在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用实验室的频移型二维激光测速仪测量一个具有分离、再附、旋涡和高湍流度的复杂流场，了解这种流场中平均速度、速度直方图、湍流度和雷诺应力等湍流参数在主流区、回流区、剪切层和边界层等区域的不同特征，以及激光测速在测量复杂湍流流动方面的功能和优点有着重要的实验意义。 二、实验设备 图1：激光多普勒测速仪 图2：实验模型结构尺寸

图3：实验系统图 三、实验原理和方法 激光多普勒测速仪，英文缩写是流体流速测量的光学方法之一，是利用光学多普勒效应。即当激光照射运动着的流体时，激光被跟随流体运动的粒子所散射，散射光的频率将发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于流速，所以测出多普勒频差，就测得了流体的速度。 实际接收到的多普勒信号，是包含有各种各样噪声的信号。例如光电倍增管带来的信号散粒噪声，暗电流散粒噪声，背景光噪声，热噪声，以及其他测量仪器带来的噪声等。同时，多普勒信号还是一个调制信号，由于各种原因，使多普勒频带加宽。例如，振幅调制，散射粒子受布朗运动影响，散射粒子通过探测体积所需要的渡越时间，多粒子进入探测体积初位相的不同，激光束的角扩散及速度梯度等原因，都会引起多普勒频带的加宽。为了尽量减小噪声和带宽，以及从具有一定的噪声和带宽的信号中，取出反映流速的“有用”信号，必须选择合适的信号处理装置，对多普勒信号进行处理。 一种信号处理装置，是利用高分辨率的法布里-珀罗干涉仪，直接跟踪光学信号。此种干涉仪调整比较简单，在大散射角工作时空间分辨率较高，但在测低速 厘米。另一种信号处理装置是频谱分析时受到限制，一般能测的下限速度为25秒 仪，它实际上是通过调谐窄带滤波器，把信号用示波器器显示出来，其中心频率在频谱范围内缓慢地扫描。由于使用滤波器，在任一瞬间时只能观察到全部信号的很少一部分，浪费了有用的信息和时间。进来信号处理装置都采用能跟踪可变频率的振荡器，称为自动跟踪可变频率跟踪器，简称频率跟踪器。 四、实验内容 在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用频移型二维激光测速仪测量复杂流场的速度。

激光多普勒测速

南京理工大学 课程考核论文 课程名称：图像传感与测量 论文题目：激光多普勒测速技术 姓名：陈静 学号： 314101002268 成绩： 任课教师评语： 签名： 年月日

激光多普勒测速技术 一、引言 激光多普勒测速技术即LDV(Laser Doppler Velocimetry)是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事、航空航天、机械、能源、冶金、水利、钢铁、计量、医学、环保等领域[1]。 激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段。 第一个阶段是1964至1972年，这是激光测速发展的初期。在此期间，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便[2]。 第二个阶段是1973至1980年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了很大的发展。光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。 第三个阶段是1981年至今。在此期间，应用研究得到快速发展[3]。 在发表的论文中，有关流动研究的论文急剧增加。多维系统，光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平，使用调整更加方便。此外，半导体激光器的应用是其小型化成为可能，推动激光多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。 二、主要内容 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。 由于其有许多潜在的独特功能，激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具[4]。 1.激光多普勒测速原理 激光测速的原理大致是这样：激光束射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的频率改变了，通过光电装置测出频率的变化，就测得了粒子的速度，也就是流动的速度 [5]。 设一束散射光与另一束参考光的频率分别为12,s s f f ，它们到达光探测器阴极 表面的电场强度分别为： 1210112022cos(2) cos(2)s s E E f t E E f t π?π?=+=+ 式中，0102,E E 分别为两束光在光阴极表面处的振幅，12,??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： 1212011022cos(2)cos(2)s s E E E E f t E f t π?π?=+=+++ 光强度与光的电场强度的平方成正比： 1222212010201021(t)()()cos[2()]2 s s I k E E k E E kE E f f t π?=+=++-+ 式中为k 常数，?为两束光初始相位差，12???=-。其中第一项为直流分量，可用电容器隔去，第二项为交流分量，其中12s s f f -是得到的多普勒频移。 多普勒频移与物体运动速度V 的关系为： 12[cos(,)cos(,)]s s i s V f f K K υυλ -=- 式中：i K 是激光的传播矢量，s K 为散射光传播矢量，υ是物理运动速度方

