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1、 清华大学 2012 届毕业设计说明书第一章 绪论1.1 研究的背景和意义光学多普勒效应是光学领域中具有广泛应用前景的学科分支之一。尤其是激光多普勒效应的研究更是具有极强的应用潜力。国际上，激光多普勒效应的研究工作开展较早。自激光出现后，国外学者相继提出并从事该领域的研究工作，在理论上取得了一定的进展。由于激光系统的复杂性、稳定性、造价及寿命的原因，曾经使这一研究项目的实用性受阻。随着半导体激光器的出现和产业化，给这一研究领域的实用化注入了无限的生机 。【1】激光多普勒测速仪由于采用激光为光源，具有一些激光的特性，这也就是测速仪的优点，使得无论是从精度到时间和空间上的分辨率都提高到一个量级，在
2、科学的各个领域都是少不了的检测方法 。【2】据市场调查，该项目在许多领域都有很大的市场。激光测速技术是目前交通管理方面研究的热点问题，随着汽车的普及率越来越高，我们更需要一种更有效的检测手段。自 1960 年美国 THMaiman 博士制成世界上第一台激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度性就引起了人们的普遍关注。激光测速是从六十年代中期发展起来的，利用激光的单色性、能量高度集中的特点，用测频的方法直接测物体的速度。比起老式的雷达测速仪，最新的激光测速仪的性能有了明显的提高 。【3】激光测速主要是加强对超速车辆的监控，尤其是加强对高速公路超速行驶车辆的监控，及时纠正和查处超速驾驶的违法行
3、为，预防和减少道路交通事故的发生。激光多普勒测速仪的研究项目属于激光测量技术范畴。它是以激光作光源，利用光射到运动物体上产生的多普勒效应，并使用一些特定的处理方法，实现对运动物体速度的测量。激光多普勒效应一方面是光学领域中具有广阔应用前景的学科分支之一，它不仅应用于军事激光雷达，而且也广泛应用于国民经济及科技领域。另一方面，随着电子技术的发展及半导体激光器的出现及产业化，给这一研究领域的实用化注入了生机。近年来无论从光路设计还是在信号处理方面都有所创新，所以激光多普勒技术的研究又重新受到了重视。激光多普勒效应的研究具有极强的应用潜力。目前，国外生产的测速系统一般为短程测速系统，均需要反射棱镜，
4、测程一般第 1 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书在 1-3km 左右；如果采用多个反射棱镜作配合目标，测程可提高，有的可达5km 以上。目前在国内销售的外国产品主要有：瑞士的徕卡系列、美国的 YARDAGEPRO(雅而准)系列、美国 Impulse 激光测速仪以及日本的索肖全站仪系列。国外测速仪方面的最新发展主要有：一是自动目标跟踪测距测速仪，它可以在一定的移动速度范围内自动跟踪配合目标，以实现单人测量；二是配合目标短程测距测速仪，它可以在没有反射棱镜作为配合目标的情况下，仅利用目标物对反射光的漫反射来实现目标距离的测量，因此其量程通常较短；三是用 GPS 接收机实现距离
5、的高精度测量 。【4】在国内，测绘仪器的研制开发和生产还处于一个较低层次水平上，光电测速仪的研制起步较晚，七十年代清华大学、北二光、常州二电等几家单位才开始研制。激光测速技术的发展始终围绕着提高精度，扩大测量范围，缩短测量时间和对人眼安全等方面展开。目前，市场上的手持式激光测距测速仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为 905 纳米和 1540 纳米的半导体激光，工作波长为 1064 纳米的 YAG激光。1064 纳米的波长对人体皮肤和眼睛是有害的，特别是如果眼睛不小心接触到了 1064 纳米波长的激光，对眼睛的伤害可能将是永久性的。所以，在国外，手持激光测距测速仪中，完全取缔了 1064 纳
