激光多普勒測速和激光測距

激光多普勒測速和激光測距1目錄激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用激光測距技術(shù)脈沖激光測距相位激光測距22023/2/13激光多普勒測速技術(shù)概述1842年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動會使頻率發(fā)生變化——多普勒效應(yīng)。2023/2/14激光多普勒測速技術(shù)1964年，Yeh和Cummins觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實了可用激光多普勒頻移技術(shù)來確定粒子流動速度。目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量。2023/2/15激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)當(dāng)波源與觀測者之間有相對運(yùn)動時，觀測者所接收到的頻率不等于波源振動頻率，此現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。2023/2/16激光多普勒測速技術(shù)多普勒在其聲學(xué)理論中指出，在聲源、介質(zhì)、觀測者存在相對運(yùn)動時，觀測者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學(xué)多普勒效應(yīng)。愛因斯坦在《論物體的電動力學(xué)》中指出，當(dāng)光源與觀測者有相對運(yùn)動時，觀測者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應(yīng)。聲學(xué)多普勒效應(yīng)與波源及觀測者相對于介質(zhì)運(yùn)動有關(guān)，光學(xué)多普勒效應(yīng)只與光源和觀測者之間的相對運(yùn)動有關(guān)，因此，聲學(xué)（機(jī)械波）和光學(xué)（電磁波）的多普勒效應(yīng)有本質(zhì)區(qū)別。2023/2/17激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理聲波是依賴于介質(zhì)傳播的，離開介質(zhì)就談不上波的存在。設(shè)聲源的頻率為f，聲波在媒質(zhì)中的速度為v，波長λ=v/f①聲源不動，觀測者相對于媒質(zhì)以速度v1運(yùn)動設(shè)聲源相對于介質(zhì)靜止，觀測者迎向聲源運(yùn)動，則聲波相對于觀測者的速度不再是v，而是v+v1，則觀測者接收到聲波的頻率為同理，觀測者背離聲源有2023/2/18激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理②聲源相對于媒質(zhì)以速度v2運(yùn)動，觀測者靜止于媒質(zhì)中設(shè)聲源S相對于媒質(zhì)以速度v2迎著觀測者D運(yùn)動。波源在運(yùn)動過程中按照自己的頻率振動，一個周期內(nèi)完成一次全振動，在媒質(zhì)中產(chǎn)生一個完整波形；同時在T內(nèi)，波源前進(jìn)了v2T距離，波長變?yōu)镾1S2v2Dv2Tλ'λ

聲源向靜止觀察者運(yùn)動的多普勒效應(yīng)示意圖則，頻率為同理，聲源背離觀測者運(yùn)動有2023/2/19激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理②聲源和觀測者相對于媒質(zhì)運(yùn)動，速度分別為v2和v1綜合上述情況，可以得到：觀測者向著聲源運(yùn)動時，取正號；反之取負(fù)號聲源向著觀測者運(yùn)動時，取負(fù)號；反之取正號總之當(dāng)聲源和觀測者相向運(yùn)動時，接收頻率升高；當(dāng)聲源和觀測者背離運(yùn)動時，接收頻率降低；強(qiáng)調(diào)：聲學(xué)只有縱向多普勒效應(yīng)，沒有橫向多普勒效應(yīng)2023/2/110激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理對于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，所以，光源和觀測者誰相對于誰運(yùn)動是等價的，只取決于相對速度的大小。如圖示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應(yīng)示意圖K'系中靜止的光源從K'系的t1'時刻開始發(fā)出一列光波，這個波列的發(fā)射截止時間為t2'，于是在K'系中此波列發(fā)射的時間為（t2'

－t1'

），在這段時間內(nèi)發(fā)射的波數(shù)為N，光源的頻率為2023/2/111激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理在觀測者所在坐標(biāo)系K中來看，此波列發(fā)射始于t1時刻（光源在S1處），接收這個波列的時刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效應(yīng)示意圖在觀測者所在坐標(biāo)系K中來看，此波列發(fā)射截止于t2時刻（光源在S2處）。t2時刻光源發(fā)出的光波傳到觀測者的時刻為2023/2/112激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理觀測者D收到這N個波共需時2023/2/113激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理觀測者接收光波的頻率為根據(jù)時間相對性這就是光學(xué)多普勒效應(yīng)公式2023/2/114激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)1.多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理若相對運(yùn)動發(fā)生在觀測者和光源連線上，則cosθ＝±1（遠(yuǎn)離時取1，接近時取－1）：縱向多普勒效應(yīng)若相對運(yùn)動發(fā)生在觀測者和光源連線的垂直方向上，則cosθ＝0橫向多普勒效應(yīng)同樣的v值下，橫向多普勒效應(yīng)比縱向多普勒效應(yīng)要小很多。2023/2/115激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測速原理1）多普勒測速原理如圖。由于v/c非常小，只取級數(shù)展開的前兩項，即

考慮流體中的速度為c/n，將v換成縱向分量2023/2/116激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測速原理1）多普勒測速原理探測器接收到的兩束光頻率之差為（忽略橫向效應(yīng)）

因，若則得

于是，流速為測量出探測器上的拍頻信號，就可以得到Δf，也就可以得到v2023/2/117激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)基礎(chǔ)2.激光多普勒測速原理2）頻移信號的檢測光混頻技術(shù)（外差干涉）：

方式：零差；外差。2023/2/118激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用1.管道內(nèi)水流的測量2023/2/119激光多普勒測速技術(shù)激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)用2．血液流速測量多維流速的測量1D速度需要1對光束，2D速度則要2對光束，