激光多普勒测速系统

激光多普勒测速系统 一、概述： 项目背景： 该项目主要通过激光器和激光接收机实时检测目标的XYZ方向上的相对速度，并将3个方向的速度值矢量合成后，通过串口上报给主机。 系统原理如下： ●通过特殊的调制信号激励激光器，发射连续波激光。 ●同时在不同阶段接收从目标反射回的信号并通过高速ADC采集这些信号。 ●FPGA实时进行FFT计算，根据FFT结果比较不同阶段的频偏和符号。 ●根据多普勒效应，通过频偏大小和频偏方向，就能计算出目标的相对速度和方向。 ●3个通道通过不同角度的合成，可以最终计算出目标的相对矢量速度。 ●通过串口将速度数据传到上位机。

系统原理框图如下： 我们面临的挑战： ●由于物体相对速度较快，达到125m/s；对应的信号带宽为DC-250MHz左右， 需要1GHz进行高速采集。 ●同时对1Gsps的数据量进行最大32K点FFT时，数据覆盖率达50%上。此时单 一的FFT模块在FPGA中计算时间不够，需要4路FFT并行计算；逻辑设计难 度较大。 ●要求测试距离在3KM以上。由于激光在大气中的衰减比较严重，同时受到大气 的干扰也比较严重。致使回波信号比较弱，同时不稳定。 示波器捕获的原始数据

解决方案： 根据实际系统和算法处理精度要求，硬件系统采用如下设计： ?10bit1GSPS ADC，三通道同步采集。 ?低噪声模拟前端，支持程控增益放大，50Ω阻抗SMA接口。 ?模拟带宽DC-250MHz。 ?板载1024MB DDR3内存。 ?高稳定度，超低低抖动时钟发生器。 ?低噪声电源设计。 ?采用Xilinx XC5VSX95T FPGA，FPGA实现实时FFT和信号检测算法功能。 ?TI C6455DSP，工作频率1GHz，用于3波束速度合成算法和FPGA控制。 ?两个RS422/RS485接口。 二、系统整体框图如下： 系统整机的实物图如上

多普勒测速仪工作原理

浏览次数：110次悬赏分：0|解决时间：2011-8-24 19:30|提问者：匿名 最佳答案 从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了，就好像一个人正在关手风琴。这个动作的结果产生一个明显的较高的音调。当火车离去时，声波传播开来，就出现了较低的声音--这种现象被称为“多普勒”效应。 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。从测速仪里射出一束射线，射到汽车上再返回测速仪。测速仪里面的微型信息处理机把返回的波长与原波长进行比较。返回波长越紧密，前进的汽车速度也越快--那就证明驾驶员超速驾驶的可能性也越大。 多普勒测速仪仪器介绍 TSI的LDV/PDPA系统 LDV/PDPA的主要装置和原理 激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。 LDV/PDPA测速工作原理可以用干涉条纹来说明。当聚焦透镜把两束入射光以?角会聚后，由干激光束良好的相干性，在会聚点上形成明暗相间的干涉条纹，条纹间隔正比干光波波长，而反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区的方向经过时，会依次散射出光强随时间变化的一列散射光波，称为多普勒信号。这列光波强度变化的频率称为多普勒频移。经过条纹区粒子的速度愈高，多普勒频移就愈高。将垂直于条纹方向上的粒子速度，除以条纹间隔，考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性关系。LDV/PDPA系统就是利用速度与多谱勒频移的线性关系来确定速度的。各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比，利用监测到的相位差可以来确定粒径。 LDV/PDPA系统从功能上分为：光路部分、信号处理部分。光路部分：采用He-Ni激光器或Ar离子激光器，是因为它们能够提供高功率的514.5nm,488nm,476.5nm三种波长的激光。带有频移装置的分光器将激光分成等强度的两束，经过单模保偏光纤和光纤耦合器，将激光送到激光发射探头，调整激光在光腰部分聚焦在同一点，以保证最小的测量体积,这一点就是测量体即光学探头。接受探头将接受到的多普勒信号送到光电倍增管转化为电信号以及处理并发大，再至多普勒信号分析仪分析处理后至计算机记录，配套系统软件可以进行数据处理工作。在流场中存在适当示踪粒子的倩况下，可同时测出流动的三个方向速度及粒子直径。 TSI公司在国际上第一个生产商业化的LDV/PDPA系统，现在的TSI公司的LDV/PDPA系统已经拥有4项专利设计，并且在流场、湍流、传质、传热、流型、燃烧研究上有广泛的使