6、米的激光。在国内，某些厂家还有生产1064 纳米的激光测距测速仪。对于 905 纳米和 1540 纳米的激光测距测速仪，我们就称之为“安全”的。对于 1064 纳米的激光测距测速仪，由于它对人体具有潜在的危害性，所以我们就称之为“不安全”的，在实际应用中也尽量避免。在国内，目前比较成熟的技术是 LDV 技术，然而 LDV 技术使用的仪器更为复杂，产品成本也很高，不能在短时间内全面普及 。【5】本设计所介绍的激光多普勒测速技术是一种非接触式测量技术，它通过光栅探测物体表面散射或反射光与参考光的频移，可以得到运动物体的速度信息，具有极高的测量精度。从原理上讲，这种测速技术响应没有滞后，能跟得上物体
7、的快速脉动 。它能覆盖很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数【7】的影响，与传统的测速仪相比具有如下优点：非接触测量、空间分辨率极高、动态响应快、测量精度高、测量量程大。而与之相比，传统的激光测速仪价格较贵、耗电量大。因此，无论从经济还是实用性方面考虑，研究这种装置更为简便、成本更加低廉的激光测速仪都是很有必要的。在国内目前比较成熟的技术是 LDV 技术，然而 LDV 技术使用的仪器更为复杂，第 2 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书产品成本也很高，不能在短时间内全面普及。本设计中直接使用光栅测量多普勒频移，进而求物体的速度，与LDV 技术相比，减少了很
8、多高成本元件的使用，方法更简单，测量系统成本更低，更易实现。如能解决测量精度和效率问题，这种方法会有很大的应用前景。1.2 激光测速仪的研究现状1.2.1 激光测速方法的研究现状传统激光测速技术对物体运行速度的测量，是通过对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，由此取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。激光多普勒测速技术是伴随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 。激光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
9、和运动【9】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，通过测量多普勒频移进而求出物体运动的速度。随着科技的发展，传统的测量设备已不能满足现状的需求，已渐渐地被淘汰，而激光测速传感器已被广泛使用，它在很多领域中测量有着重要意义。ZLS-C50 激光测速传感器和 ZLS-Px 激光测速传感器是特别定制高精度的两款激光测速传感器，同时也是目前国内常用的两款高精度激光测速传感器。并且它们通过与计【10】算机连接，可对被测物进行自动化、智能化的测量控制，这也是现在测量技术与计算机技术相结合的产物。激光测速传感器有如下几个
10、重要特点：1、远距离测量；2、测量范围广；3、非接触；4、测量精度高；5、响应时间短。目前，激光测速传感器应用很广泛，它可应用在生产设备，特种机车，风力发电等，板材、管材在线切割，电缆或砂纸速度测量等。由于它们是无接触测量，测量敏感或无法触摸的物体非常适合，如绒布、毛皮等纺织品、涂层或粘胶表面、泡沫橡胶表面物体的测速，还有金属加工业如测量钢铁的速度、双抽速度测量、涂装工艺的控制等。1.2.2 国内外研究具有代表性的产品及技术介绍：1、迈克尔逊干涉型测速仪第 3 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书1965年，Barker等人发明了如图 1.1 所示的迈克尔逊干涉型测速仪。激光
11、器输出的单频激光经前置透镜 L1 入射到分束器 BS上，被 BS分为两束光。其中，反射光束射到以速度 u 运动的待测运动物体上，透射光束射到反射镜 M1 上。来自 M1 的反射光束的频率为激光器自身的频率，作为参考光束。由于多普勒效应，经待测运动物体反射回来的光束的n n n图 1.1 迈克尔逊干涉型测速仪频率变为 + 2u / c (2u / c 为光的多普勒频移量)，作为信号光束。信号光束和参考光束经过 BS 合束，经透镜 L2 准直后，由光电探测器接收，光电探测器输出的拍频信号的频率为:nf =2u / c(1.1)d于是，可以得到待测物体的速度：nu = cf /(2 )d(1.2)由