2對光束通常做在一個激光頭內(nèi)，且兩對光束平面正交。3D速度則要3對光束。通常由一個1D激光頭和一個2D激光頭組成，調(diào)節(jié)兩者之間的相對位置，可測得理想的三維速度。3D激光多普勒測速儀Measurementofairflowarounda

helicopterrotormodelinawindtunnelPhotocourtesyofUniversityofBristol,UKMeasurementofwaterflow

insideapumpmodelPhotocourtesyofGrundfosA/S,DKMeasurementofflowfieldarounda1:5scalecarmodelinawindtunnelPhotocourtesyofMercedes-Benz,GermanyMeasurementofwakeflowaroundashipmodelinatowingtankPhotocourtesyofMarin,theNetherlandsMeasurementofairflowfieldaroundashipmodelinawindtunnelPhotocourtesyofUniversityofBristol,UKMeasurementofflowaroundashippropellerinacavitationtank2023/2/128激光測距技術(shù)脈沖激光測距脈沖激光測距是利用激光脈沖連續(xù)時間極短、能量在時間上相對集中、瞬時功率很大（一般可達(dá)到兆瓦級）的特點，在有靶標(biāo)的情況下，脈沖激光測量可達(dá)極遠(yuǎn)的測程。2023/2/129激光測距技術(shù)在進(jìn)行幾公里的近程測距時，如果測量不確定度要求不高，即使不用靶標(biāo)，只利用被測目標(biāo)對脈沖激光的漫反射取得反射信號，也可以進(jìn)行測距。目前，脈沖激光測距方法已獲得了廣泛的應(yīng)用，如地形測量、戰(zhàn)術(shù)前沿測距、導(dǎo)彈運(yùn)行軌道跟蹤，以及人造衛(wèi)星、地球到月球距離的測量等。2023/2/130激光測距技術(shù)脈沖激光測距基本原理如圖所示脈沖激光測距原理圖示觸發(fā)器時鐘脈沖振蕩器光電接收器整形電路激光器計數(shù)器放大器參考信號取樣回波發(fā)射光束KEDCABA發(fā)射BCDE計數(shù)a）原理圖b）各點波形圖干涉濾光片2023/2/131激光測距技術(shù)利用激光進(jìn)行遠(yuǎn)距離（幾千米）測量的技術(shù)，通常有激光相位測距和脈沖激光測距兩種。1激光相位測距1．激光相位測距原理相位測距是通過對光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制來實現(xiàn)的。光波從A點傳播到B點的相移可表示為若光從A點傳到B點所用時間為t，則A、B兩點之間的距離Lλ2π相位的調(diào)制波形AB2023/2/132激光測距技術(shù)激光相位測距1．激光相位測距原理只要測出光波相移中周期2π的整數(shù)m和余數(shù)Δm，便可由公式求出被測距離L。所以，調(diào)制光波的波長λ是相位測距的一把“光尺”。實際上，用一臺測距儀直接測量A和B兩點光波傳播的相移是不可能的。因此，采用在B點設(shè)置一個反射器（即測量靶標(biāo)），使從測距儀發(fā)出的光波經(jīng)靶標(biāo)反射再返回到測距儀，由測距儀的測相系統(tǒng)對光波往返一次的相位變化進(jìn)行測量。ΔλLλA′LAB傳播2L后的光波相位2023/2/133激光測距技術(shù)激光相位測距1．激光相位測距原理相位測量技術(shù)只能測量出不足2π的相位尾數(shù)，即只能確定余數(shù)Δm，而不能確定相位的整周期數(shù)m。因此當(dāng)被測距離L大于Ls時，用一把光尺是無法測定距離的。為能實現(xiàn)長距高準(zhǔn)確度測量可同時使用Ls不同的幾把光尺。最短的尺用于保證必要的測距準(zhǔn)確度，最長的尺用于保證測距儀的量程。目前，采用的測距技術(shù)主要有直接測尺頻率和間接測尺頻率兩種。2023/2/134激光測距技術(shù)激光相位測距2．激光相位測距技術(shù)1）直接測尺頻率由測尺量度Ls可得光尺的調(diào)制頻率這種方法所選的測尺頻率fs直接和測尺長度Ls相對應(yīng)，即測尺長度直接由測尺頻率決定。若測距儀測程為100km，要求精確到0.01m。如相位測量系統(tǒng)測量不確定度為1‰，則需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相應(yīng)光調(diào)制頻率分別為fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。顯然，要求相位測量系統(tǒng)在這么寬的頻帶內(nèi)都保證1‰的測量不確定度很難做到。所以直接測尺頻率一般應(yīng)用于短程測距，如GaAs半導(dǎo)體激光短程相位測距儀。2023/2/135激光測距技術(shù)激光相位測距2．激光相位測距技術(shù)2）間接測尺頻率在實際測量中，由于測程要求較大，大都采用間接測尺頻率方式。若用兩個頻率fs1和fs2調(diào)制的光分別測量同一距離L，可得于是2023/2/136激光測距技術(shù)激光相位測距2．激光相位測距技術(shù)2）間接測尺頻率其中這樣，用fs1和fs2分別測量某一距離時，所得相位尾數(shù)之差，與用fs1和fs2的差頻頻率fs=fs1-fs2測量該距離時的相位尾數(shù)相等。即通過fs1和fs2頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相應(yīng)的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把fs1和fs2稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率稱為相當(dāng)測尺頻率。