激光多普勒测速

激光多普勒测速 1.引言 激光多普勒测速技术是伴随着激光器的诞生而产生的一种新的测量技术，它是利用 激光的多普勒效应来对流体或固体速度进行测量的一种技术，广泛应用于军事，航空，航天，机械，能源，冶金，水利，钢铁，计量，医学，环保等领域[1-2]。 激光多普勒测速仪是利用激光多普勒效应来测量流体或固体运动速度的一种仪器，通常由五个部分组成：激光器，入射光学单元，接收或收集光学单元，多普勒信号处理器和数据处理系统或数据处理器，主要优点在于非接触测量，线性特性，较高的空间分辨率和快速动态响应，采用近代光-电子学和微处理机技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维，三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息。由于上述潜在的独特功能，激光多普勒技术吸引了大量的实验流体力学和其他学科的研究工作者去研究和解决这些问题，使激光测速技术得到飞速发展，成为流动测量实验的有力工具。 激光测速技术的发展大体上可分为三个阶段[1-3]。 第一个阶段是1964 – 1972 年，这是激光测速发展的初期。在此期间，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便； 第二个阶段是1973 – 1980 年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面有了很大的发展。光束扩展，空间滤波，偏振分离，频率分离，光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中。 从1980年到现在，激光测速进入了第三个阶段。在此期间，应用研究得到快速发展。在发表的论文中，有关流动研究的论文急剧增加。多维系统，光纤传输技术以及数字信号处理和微机数据处理技术等的出现把激光多普勒技术推向更高水平，使用调整更加方便。此外，半导体激光器的应用是其小型化成为可能，推动激光多普勒测速走出实验室，迈向工业和现场应用。 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[1]。下文中将详细介绍。 2.激光多普勒测速原理 在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差（或称频移）来获得速度信息。这里存在着光波从（静止）光源（运动）微粒（静止）光检测器三者之间的传播关系。

基于激光多普勒效应测速系统的设计

Optoelectronics 光电子, 2015, 5, 13-18 Published Online June 2015 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/de12438188.html,/journal/oe https://www.wendangku.net/doc/de12438188.html,/10.12677/oe.2015.52003 Design of Velocimetry System Base on Laser Doppler Effect Suiyan Tan, Chudong Xu College of Electronic Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou Guangdong Email: tansuiyan@https://www.wendangku.net/doc/de12438188.html, Received: May 25th, 2015; accepted: Jun. 8th, 2015; published: Jun. 12th, 2015 Copyright ? 2015 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/de12438188.html,/licenses/by/4.0/ Abstract A velocimetry system base on laser Doppler Effect is designed. The system works through building Michelson interferometer with discrete optical elements. The movable object of system is imple-mented by gear motor and doesn’t need to change the structure of experiment equipment; there-fore, the system is simple, convenient and low cost. Building the Michelson interferometer and measurement system by students themselves not only deepens students’ understanding of Dopp-ler Effect and its application, but also it is good for developing comprehensive and designed expe-riment, which can extend optic specialty undergraduate course experiment teaching content. Function of the velocimetry system is successfully achieved, and average error is 2.38%; errors are lower 5%. Keywords Laser Doppler Effect, Velocimetry System, Michelson Interferometer, Frequency Difference Method 基于激光多普勒效应测速系统的设计 谭穗妍，徐初东 华南农业大学电子工程学院，广东广州 Email: tansuiyan@https://www.wendangku.net/doc/de12438188.html, 收稿日期：2015年5月25日；录用日期：2015年6月8日；发布日期：2015年6月12日