12、式(1.1)可知，这种测速仪产生的信号频率与待测运动物体的速度成正比，由于光频很高，样品速度不高时也会产生很高的信号频率，对信号检测系统的带宽会有较高的要求。此外，激光器频率的不稳定也会导致测量精度的降低，还存在光路调节难度大的缺陷，应用受到很大的限制 。【11】2、差分混频单频激光多普勒测速仪1969 年 D.Simpson和 P.R.Smy设计了如图 1.2 所示的差分混频单频激光多普勒测速仪 。其中，激【12】光器输出频率为的单频激光，经过一块平面平行平晶分束器 BS1 分束后，与透镜 L1一起形成夹角为 Da第 4 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书的两束光，二者同
13、时入射到以速度 u图 1.2 差分混频单频激光多普勒测速仪运动的待测物体表面。从样品反射回来的两束光均具有多普勒频移, 经透镜和平面平行平晶 BS2 合束后, 由光电探测器 D 接收。两束光和待测运动物体的夹角相差一个角度Da , 那么二者产生的多普勒频移量是不同的。由多普勒效应可知, 光电探测器 D 输出的拍频信号的频率为：2unf =sin(a + Da) -sina（1.3）（1.4）Bc由于Da 很小，式（1.3）可近似为：2unf =Bcosa Dac由式(1.4)可知，在这种测速方法中，可以通过选择合适的 和D ，来降低测aa得拍频信号的频率，从而降低对检测系统带宽的要求。但是这种
14、技术在实际应用中a存在着局限，由于角度 D 很小，精度很难控制，从而会引起速度的测量误差。在实际应用中利用这种测速仪只能测量很低的速度，应用很受限制。3、单频激光速度干涉仪单频激光速度干涉仪是为克服接收系统频响不够高的缺点而研究出来的一种激光多普勒测速仪，它的测量原理如图 1.3 所示 。激光器发【13】n出的频率为 的光照射到以速度 u 运动的待测运动物体上，从运动物体上反射回来的光束经分束器 BS1 分成两束，其图 1.3 单频激光速度干涉仪中，反射光束经过由反射镜 M1 和 M2 组成的延迟支路后，与 BS1 的透射光束经第二个分束器 BS2 合束后送入光电探测器 D。在光电探测器 D
15、中发生混频的两个频率的光对应于不同时刻的信号光。当样品速度有变化时，二者的多普勒频移量是不同的。由多普勒效应可知，在时刻 t，光电探测器输出的差拍信号的频率为：n2f (t) =Bu(t) - u(t -t )（1.5）c由式(1.5)可知，单频激光速度干涉仪的光电探测器输出信号的频率是对应两第 5 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书个时刻信号光的差拍频率。当速度变化特别大时，可以通过减小时间，使速度变化引起的差拍频率在检测系统的频响范围内。从系统频响的角度来看，单频激光速度干涉仪测量高速运动物体速度的能力是不受限制的，很好地解决了系统频响不够高的问题。但是，单频激光速度干
16、涉仪是对加速度敏感的，当物体匀速运动时，光电检测器输出的信号频率为零，只有速度有变化时才会有拍频信号，不能测量匀速运动物体的速度。这种测速仪在本质上是一种加速度测量仪，不是速度测量仪，从而限制了它的应用范围。4、激光多普勒测速仪(LDV)LDV 的 全 称 是 LaserDoppler Velocimeter，即激光多普勒测速仪。LDV 是一种利用运动物体散射光的多普勒频移来获得速度信息的非侵入速度测量技术，在流体速图 1.4 激光多普勒测速仪(LDV)度测量中应用广泛。典型的 LDV的测量原理如图 1.4所示，激光器发出的光经分束器 BS和反射镜 M后，变成两束平行的激光束，这两束激光束经透
