振动测量用的激光多普勒测振仪

激光干涉原理在振动测量中的应用讲解

激光干涉原理在振动测量中的应用 激光干涉原理在振动测量中的应用0 引言振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往 激光干涉原理在振动测量中的应用 0 引言 振动量值的计量是计量科学中一个非常重要的方面。在现实中，描述振动特性的最常用的量值是位移、速度、加速度。常用的测振技术是接触式测量。在测量物体上安装加速度传感器，利用加速度传感器的电荷输出信号实现加速度-速度-位移的相关测量。如果测量较小物体的振动，附加的传感器质量往往影响被测物体的振动，从而产生测量误差；而且一些工作场合因被测物体表面影响或是测量条件的限制往往不允许在被测物体表面安装测振传感器。因此设计和开发新型的非接触式、高精度、实时性的测振技术一直是工程科学和技术领域中的重要任务。 由于激光的方向性、单色性和相干性好等特性，使激光测量技术广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及其微小的变化等方面。 1 激光干涉测振原理 激光干涉测振技术是以激光干涉原理为基础进行测试的一门技术，测试灵敏度和准确度高，绝大部分都是非接触式的。激光干涉原理如图1所示。 光源S处发出的频率为f、波长为λ的激光束一部分投射到记录介质H(比如全息干板)上，光波的复振幅记为E1，另一部分经物体O表面反射后投射到记录介质H上，光波的复振幅记为E2。其中： 式中：A1和A2分别为光波的振幅；σ1和σ2分别是光波的位相；当E1和E2满足相干条件时，其光波的合成复振幅E为： 光强分布I为： 式(4)的四项中前三项均为高频分量，只有第四项为低频分量，且与物体表面的状态有关。第四项的含义是σ2代表的物体表面与σ1代表的参考面之间的相对变化量。因此通过处理和分析物体表面与参考在变形前后的位相变化、光强变化等，从而得到被测物体振动速度、位移等关系式。

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

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/ea3391949.html,/journal/oe https://www.wendangku.net/doc/ea3391949.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/ea3391949.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/ea3391949.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/ea3391949.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

激光多普勒信号相位解调算法误差分析

DOI:10.16185/j.j https://www.wendangku.net/doc/ea3391949.html,.2016.12.002 激光多普勒信号相位解调算法误差分析? 张雄星1,张梦娇1,杨宇祥2,王一伟1,王可宁1 (1.西安工业大学光电工程学院,西安710021;2.西安理工大学机械与精密仪器工程学院,西安710048) 摘一要:一为了分析激光多普勒测振仪位移测量精度误差的主要影响因素,采用了两次希尔伯 特变换求解附带直流偏置的激光多普勒信号的相位,推导了相位求解的误差传递函数.通过信 号发生器产生调频波,叠加不同强度的高斯白噪声模拟多普勒信号,针对振动频率1kHz,振 幅10λ,信噪比为0dB的多普勒信号,得出相位解调误差的标准差等于信号信噪比的倒数.研 究结果表明:当多普勒信号的信噪比高于10dB时,采用相位法计算目标位移精度较高;当多 普勒信号的信噪比低于-15.97dB时,采用相位法和条纹法计算目标位移精度相当. 关键词:一相位解调;多普勒信号;振动测量;Hilbert变换;误差分析 中图号:一O436一一一一文献标志码:一A文章编号:一1673-9965(2016)12-0954-05 Error Anal y sis of Phase Demodulation Al g orithm of Laser Do pp ler Si g nal Z HANG Xion g xin g1,Z HANG Men gj iao1,YANG Yuxian g2,WANG Wei1,WANG Kenin g1 (1.School of O p toelectronics En g ineerin g,Xi an Technolo g ical Universit y,Xi an710021,China; 2.School of Mechanical and Precision Instrument En g ineerin g,Xi an Universit y of Technolo gy,Xi an710048,China) Abstract:一In order to anal y ze the main influencin g factors of dis p lacement measurement accurac y error of laser Do pp ler vibrometer,a p hase demodulation al g orithm of two Hilbert transform is used to g et the p hase of a laser Do pp ler si g nal with a DC bias,and to derive the error transfer function of p hase solution. Do pp ler si g nal is simulated b y FM wave g enerated b y the si g nal g enerator,su p erim p osed Gaussian white noise of different intensit y.The correctness of the calculation error of p hase demodulation for is verified for the Do pp ler si g nal with vibration fre q uenc y of1kHz,am p litude of10λand si g nal to noise ratio of 0dB.Research results show:While the Do pp ler si g nal with SNR hi g her than10dB,the p recision is hi g her b y p hase method to calculate tar g et dis p lacement;While the Do pp ler si g nal SNR is lower than -15.97dB,the similar accurac y of tar g et dis p lacement is calculated b y p hase method and frin g e method. Ke y words:一p hase demodulation;do pp ler si g nal;vibration measurement;Hilbert transform;error anal y sis 一一激光多普勒技术可同时测量目标的速度和位移,具有较高的时间分辨率和空间分辨率[1-2].激光多普勒测量仪器分辨能力的上限受限于光电探测器的带宽,下限在硬件上受限于光电探测器和信号调理电路的噪声,软件上受限于所选用的多普勒信号解调算法.商用多普勒测振仪光电探测器的带宽 第36卷第12期 2016年12月一一一一一一一一一一一西一安一工一业一大一学一学一报 Journal of Xi an Technolo g ical Universit y一一一一一一一一一一Vol.36No.12 Dec.2016 ?收稿日期:2016-05-13 基金资助:陕西省教育厅2016年度专项科学研究计划项目(16JK1370) 作者简介:张雄星(1979-),男,西安工业大学讲师,主要研究方向为光电测试二仪器仪表测控技术. E-mail:zhan g xion g xin g@https://www.wendangku.net/doc/ea3391949.html,. 万方数据

