
激光多普勒测速系统.docx
15页目录第1 章 多普勒效应的概要 11.1 多普勒效应简述 11.2.1 声多普勒效应 11.2.2 光多普勒效应 2第2 章 激光多普勒测速原理 32.1 激光多普勒测速仪的组成 32.2 激光器多普勒测速原理 3第3 章 激光多普勒测速基本模式 43.1 参考光模式 43.2 单光束-双折射模式 53.3 双光束-双散射模式 6第4 章 激光多普勒信号处理 74.1 频率跟踪法 74.2 频率计数法 8第5 章 激光多普勒测速技术的应用 95.1 血液流速的测量 9参考文献 11第 1 章 多普勒效应的概要1.1 多普勒效应简述多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴•约翰•多普勒 (Christian Johann Dopple)r 而命名的,他于 1842 年首先提出了这一理论 主要内容为:物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化在运动 的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高 (蓝移 blue shift); 当运动在波源后面时,会产生相反的效应波长变得较长,频率变得较低 (红 移red shift)波源的速度越高,所产生的效应越大。
根据光波红(蓝)移的 程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度除非波源的速度非常 接近光速,否则多普勒位移的程度一般都很小所有波动现象都存在多普勒效应1.2 声•光多普勒效应1.2.1 声多普勒效应在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者 时,他会发现火车汽笛的声调由高变低. 为什么会发生这种现象呢?这是因为声 调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之 声调听起来就低•这种现象称为多普勒效应,它是用发现者克里斯蒂安•多普勒的 名字命名的为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出 的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短,好像波被压缩了.因此,在一 定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原 因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好像波被拉伸了 因此,声 音听起来就显得低沉•定量分析得到f2 = f(u + v )/(u - v ),其中v为波源相对于 2oss介质的速度, v 为观察者相对于介质的速度, f 表示波源的固有频率, u 表示波o在静止介质中的传播速度. 当观察者朝波源运动时, v 取正号;当观察者背离波 o源(即顺着波源)运动时, v 取负号. 当波源朝观察者运动时 vs 前面取负号;前$o波源背离观察者运动时 vs 取正号. 从上式易知,当观察者与声源相互靠近时,$f > f;当观察者与声源相互远离时。
/ > f设声源S,观察者L分别以速度v ,21svi 在静止的介质中沿同一直线同向运动,声源发出声波在介质中的传播速度为 v i且v小于v , v小于v当声源不动时,声源发射频率为f,波长为X的声波, si观察者接收到的声波的频率为:f'二(v - v ) v /[(v - v ) X ] = f (v - v )/(v - v ) ⑴i s i s所以(1)当观察者和波源都不动时,vs =0, : =0,由上式得八 f (2)(2)当观察者不动,声源接近观察者时,观察者接收到的频率为f = vf /(v -v ) (3)显然此时频率大于原来的频率由上面的式子可以得到多普勒效应的所有表现1.2.2 光多普勒效应光(电磁波)的多普勒效应计算公式分为以下三种:(1)纵向多普勒效应(即波源的速度与波源与接收器的连线共线)f' = f \''( c + 0/( c- v) (4)其中 v 为波源与接收器的相对速度当波源与观察者接近时, v 取正,称为“紫 移”或“蓝移”;否则v取负,称为“红移”2)横向多普勒效应(即波源的速度与波源与接收器的连线垂直):f '=心1-扁 (5)其中B = v /c广=/(1 一 B cos 9 )3)普遍多普勒效应(多普勒效应的一般情况):(6)其中卩=v / c,0为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。
纵向与横向多普勒效应分别为0取0或n/2时的特殊情况第 2 章 激光多普勒测速原理2.1 激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪由激光器、光学系统、信号处理系统等组成下图是典型的激光多普勒测速仪示意图/信号处理器数据处理器激光器PM图 1 激光多普勒测速仪示意图多普勒频移相对光源波动频率来说变化较小,因此,必须用频带窄及能量 集中的激光做光源为了便于连续工作,通常采用气体激光器,如 He-Ne 激光 器或氩离子激光器2.2 激光器多普勒测速原理图 2 光源、微粒、光检测器的相对位置设光源0、运动微粒P和静止的光检测器S之间的相对位置如图2所示照射光的频率为fo,粒子P的运动速度为U根据相对论变换公式,经多普勒效应后粒子接收到的光波频率为f (1—ue))~o式中e是入射光单位向量;C是介质中的光速 o展开式(7),当ue << C时,可得近似式为o8)uef = f (1—-)oc这是在静止的光源和运动的粒子条件下,经过一次多普勒效应的频率关 系式运动的微粒被静止的光源照射,就如同一个新的光源一样向四周发出散射光 当静止的观察者(或光检测器)从某一方向上观察粒子的散射光时,由于它们之 间又有相对运动,接收到的散射光频率又会同粒子接收到的光波频率不同,其大 小为=f (1 +oU ( es — eo ))c10)f =广(1 + J (9)sc式中:e 是粒子散射光的单位向量。