17、镜 L聚焦相交，确定一个测量区域 。当一个以速度 u 运动的待测粒子通过测量区域时，两束入射【14】光在光电探测器方向上的散射光频率分别为：rn nu (e e ) s - 01=1+（1.6）（1.7）1crn nu (e e ) s - 02=1+2cn其中 为激光器的频率。由式（1.6）和式（1.7）可知，光电探测器输出的拍频信号的频率为：n nn2u sin( 2)qf = - =（1.8）1Bc2由式(1.8)可知，由 的值，可确定速度 u的大小。fB5、HH型双频激光多普勒测速仪第 6 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书由清华大学研制的 HH型双频激光多普勒测速
18、仪的测量原理如图 1.5所示。不同于正交偏振双频激光多普勒测速仪必须采用偏振方向相互垂直的线偏振双频激光器作为图 1.5 HH型双频激光多普勒测速仪光源，这种测速仪既可以采用同偏振的线偏振双频激光器作为光源，也可以采用垂直偏振的线偏振双频激光器作为光源。图 1.5是采用同偏振的线偏振双频激光器作为光源的情况。激光器发出的双频激光为偏振方向相同的线偏振光，频率分别为n1n和 ，频差nnDn= - 。输出光经分束器 BS 分为两束光。一束反射光由光221电探测器 D1接收，测得的拍频信号 f 作为参考信号。另一束透射光照射到以速度D1u运动的待测物体上，经待测物体反射后，光束中两个频率的光产生不同
19、的多普勒频移，反射光由光电探测器 D2接收，测得的拍频信号 f 作为测量信号。由激光的D2多普勒效应和光电探测器的平方律效应可知，探测器 D1测得的参考信号的频率为：n n nf = -= D（1.9）D112探测器 D2探测到的测量信号的频率为：2unf = D 1+（1.10）cD2参考信号 f 和测量信号 f 的频率差 f 正比于待测速度 u，可表示为：D1D2S2uf = Dn（1.11）cS于是，由式(1.11)可知，通过测量 f 的值，可以得到待测物体的速度 u。Sn由式(1.11)可知，这种测速仪的 f 是正比于双频激光器的频差 D 的，当待测S物体的速度 u 很大时， f 也很
20、小，因此，它能够测量很高的速度。这种测速仪的S优点是结构简单，使用方便，测速上限高，具有大的测速范围。1.2.3 现有激光测速技术的研究方向九十年代中期以来，激光多普勒测速技术有了极大的发展。随着半导体及微电第 7 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书子技术和光学等领域新型元器件的开发应用以及仪器构成新思路的出现，使测速仪的构成有了重大改变，其中最引人注目的是：(1)利用两个稳频的激光二极管产生测速时所需范围内的光频移。(2)利用外差技术去除光频移的波动并得到多普勒频率。(3)用新的信号处理方法，利用两个混频的、带频移的多普勒信号与正交的频移信号混频，可得到正交的多普勒信号，
21、从而用于辨别流向。采用以上三种方法可以消去以前是必不可少的频移元件(如声光调制盒)。(4)用半导体激光器泵清的 Nd：YAG 环行激光器通过不同折射率及长度的光纤产生光频移，并用正交信号击辨别流向。这一方法的优点与以上三点相同，但可使入射激光束功率有较大提高。近年来，激光多普勒测速仪（LDV）作为一种新型的速度传感器，以精度高、测速范围宽、动态性能好及非接触测量等优点在航空、航天、机械、能源、医学等领域得到了广泛的应用 。激光多普勒测速仪（LDV）是基于激光多普勒效应，利【15】用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。LDV通常有 3种模式：双光束差动模式、参考光模式及自混合模式，其中双
22、光束差动模式不能进行离焦测量，自混合模式测量精度受环境的影响较大。1.3 研究内容以及论文结构的安排本文重点研究了激光多普勒测速原理、光栅的制作及工作原理、光路的设计、光路的仿真、被测物体速度的计算方法。论文的主要内容安排如下:第一章:绪论。简要介绍了激光测速技术的研究背景和意义，总结了激光测速技术的研究现状，对现有的激光测速技术和产品作了简单介绍，为后续研究作准备。第二章：激光测速系统的总体介绍。本章主要介绍该系统的总体结构以及各个主要部件的基础理论以及对几种常用的激光多普勒测速方法作了简要介绍，本文采用了基于光栅的激光多普勒方法来测试运动物体的速度。第三章:基于光栅的激光多普勒测速系统。对