新版激光多普勒测速实验

实验4.2 激光多普勒测速 1842年奥地利人多普勒（J.C.Doppler）指出：当波源和观察者彼此接近时，收到的频率变高；而当波源和观察者彼此远离时，收到的频率变低。这种现象称为多普勒效应，可用于声学、光学、雷达等与波动有关的学科。不过，应该指出，声学多普勒效应与光学多普勒效应是有区别的。在声波中，决定频率变化的不仅是声源与观察者的相对运动，还要看两者哪一个在运动。声速与传播介质有关，而光速不需要传播介质，不论光源与观察者彼此相对运动如何，光相对于光源或观察者的速率相同。因此，光学多普勒效应有更好的实用价值。1960年代初激光技术兴起，由于激光优良的单色性和定向性及高强度，激光多普勒效应可以用来进行精密测量。 1964年两个英国人Yeh和Cummins用激光流速计测量了层流管流分布，开创激光多普勒测速技术。激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimeter，LDV），是利用激光多普勒效应来测量流体或固体速度的一种仪器。由于它大多用于流体测量方面，因此也被称为激光多普勒风速仪（laser Doppler anemometer，LDA）。也有称做激光测速仪或激光流速仪（laser velocimeter，LV）的。1970年代便有产品上市，1980年代中期随着微机的出现，电子技术的发展，技术日趋成熟。在剪切流、内流、两相流、分离流、燃烧、棒束间流等各复杂流动领域取得了丰硕的成果。激光测速在涉及流体测量方面，已成为产品研发不可或缺的手段。 实验目的 【1】了解激光多普勒测速基本原理。 【2】了解双光束激光多普勒测速仪的工作原理。 【3】掌握一维流场流速测量技术。 实验原理 1． 多普勒信号的产生 如图4.2-1所示，由光源S发出频率为f的单色光，被速度为v的粒子（如空气中的一粒细小的粉尘）P散射，其散射光由Q点的探测器接收。由于多普勒效应，粒子P接收到的光频率为 )cos 1(112 2'θc v c v f f +?= （4-9） 其中c 为光速。同样由于多普勒效应，在Q点所接收的粒子P的散射光频率为 222'''cos )(11θc v c v f f ??= （4-10） 那么Q点接收的频率为 )cos (cos 21''θθ+=?=Δc v f f f f （4-11） 如果粒子P以速度v进入两束相干光S和S ’的交点，并在Q点接收散射光，如图4-7所示，由于S和S ’是方向不同的两束光，在Q点将产生两种接收频率。对光束S的频率差同式（4-11），对于光束S ’的频率差为 )cos '(cos '21θθ+=Δc v f f （4-12）

激光多普勒测速技术介绍及发展史

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、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相交于一点。 在探测体，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：式中λ——入射光的波长；θ——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。

激光多普勒测速系统及其在血液流速测量中的应用设计

本科课程设计说明书 光学测试课程设计 题目：激光多普勒测速系统及其在血液流速测量中的应 用设计 学院名称：机械工程学院 专业班级：光信息0801 学生姓名：王丽 指导教师姓名：姚红兵 2011年6月

多普勒效应是一种非常重要的物理现象。在实际中有许多重要的应用]1[，激光多普勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速度进行测量的测速技术，由于是对光信号进行测量，是一种无接触测量，所以对待测系统无干扰而且可用于高温、强腐蚀流体、有毒气体等的流速测量。激光束可以很细，故所测空间分辨本领很高。可对边界、薄流体层进行测量。利用激光多普勒效应测量流体流速已成为近年来测速系统的发展趋势,激光多普勒测速具有高精度、非接触等优点,但由于激光器的限制此技术尚未广泛普及应用。详细推导了多普勒测速的原理和计算方法, 相信能够为解决实际问题带来帮助,例如血液流速的激光多普勒测试等。

多普勒效应的阐述 (3) 激光多普勒测速原理的阐述 (7) 激光多普勒测速基本模式 (8) 激光多普勒信号处理 (11) 血液流速的激光多普勒测试系统 (12) 参考文献 (13) 设计附图及说明 (14)

