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1、6.1激光多普勒(Doppler)测速技术1842年Doppler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，即所谓的多普勒频移。1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。激光多普勒频移技术应用:流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。第1页/共46页=一、多普勒测速原理激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:基于运动物体散射光线的多普勒效应1.多普勒效应引起多普勒频移的原因:a 波源或者接收器的移动b 波传输通道中的物体运动产生f =ffVcosVcosf
2、=Vcosc对于a种情况:第2页/共46页b 波传输通道中的物体运动产生这种情况是LDV的基本测速原理从p点看:从U处看:因为:f pfDf p=c-V Kc+V Ucp第3页/共46页如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为，则式(6-7)可以写为或从6-8式知,测出频移即可以计算出移动速度来由于光频率极高,一般采用在实际测量中，多采用光外差多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时送到光接收器上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动速度所引起的光频微小变化。第4页/共46页二、激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪(Laser Dopp
3、ler VelocimeterLDV)组成:激光器、光学系统、信号处理系统第5页/共46页1.激光器多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器.如He-Ne激光器:功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况氩离子激光器:功率较大，信号较强，用得最广。2.光学系统LDV按光学系统的结构不同，可分为:双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求苛刻，一般不采用。常用双散射型第6页/共46页A 单光束型特点:测量速度高,适合超音速测量,调整麻烦,测量结果与角度有关第7页/共46
4、页B、参考光束型第8页/共46页C、双散射型特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用时不受现场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用大口径的接收透镜，粒子散射的光能量极大地得到利用，信噪比高。进人光电探测器的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用很方便。第9页/共46页3.信号处理系统激光多普勒信号非常复杂：由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变化，是一个变频信号。因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移的幅值也按一定的规律变化。粒子是离散的，每个粒
5、子通过测量区又是随机的，故波形有断续且随机变化。光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。第10页/共46页多普勒信号处理方法主要有:频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法扫描干涉法等。1）频率跟踪法第11页/共46页2）频率计数法原理:计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计算出频移,n为设定的脉冲数目,N为时钟数目,T为时钟周期f =1TN=nNfn第12页/共46页三、激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速仪(L
6、DV)特点:具有非接触测量 不干扰测量对象 测量装置可远离被测物体应用:生物医学流体力学空气动力学燃烧学等领域第13页/共46页1.血液流动/定位第14页/共46页2.管道内流体的测量第15页/共46页四、多普勒全场测速技术LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全场测量，则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定量流多普勒全场测速技术(Doppler Global VelometerDGV)，可对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求，特别适合于气流测量。1.DGV原理利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获得全场的速度信