23、测速系统中起重要作用的激光器和光栅作了初步的概述，也根据设计要求选取了合适的器件，对所设计的测试系统光路图进行了简单介绍。第四章:利用光栅测多普勒频移。介绍了光路部分的散射和衍射，重点说明光第 8 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书栅测多普勒频移的具体实现方法，利用 ZEMAX 软件对光路进行仿真，推算根据测得的多普勒频移计算运动物体速度的算法。利用 CCD 传感器采集衍射图样，并在 PC中分析图样，编程实现对运动物体速度的计算。第五章:总结与展望。对本文所做的工作进行总结，分析了研究过程中存在的不足，并对未来的研究做了展望。第 9 页 共 42 页 清华大学 2012 届
24、毕业设计说明书第二章 激光测速系统介绍2.1 测速系统的总流程图 2.1 系统测量总流程图2.2 激光多普勒原理当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应 。下面就介绍一下散射面光学多普【16】勒频移的相对论基础原理。第 10 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书在狭义相对论中，相互之间作匀速运动的参照系之间的时空变换满足洛伦兹变换。如图 2.2所示，参照系 X O Y 相对于参照系以速度 V运动，方向为 X轴XOY正方向。图 2.2 两个作
25、相对运动的参考系设参照系 X OY 的空间坐标和时间坐标分别为 、y 和 。参照系 的空间XOYxt坐标和时间坐标分别为 x，y和 t。由 XOY X O Y 的洛伦兹变换为：x -Vtx =by= y(2.1)t -Vx c2t=bVc2其中，c为光速， = 1-。这是一个可逆变换，其逆变换 X O Y XOY 是：b2x+Vtx =by = y(2.2)t+Vxc2t =b设有一束 XOY 参照系中的入射光，光线方向与 X轴正方向夹角为 ，如图 2.2q所示。则此平面波可以表示为：xcosq ysinqE = E cos 2pf (t -+d)(2.3)0cc其中 f是光频率， 是与初相有
26、关的一个量。d第 11 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书散射体沿 X轴正方向运动，速度为 V。建立相对于散射体静止的 X O Y 参照系，则此参照系沿 X轴正方向以速度 V运动，在两个参照系上研究的物理现象满足上述的洛伦兹变换。我们用洛伦兹变换将这一束光变换到 X O Y 参照系，也就是在 X O Y 参照系观察这束光。将式(2.2)代入式(2.3)作洛伦兹变换到 X O Y 参照系，得到：1Vcosqcosq - V c xbsinqyE = E cos2 f p(1-) t -d (2.4) +bc1- Vcosq c c 1- Vcosq c c0Vc2其中， =
27、1-。根据狭义相对论，所有相互间做匀速运动的参考系应该是b2等价的，它们的物理规律应该具有相同的形式，所以有：x cosq y sinqE = E cos2 fp (t -+d) 。(2.5)cc0(a) XOY参照系中的入射光(b)由移动物体 P产生的多普勒频图 2.3 光学多普勒效应原理图对照两个式子，可以得出：1-V cosq c = ffb第 12 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书cosq -V ccosq =(2.6)1-V cosq cb sinqsinq =1-V cosq cVc2其中， = 1-。 f 为在 X O Y 参照系中观察到的光频率， 为光在