多普勒效应 当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的波的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。多普勒在其提出的声学理论中指出，在声源相对于介质运动、观测者静止，或者声源相对于介质静止、观测者相对于介质运动，或者声源和观测者相对于介质都运动的情况下] 2[，观测者接收到的声波频率与声源频率不相同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在《论物体的电动力学》论文中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接受到的光波频率与光源频率不相同，即存在光多普勒效应。 （1）声多普勒效应 声波是依赖于介质传播的，设声源的频率为f ， 声波在媒介的传播速度为v ①声源不动，观测者相对于媒介以速度v1运动。则观察者接收到声波的频率为 f v v v f v v v v f 1 1 1 += += += 'λ λ 当观察者迎向静止声源运动时，接收到的频率变高，若是人听，感觉声调变高，当观察着远离声源，则接收到的频率变低。 ②声源以速度v2相对于媒介运动，观测者静止于媒介中，当声源迎着观测者运动，则观测者接收到的频率为 f v v v T v v v v f 2 2)(-= -= ' = 'λ 观测者接收到的频率变高。 当声源背离观测者运动，则观测者接收到的频率为 f v v v T v v v v f 2 2)(+= += ' = 'λ 观测者接收到的频率变低。 ③声源与观测者同时相对于媒介运动，声音速度为v2，观测者速度为v1.可以得到观测者接收到的频率为 f v v v v f )( 2 1 ±='

激光多普勒效应在测速技术上的应用

激光多普勒效应在测速技术上的应用 1842 年，奥地利科学家 doppler christian johann 首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生doppler 频移。1905 年，爱因斯坦证明了在光波中也存在多普勒效应。1960 年，第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。ye h 和 cummins 在 1964 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速(ldv)。 多普勒效应是 ldv 测速方法实现的理论基石。任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化。奥地利科学家多普勒(doppler)于 1842 年首次研究了这个现象：当观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。 爱因斯坦 1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。1964 年 ye h 和cummins 首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。 激光多普勒测速 (ldv, laser doppler velocimeter) 技术是一

种非接触式测量技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系) 得到流体或者固体的运动速度。它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米)，获得分辨率为 20～100 微米的极高的测量精度。从原理上讲，ldv 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。它还可以实现一维、二维、三维的速度测量以及运动方向的判断。ldv 输出信号的频率和速度成线性关系，它能覆盖从每秒几毫米到超音速很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数的影响。总的来说，ldv 动态响应快、空间分辨率高、测量范围大，在测量精度和实时性上都具有突出优点。现在 ldv 已成为科学研究和实际工程中测量固体表面运动速度和复杂流场流动速度的一 种有力手段，己经从最初的流速测量领域扩展到风洞速度场测量、边界层流测量、二相流测量，以及喷气过程和燃烧过程的研究。 激光多普勒测速仪是根据光学多普勒效应研制的一种精密测速 仪器，具有非接触测量、动态响应快、分析精度高、测量范围宽、可测多维速度和判别速度方向等优点，被广泛应用于科研教育领域和工业测量领域。虽然国内已有科研院所和公司对激光测速技术展开了研究，但大多数都还处于实验室阶段，还没有成型的产品，所用仪器全都高价进口。国外虽有商业化的产品，但存在价格高，测

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

激光多普勒测速实验报告

研究生专业实验报告 实验项目名称： LDV激光多普勒测速实验 学号： 20141002042 姓名：张薇 指导教师：唐经文 动力工程学院

重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告 LDV 激光多普勒测速实验 一、实验目的 应用激光测量流体的流速，是六十年代迅速发展起来的一种新的测速方法。它和过去应用的传统的测速仪器，如皮托管、旋浆式流速仪、热线式风速仪等相比，有如下几个主要优点：无接触测量，不干扰流场；测速范围广（4秒米101045-?-）；空间分辨率高；动态响应快。特别是对高速流体、恶性（如：酸性、碱性、高温等）流体、狭窄流场、湍流、紊流边界层等的测量方面，显示出传统方法无法比拟的优点。 本实验要求在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用实验室的频移型二维激光测速仪测量一个具有分离、再附、旋涡和高湍流度的复杂流场，了解这种流场中平均速度、速度直方图、湍流度和雷诺应力等湍流参数在主流区、回流区、剪切层和边界层等区域的不同特征，以及激光测速在测量复杂湍流流动方面的功能和优点有着重要的实验意义。 二、实验设备 图1：激光多普勒测速仪 图2：实验模型结构尺寸