s将式(8)带入(9)在U的大小远小于c下,可得到经过两次多普勒效应后的频率关系式:它与光源频率之间的差值叫多普勒频移 f ,即11)Dsoe )1o式中:九是介质中的激光波长如果粒子是在空气中,通常可用真空中的九来代 o替第 3 章 激光多普勒测速基本模式3.1 参考光模式要实现外差检测,可以将一束参考光直接照射到光检测器,同散射光束进行 光学外差(见图 1)这束参考光必须取自同一个激光源,但并不一定要与照射 光束相交之所以使它通过测量点并与照射光相交是出于光学上的调准万便,因 为这样做可以比较容易实现参考光束与散射光束的共轴对准这种光路模式叫做 参考光模式在图 3 所示情况下,测得的速度分量垂直于照射光束同参考光束交 角的平分线,这一平分线通常也就是入射光学单元的光轴UKKe光轴图 3 侧前向参考光模式光路采用图 4所示的布置,可以实现并行于光轴速度分量的测量这时,光接 收机位于入射光源同一侧,而参考光一般应来自光学单元对面这种方法曾今用 于三维测速系统中图 4 侧后向参考光模式3.2 单光束 -双折射模式这种工作模式利用一束入射光在两个不同的方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频移。
图5是其光学几何关系根据时(10),入射光束在e和e两 s 1 s 2个方向上的散射光频率分别为f = f + u(e -e ) ( 12)s 1 o 九 s 1 o13)将这两个方向的散射光汇聚到光检测器中进行光外差,可得到多普勒频移(14)s1s2光轴图 5 单光束 - 双散射模式测光轴向速度光路3.3 双光束 -双散射模式这种模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇聚到光检测器中进行外差而获得多普勒频移根据式(10),同样可以得到如图 6 所示的两束入射光在 e 方向上的散射光频率为s1f = f + u (e - e )s 1 o 九 s o 1和1f = f - u (e - e )s 2 o 九 o 2 s于是,1f = f - f 二—u (e - e )D s 2 s 1 九 o 1 o 215)16)17)由上式可见,多普勒频移只决定于入射光方向,而与散射光方向无关,这是 双光束-双散射模式的重要特点Ueee图 6 双光束- 双散射模式光路第 4 章 激光多普勒信号处理多普勒信号处理方法多种多样,如频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、 滤波器组分析法、光子计数相关法及扫描干涉法。
下面介绍的是使用广泛的频率 跟踪法和发展较快的频率计数法4.1 频率跟踪法频率跟踪法能使信号在很宽的频率范围内(2.25kHz-15kHz)得到均匀放大, 并能实现窄带滤波,从而提高了信噪比它输出的频率量可直接用频率计显示平 均流速输出的模式电压与流速速度成正比,能够给出瞬时流速以及流速随时间 变化的过程,配合均方根电压表可测速图 7 为频率跟踪器电路方框图初始多普勒信号先经滤波器去除低频分量和 高频噪声,成为频移信号 f ,他和来自电压控制振荡器的信号 f 同时输入混频 D vco器中,混频后得出频信号f = f - f,混频器起频率相减作用中频f输入中 vco D心频率为 f 的调谐中频放大器中进行放大, f 和 f 大致相同将放大后的幅度oo变化的中频信号 f 送入限幅器,经整形变成幅度相同的方波图 7 平率跟踪电路方框图1-前置放大器 2-混频器 3、6-放大器 4、7-限幅器 5-鉴频器 8-相位比较器9-脱落保护电路 10-门电路 11-RC 积分器 12-直流放大器 13-频率表 14-VCO 频率跟踪测频仪中特别设计了脱落保护电路,避免了由于多普勒信号间断而 引起的信号脱落。
4.2 频率计数法频率计数测频仪是一种计时装置,测量已知条纹所对应的时间,从而测出 频率流体速度v由下式计算:穿越条纹数式中,d为条纹间隔,n为人为设定的穿越条纹数,at为穿越n条条纹所用的时 间频率计数信号处理系统的主体部分相当于一个高频的数字频率计,以被测信 号来开启或关闭电路以频率高于被测信号若干倍的振荡器的信号作为时钟脉冲 (常用200-500MHz),用计数电路记录门开启和关闭期间通过的脉冲数,亦即 粒子穿过两束光在空间形成的n个干涉条纹所需的时间at,如此就可换算出被测 信号的多普勒频移第 5 章 激光多普勒测速技术的应用5.1 血液流速的测量激光多普勒测速仪具有极高的空间分辨力,再配置一台显微镜,即可用于观 察毛细血管内血液流动图 9 所示为激光多普勒显微镜的光路图,用于对血液流 速测量将多普勒测速仪与显微镜组合起来,显微镜用视场照明光源观察对象, 用以捕捉目标测速仪经分光棱镜将双散射信号投向光电接受机,被测点可以是 直径为 60 微米的粒子由于被测对象是生物体,光速不容易直接进入生物体内部,因此上述测速仪 在测量活体的时候不太容易并不太适用测量活体要求测量探头尺寸小,可以深分光棱镜P视场照明光源显微目镜流体分光棱镜显微物镜频率跟踪He-Ne激光放大器光电接收图 9 激光多普勒显微镜光路图*图 10 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图入到难以测量的角落。
光纤探头体积小,便于调整测量位置;并且抗干扰能力强, 密封型的光纤探头可直接放入液体中使。