28、X O Ybq2参照系中相对于 轴的夹角。但由于是在xXOY 参照系中观察，同样分析在XOY 参照系中观察到的散射后的频率为：1-V cosq cf = f (2.7)b可见，光频率发生了变化，这就是光的多普勒效应。由于测量速度远小于光速，由于光源 S与接收器 Q静止，中间散射体 P以速度V运动，而引起光频率发生变化。当静止的观察者(或光检测器)从某一方向观察粒子的散射光时，由于它们之间又有相对运动，接受到的散射光频率又会同粒子接受到的光波频率不同，其值为：1+V cosq cf = f (2.8)b以相对光源静止的参照系为观察系，由接收器 Q接收散射光后，频率变为：b= f 1+V cosq
29、cf = f(2.9)11-V cosq c1-V cosq c22如图 2.3(b)所示，q =q = p 2 -a 2，故最终频移公式为：122V cosqDf = f - f =(2.10)l其中 V是散射体的速度；是入射光的波长，实验采用氦氖激光器。l本论文中建立的多普勒模型如图 2.4所示，光源 L发出频率为 的一束光，入u0射到运动物体 B上，光栅检测器 D接收运动物体 B点的散射光，其中光源 L点和光栅检测器 D 固定不动，且位置近似重合，运动物体以速度 u沿如图方向运动。第 13 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书图 2.4 激光多普勒模型图根据上述介绍的激
30、光多普勒原理可以确定多普勒频移Du ：u =u u =2uu cosq /c（2.11）D-00uDuD由此可知：只要测出 值，就可以计算出物体 B的速度大小 u，而 可以利q用光栅测出。而实际测量中由于测速仪被固定在某处，角度 是确定的，甚至可以30o 、45 60o 、 o 这些特殊的角度，可以使测量更方便。q直接设置角度 为2.3 激光多普勒测速的检测方法激光多普勒测速的检测方法主要有两种：直接检测和外差检测。但可见光波的频率通常在10 Hz 左右，而有实用意义的多普勒频移最高也不过10 -10 Hz。因1489为常用的光电器件不能响应光波的频率，直接检测对探测器的光电器件性能要求太高，
31、所以基本不用。光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。利用同一相干光源的两束光按一定条件投射到光检测器上，进行干涉并通过光电转换器的平方率效应（即光强变化）得到其频差，这就是所需要的多普勒频移。其他与光频接近或更高的的频率信息都因为远远超过光电器件的频率响应而被滤去。在激光测速中有三种常见的外差检测基本模式：参考光模式、单光束 -双散射模式和双光束-双散射模式 。【26】第 14 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书1、参考光模式将一束参考光直接照射到光检测器上，同散射光束进行光学外差。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
32、照射光相交是出于光学上的调准方便，这样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 。【27】图 2.5 参考光模式在图 2.5(a)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。图 2.5(b)所示的布置，可以实现并行于光轴速度分量的测量。由上图可知，参考光模式的结构简单，但其光路对准很麻烦。2、单光束-双散射模式这种工作模式利用一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频移 。将一束经过聚焦的光束照射到流体中，在与系统轴线对称的两个方向【28】上收集粒子的散射光。当这两束光合成时，他们波前的相对