7、息，从而实现全场、实时及三维测量。第16页/共46页一般工作在f1-f2段，中心频率fi处于激光器的中心频率附近，f1-f2的带宽约为600MHz。由于不同频率对应不同的透过率，这样把频率变化转化为光强的大小分子碘、溴蒸气或碱蒸气是最合适的吸收物质，它们的原子和分子有很多吸收线能匹配现有的激光频率，氢粒子激光的514.5 nm谱线在碘吸收线的近旁，YAG激光倍频后的532.0nm谱线与碘及嗅相配。第17页/共46页 将分子蒸气灌注在一个密封容器中，并保持恒温，如把缓冲气体加进分子蒸气室中，可增加吸收区以扩宽频率范围。由于从不同方向人射于分子蒸气的光线互不干扰，故可对整个视场各点同时进行测量。此
8、分子室成为一个分析器，或称做鉴频器，它是本技术的一个关键部件。光线经过鉴频器后,转化为光强分布术的一个关键部件。用一台视频相机(如CCD摄像机)对被光屏照明的物面进行拍摄，记录由该物面散射并透过鉴频器后的光线。视频信号采集后送人计算机进行分析处理，得到实时的全场定量速度值。第18页/共46页3D速度测量:需要三套测量装置,不同放置来建立方程获得2.测量装置第19页/共46页II测量过程:1)设变焦镜头像平面上某点的光强为 I CCD1路的光强为：s CCD2路的光强为：R 6滤光片的透射率为TF5鉴频器的透射率为T(f)CCD的转化效率为a则CCD1和2的输出电压分别为Vccd1 =aI sT
9、(f)Vccd2 =aI RTFVccd1Vccd2=T(f)第20页/共46页2)由t查表查出每一点的频率f 已知t=F(f)3)求出每一点的频移 f=f-f04)求出每一点的速度:f=V(U-K)/DGV注意事项1）由于两CCD要求像面完全重合,光程应该尽量一致2）测量为CCD1与CCD2输出电压的比值,因此两CCD参数尽量一致,其物理参数尽量一致的同时,曝光时间、采样间隔应严格同步3）由于求频率是由鉴频器的特性决定,鉴频器应该恒压、恒温措施第21页/共46页6.2 激光扫描测径技术 激光扫描测量直径是1972年Zygo公司发展起来的一种技术，有人称之为Laser Tele-metric
10、system，有人称之为Laser shadow Gauge 近在工件外形尺寸测量中得到广泛应用，应用最多的是侧量线材直径。其原理:用一束平行光以恒定的速度扫描线材，并由放在线材对面的光电接收器接收，投射到光电接收器上的光线在光束扫描线材时被遮断，所以光电接收器输出的是一个方波脉冲，脉冲宽度与线材直径成正比。第22页/共46页一、转镜扫描测径1.扫描测径原理第23页/共46页设晶体的振荡频率为v，电机转速为n，多面体的面数为N，透镜焦距为f，通光孔径为D，被测件扫描的平均次数为m，则电机转动的角速度=2n反射光束转动的角速 2线速度:V=f*2=4n f一个计数脉冲对应的间距为:=V/v=4
11、n f/vd直径对应的脉冲数:A=d/=dv/4 n f所以:d=4 n f A/v从公式上看:v越大,分辨率越高,f 越小分辨率越高第24页/共46页2.转镜扫描测径仪的组成转镜扫描测径仪由三部分组成:测量头、数字显示装置以及电源。测量头由激光器、同步电机、多面体反射镜、光学系统和光电管等组成一个整体。根据被侧件情况，必须相应考虑冷却、通风及防尘等措施。数字显示装置可以显示被测件直径的绝对值或偏差值。电源部分包括氦氖激光电源和同步电机专用电源。转镜扫描侧径仪通常用于直径较大的线材直径侧量。根据不同参数的测量头，可测直径为0.5-30 mm。仪器可以设计成同时测量水平、垂直两个方向的直径，以便
12、获得被测件的椭圆度。第25页/共46页3.大直径的测量第26页/共46页二、音叉扫描测径对于线径在0.5mm以下的物体，由于线径小，扫描区间窄，扫描镜不需要大幅度的转动，因此可以采用音叉或电流计等作为镜偏转驱动装置。音叉扫描测径方法适合于测量线径60一200 um的金属丝或光导纤维，(当丝无横向运动时可达500 um左右)测量精度为1%。1.原理图第27页/共46页设扫描光点的运动方程为:s =A0 sint光点在扫描方向横切细线两侧的时间为t1和t2,坐标为S1和S2，则d =S 1 -S 21t1=arcsin1t2=arcsinS1A0S2A0如果参考信号的运动方程为:V =V0 sin
13、t第28页/共46页S1A0S2A0在t1和t2时所截取的电压分别是V1 =V0 sint1 =V0V2 =V0 sint2 =V0电压差:Vd =V1 -V2 =A0或:d =VdV0V0A0(S1 -S2)=V0A0d第29页/共46页三、扫描镜电流计测径第30页/共46页四、位相调制扫描测量技术影响激光扫描测量精度的主要因素：工件边缘的衍射现象衍射使被测工件的边界模糊，用时间脉冲计数时，必然引人误差，使前述的光点扫描测量精度限制在士0.01 mm。位相调制扫描测量技术采用空间调制光束来扫描工件，通过测量位相，而不是测时间来获得被测件的尺寸，测量精度可达士1 um，适合于各种高温、高压下做