图3：实验系统图 三、实验原理和方法 激光多普勒测速仪，英文缩写是流体流速测量的光学方法之一，是利用光学多普勒效应。即当激光照射运动着的流体时，激光被跟随流体运动的粒子所散射，散射光的频率将发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于流速，所以测出多普勒频差，就测得了流体的速度。 实际接收到的多普勒信号，是包含有各种各样噪声的信号。例如光电倍增管带来的信号散粒噪声，暗电流散粒噪声，背景光噪声，热噪声，以及其他测量仪器带来的噪声等。同时，多普勒信号还是一个调制信号，由于各种原因，使多普勒频带加宽。例如，振幅调制，散射粒子受布朗运动影响，散射粒子通过探测体积所需要的渡越时间，多粒子进入探测体积初位相的不同，激光束的角扩散及速度梯度等原因，都会引起多普勒频带的加宽。为了尽量减小噪声和带宽，以及从具有一定的噪声和带宽的信号中，取出反映流速的“有用”信号，必须选择合适的信号处理装置，对多普勒信号进行处理。 一种信号处理装置，是利用高分辨率的法布里-珀罗干涉仪，直接跟踪光学信号。此种干涉仪调整比较简单，在大散射角工作时空间分辨率较高，但在测低速 厘米。另一种信号处理装置是频谱分析时受到限制，一般能测的下限速度为25秒 仪，它实际上是通过调谐窄带滤波器，把信号用示波器器显示出来，其中心频率在频谱范围内缓慢地扫描。由于使用滤波器，在任一瞬间时只能观察到全部信号的很少一部分，浪费了有用的信息和时间。进来信号处理装置都采用能跟踪可变频率的振荡器，称为自动跟踪可变频率跟踪器，简称频率跟踪器。 四、实验内容 在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用频移型二维激光测速仪测量复杂流场的速度。

利用激光多普勒法测速

基于双频激光多普勒法—测生物血流速学号：04095077 姓名：刘雨林班级：040951班 【摘要】本文设计了基于光纤结构流体速度测量装置，利用双频激光器作为光源，采用光纤代替传统的光路，采用光纤分束器实现分光，采用制冷的雪崩光电二极管(APD)为探测器，来建成一个多普勒高精度测速系统。 利用一种新的双频激光多普勒测速方法：同偏振的双频激光器作为光源,，并用两个线偏振光同时传感物体的速度,，可以大大提高最高可测量速度。可以实现对高速运动的血细胞速度的高精度测量。 【关键词】激光多普勒测速;流体流速；双频激光器; 高速度; 偏振。 【引言】光技术作为一种新兴的科学技术,正在迅速发展,已达到较高的实用水平。由于激光具有强度大、单色性好、相干性好、方向性强等特性,而被广泛地用于许多科学技术领域。激光在生物科学和医学领域得到了广泛的应用,用这种方法可以测量生物体的血液流速。 从60年代激光出现以后，人们就开始考虑如何利用激光的单色性好和定向性好的特点来完成非接触的速度测量问题。1964年杨(YEN)和古明斯(Cumnis)首先利用激光的多普勒频移测定了水层流的分布，从而为激光多普勒技术的发展揭开了序幕[1]。它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流体，属于一种无干扰流场测量技术。多普勒效

应是指产生波的振源和接收波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的信号频率与振源的频率存在差值的现象。激光多普勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速度进行测量的测速技术[2]。传统的测量方法，如热线热膜流速计、毕托管、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等自发明以来为流动领域的研究和发展起了极大的促进作用，但是这些测量方法是接触式的，必须把探头插入流场。对流场有较大干扰．影响测量的真实性和可靠性。激光多普勒测速技术(LDA)，是用于流体科学实验的主要方法之一，对于研究流体力学中基础理论所涉及的重大问题。提供了一个有效的实验段．它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流动．属于一种无干扰流场测量技术。对生物血管的湍流的研究，激光多普勒技术的空间分辨率高，并且具有跟踪快速变化速度的能力，且可非直接接触。结合生物学显微测量，LDA技术可用于研究生物系统狭窄流道内的流动分布，把LDA和显微镜结合，对于生物学显微测量来说是一项很方便实用的测试技术。 LDA技术发展趋势为[3]：(1)集成化，即集成光学组合件代替离散的光学元件；(2)光纤化，即用大功率光学纤维代替部分光学传送部件，使体积大幅度缩小，重量减轻，机动性、灵活性、可靠性提高。(3)智能化，即排除了人为因素的限制，确保了测量的有效性和正确性。同时提高了自动化程度。(4)精确化，即利用现代的数字信号处理技术，改善了系统的信号处理能力，并且在设计思想上有了一系列根本性突破。(5)利用全部光散射模式，即利用了几何散射理论，又利用了米氏