33、相位取决于粒子到各收集光阑的距离。所以，当粒子运动穿过光束时，这两束散射光束干涉相长或相消，导致载光阴极上得到以多普勒频率脉动的光强。这个系统除了能在两个互相垂直平面中利用收集到的一对散射光测量两个瞬时速度分量以外，与条纹模式相比没有明显的优点。第 15 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书图 2.6 单光束双散射模式入射光束在e ，e 两个方向上的散射光频率分别是：s1s2ur uur u ur1f = f + U *(e - e )s10ls10ur uur u ur1f = f + U *(e - e )s20ls20（2.12）将这两个方向的散射光汇集在一起，在光检测
34、器中进行光学外差，可得到多普勒频移：ur u ur uur1f = f - f = |U *(e - e ) |Ds1s2ls1s2（2.13）可见，单光束双散射模式仅利用一束入射光，多普勒频移只决定于两束散射光的方向，而与入射光的方向无关。但由于两束散射光由探测器接收，而多普勒频移与散射光的散射角直接相关，所以精度要求越高的情况下，探测器的收集立体角要求越小 。【29】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电探测器中进行外差而获得多普勒频移 。双光束或条纹系统应用两束等强度的相交光【30】束，在它们的相交体积中得到一组条纹图形。每个离子穿过条纹图形时
35、，光电检测器上的散射光强度发生强弱的变化，变化率与速度成正比 。【31】（a）垂直光轴方向速度测量（b）平行光轴方向速度测量图 2.7 双光束双散射模式光束 1和光束 2在同一方向的散射光的频率分别为：ur ur uur1f = f + U *(e - e )s10ls01第 16 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书ur ur uur1f = f + U *(e - e )（2.14）（2.15）s20ls02由此可知多普勒频移为：ur uur uur1f = f - f = |U *(e - e ) |l0102Ds1s2可见，双光束双散射模式的频移只决定于两束入射光方向
36、，而与散射光方向无关。从而可以采用大的收集立体角以提高散射光功率。2.4 多普勒测速的应用1、多普勒雷达利用多普勒效应制成的雷达称为脉冲多普勒雷达。其工作原理可表述如下：雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标 。【19】天气雷达的工作原理：雷达不停发
37、出微波脉冲，经大气中的雨点反射，通过量度这些反射回来的讯号，就能探测到大气中的降雨。一般来说，反射回来的讯号越强，雨势就越大。至于雨区与雷达之间的距离，则可利用微波往返雨区所需的时间而计算出来。近年来多普勒天气雷达越趋普及，它能够量度雨点移近 ( 或远离) 雷达的速度。多普勒雷达原理可利用救护车响号的声调转变来解释：当救护车走近时，声调会升高；远离时，声调会降低。换句话说，救护车移近得越快，声调越高。多普勒雷达利用同一原理：雨点移近雷达的速度越快，反射回来的微波频率( 即声调) 就越高。透过这个频率转变，可导出雨点移近雷达的速度，从而替乘载这些雨点的风力提供了很好的估算。这种雷达能非常有效地监
38、察出现的恶劣天气，例如热带气旋、雷暴和大雨。2、多普勒测速仪可以精确测算出船只航行的速度，使现代大型船舶进出港口变得十分容易。它可以精确而方便地测出船舶的航行速度。一般的船用测速仪只能测出船与海水之间第 17 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书的速度，而不能测得船与海底的相对速度。由于海水是随风浪而动的，有时即使船速很小，但风浪很大时，船相对于海底的速度仍然很大，这就给船舶靠岸造成了很大的困难 。【20】利用多普勒效应制成的多普勒导航声纳可以精确地测得船舶的对地速度，而且精确度达到 0.01 节，完全符合船舶靠岸要求。多普勒导航声纳的换能器安放在船底的前半部，让它向斜前方或