14、非接触高精度现场测量。第31页/共46页第32页/共46页I1 =I 3;I 2 =I1 +I 3设PBS分开的两束光的光强相等，则扫描光、之间的光强I1,I2.I3，有如下关系:若Pockels调制器的振荡频率为，由图6-18可知，光束+是(I1+I3)(1+sin t)。而光束的方程是I2(1-sin t)。对任意时刻，调制扫描光束的表达式为第33页/共46页1当光束与工件相遇时为a区，扫描光束扫过工件后为a区2当工件边缘开始挡住光束或时，这时为b区和b区3当工件边缘开始挡住光束到全部挡住光束时2和3 的信号正好相差pi第34页/共46页第35页/共46页6.3 激光测距技术常用的测距技术
15、:雷达/无线电测距时间 回波超声测距激光测距无导轨测距:短程:合成波长回波 相位半导体激光调频测距远距离(几千米)测量的技术:激光相位测距 脉冲激光测距第36页/共46页一、激光相位测距(一)激光相位测距原理相位测距是通过对光的强度进行调制来实现的光从A点传播到B点的相移可表示为=2m+=2(m+m)光从A点传播到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离L=ct=c2f=(m+m)若测量出某一时刻的相位，则测出波通过的距离第37页/共46页为方便测量出相位变化，一般采用反射式则L=22L=(m+m)(m+m)=Ls(m+m)实际上：1.cos为2周期的函数，不能直接测出m的变化量2.一般的检相
16、电路,只能检出0-2之间的相位变化第38页/共46页相位测量技术只能测量出不足2 的相位尾数，即只能确定余数m=/2，而不能确定相位的整周期数m。因此，当被测距离L大于Ls时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于Ls时，即m=0时，可确定距离所以:一般采用调制技术,变相增大测量范围,即增大波长为能实现长距高精度测量，可同时使用L。不同的几把光尺。最短的尺用于保证必要的测距精度，最长的尺用于保证测距仪的量程。目前，采用的测距技术主要有直接测尺频率和间接测尺频率两种。第39页/共46页2（二）激光相位测距技术（1）直接测尺频率由测尺量度Ls。可得光尺的调制频率f s =c/2LsL=(m+m)=
17、Ls(m+m)这种方法所选定的测尺频率fs直接和测尺长度Ls相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定，所以这种方式称为直接测尺频率方式。直接测尺频率一般应用于短程测距（2）间接测尺频率(合成波长)L=Ls1=(m1+m1)L=Ls 2 =(m2 +m2)L=Ls1 Ls2Ls1 Ls2(m1 m2)+(m1 m2)=Ls(m+m)第40页/共46页=L=式中：Ls1 Ls 2 1 c 1 cLs1 Ls 2 2 f s1 f s 2 2 f s,f s =f s1 f s 2;m=m1 m2;m=m1 m2 =/2,=1 2间接测尺频率法测距的基本原理:即通过测量fs1和fs2频率的相位尾数并取其
18、差值来间接测定相应的差频频率的相位尾数。通常把fs1和fs2称为间接侧尺频率，而把差频频率称为相当侧尺频率。第41页/共46页（三）相位测量技术第42页/共46页二、脉冲激光测距脉冲激光测距是利用激光脉冲连续时间极短、能量在时间上相对集中、瞬时功率很大(一般可达兆瓦级)的特点，有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测程。在进行几公里的近程测距时，如果精度要求不高，即使不使用靶标，只利用被测目标对脉冲激光的漫反射取得反射信号，也可以进行测距。应用:地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪，以及人造卫星、地球到月球距离的测量等。第43页/共46页主波:由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光，回波
19、:经过待测距离L后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光回波返回测距仪，由光电探测器接收，根据主波信号和回波信号之间的时间间隔，即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可算出待测目标的距离L=ct/2第44页/共46页t c测量能力设计时时钟的频率为f,则测距时光往返的时间为:T=N/f 所以距离为:L=cN/2f所以脉冲激光测距的分辨率:PL=c/2fF一般在几百兆赫兹以内,C=3*108m/s所以脉冲激光测距的分辨率较低,一般为数米量级测量误差L=c+t2 2光速c的精度取决于大气折射率n的测定，由n值测量误差而带来的误差为10-6。所以，对短距离脉冲激光测距仪(几到几十公里)来说，测距精度主要取决于时间，t的测量精度t.影响t的因素很多，如激光的脉宽、反射器和接收系统对脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等。第45页/共46页感谢您的观看！第46页/共46页