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。

激光测振仪文献总结

1. 用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究 针对应用：用于车载导航系统，固体表面运动测速。 认为：激光多普勒测速精度高，空间分辨率好，动态响应快，测量范围大，非接触测量，是速度测速技术的重要发展方向。 绪论：已有测速方式比较，多普勒测速现状、原理、直接和外差。双光束差动模式、参考光模式及自混合光路结构比较，提出多点分层技术、Janus配置技术。理论：散斑场推出多普勒频移产生机理，根据散斑场随机过程推出固态散射面激光多普勒信号强度表达式，与聚焦光斑直径相关，据此分析信号强度、信噪比。根据条纹模型和粒子随机散射机理，模拟固体表面运动多普勒信号时域特征，分析固体表面特性（粒子尺寸及散射系数有关）影响。分析参考光模式中，信号光与参考光最佳匹配及失配下外差效率，分析光学参数影响。 信号处理分析： 误差分析：分析测量误差，提出控制措施，引入Cramer-Rao Lower Bound评估测量精度。 实验研究。 这篇文献介绍全面，思路清晰，理论分析较完整，针对固体表面测速，精度评估也是亮点，时间也较新（2011），选作总结模板。

绪论 激光问世→光学测量发展。1842多普勒→多普勒频移，1964 Yeh和Cummins水流粒子散射光频移→多普勒频移技术可以实现流速测量。现在LDV用于液体、气体流速测量成熟产品，而固体表面测速，表面粗糙不一，散射特性各异，环境影响，信号产生机理不完善。 背景： 惯性导航系统→线速度→三种方式：加速度计、全球定位系统、里程计。多普勒测速是重要发展方向：非接触、精度高、空间分辨率好、测速范围广、动态响应快、方向灵密度好可多维测量。 几种固体表面测速的光学非接触测试方法： （1）激光相关法：激光分两束相互平行，聚焦到固体被测物表面，间距h，两探测器接收两散射光信号，分析找到两随机相关信号之间的时间延迟σ，则运动速度为h/σ。 （2）双频激光干涉：双频激光器激光分成两束，一束直接拍频，另一路分出两频率，其中一频率用于测被测物并附加多普勒平移，利用角锥棱镜平行返回，同另一频率拍频，两组拍频信号处理得到运动速度。这能增强抗干扰能力，提高精度，但同时需要角锥棱镜不方便。（3）空间滤波测速：激光直接照在被测物，散射光将图像信号经接收物镜传到光栅（空间滤波器）上，再经聚焦透镜传至光电检测器。运动表面特征信息经光栅产生一定频率的输出信号，该频率与运动速度成正比。 （4）激光多普勒技术

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