39、斜后方发射窄波束。由于船在朝前行驶，因此从起伏不平的海底反射回来的回波频率将产生一定的偏移。根据测速仪测出的频移大小，就可以得到轮船航行的对地速度。有时为减少船只摇晃程度及海底地形起伏对回波频移的差异，可在船底朝四个方向发射声波，这样可以测得船舶航行的精确对地速度。船长可以依据船体航行的对地速度状况来控制船行的方向、速度等，以保障船只，尤其是大型船只能安全靠岸。多普勒测速仪更广泛应用于高速公路的车辆速度测量中。3、血液流动的研究近年来迅速形成的力学分支即生物力学，他把血液流体力学作为一个重要的研究课题，推动了激光多普勒测速的研究 。它是利用多普勒效应原理，对运动的【24】脏器和血流进行探测的仪
40、器。其中，经颅多普勒是一个有效的无创伤性的脑血管检查方法，属超声检查范围，因此对受检查者毫无创伤和痛苦。许多脑血管检查方法如放射性核素的脑血流量测定、脑血管造影、数字减影血管造影等均具有一定创伤性及并发症，经颅多普勒安全、无创伤性，适宜于普通的临床应用。经颅多普勒检测检查全面，能分别检测颅内脑底动脉环上及颅外各血管及其分支，还有测定各支血管的各个节段，对每支血管可进行跟踪检测，其最大的分辨能力为 lmm ，如能进行细致的检测可发现脑血管上的微细的病变。经颅多普勒检测除能反映脑血管的器质性疾病，如脑动脉硬化、脑血管狭窄、脑血管畸形等外，还能较大程度反映许多脑血管检查方法所无法得到的脑血管的功能性
41、变化。4、超音速风洞中激光测速激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造，其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心 。因此在风洞中必须掺入少【25】量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激光多第 18 页 共 42 页 清华大学 2012 届毕业设计说明书普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统进行了测量，获得了很好的结果。2.5 光栅的介绍光栅即刻有大量按一定规律排列的刻槽(或线条)的透光和不透光(或反射)的光学零件。能对入射光波的振幅和相位或
42、二者之一进行空间周期性调制的光学元件称为衍射光栅 。衍射光栅的种类很多有多种不同的分类方法。按工作方式分可【22】分为透射型和反射型；按作用器件分，有光纤光栅、超声光栅、液晶光栅等；按材料分，有硅光栅、金属光栅、聚合物光栅、光折变光栅、光致热折变玻璃光栅等；按对光波的调制方式，可以分为振幅型和相位型；按光栅工作表面的形状又分为平面光栅、凸光栅、柱镜光栅和凹面光栅等；按槽形分(主要指闪耀光栅)，有三角形光栅、台阶光栅(阶梯光栅)、矩形光栅等；按周期维数及组合情况分，有一维光栅、二维光栅、三维光栅、复合光栅、多重光栅等；按光栅制作的方式又可分为机刻光栅、复制光栅和全息光栅等；按折射率调制方式分，有
43、浮雕光栅、体光栅等；按使用波长分，有紫外光栅、红外光栅、可见光栅、x 射线光栅、飞秒激光光栅等；按应用领域分，有分频光栅、取样光栅(采样光栅)、增益光栅、脉冲压缩光栅(多层介质膜光栅)、偏振光栅、三色光栅、光谱光栅、测量光栅、定角衍射光栅等；按尺寸分，有亚波长光栅、亚微米光栅等；按形状分，有环形光栅、圆环达曼光栅等；按间距变化情况分，有变间距光栅、双倍密度光栅、可调谐光栅等。光栅主要有四个基本性质：色散、偏振、分束和相位匹配。光栅的色散是指光栅能够将相同入射条件下的不同波长的光衍射到不同的方向，它使得光栅取代棱镜成为光谱仪器中的核心元件。光栅的分束特性是指光栅能够将一束入射单色光分成多束出射光的本领。应用领域有光耦合、光通讯、光互连、光计算、均匀照明等。光栅的偏振性是指基于严格耦合波理论在共振区域设计出消色散波片光栅，可以被用来做偏振器、1/2 波片、1/4 波片和位相补偿器等。光栅的相位匹配性质是指光栅具有的将两个传播常数不同的波耦合起来的本领。最明显的例子是光栅波导耦合器，它能将一束在自由空间传播的光束耦合到光波导中。当光栅的特征尺寸远大于波长并且刻槽较浅时，采用标量衍射理论分析就足够精确；而当光栅的特征尺寸接近或小于波长，即达到亚波长结构时，必须采用严格的矢量衍射理论分析衍射场的相关特性 。【8】第 19 页 共 42 页