【第3章-激光测试基础】3of3

光机电测控技术基础任课教师:严晗武汉理工大学机电工程学院第3章激光测试基础目录3-1激光的基本性质3-2激光原理概述3-3激光器的分类和特点3-4激光准直技术3-5激光多普勒测速技术3-6激光测距技术3-5激光多普勒测速技术概述1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化——多普勒效应。1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。1.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。多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不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》中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。3-5激光多普勒测速技术声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。设声源的频率为f，声波在媒质中的速度为v，波长λ=v/f①声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为同理，观测者背离声源有/'111fvvvfvvvvvf'1fvvvf3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应1）声多普勒效应原理②声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了v2T距离，波长变为TvvTvvTTv)('222S1S2v2Dv2Tλ'λ声源向静止观察者运动的多普勒效应示意图)(''22fvvvTvvvvf则，频率为'2fvvvf同理，声源背离观测者运动有3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应1）声多普勒效应原理②声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1综合上述情况，可以得到：'21fvvvvf观测者向着声源运动时，取正号；反之取负号声源向着观测者运动时，取负号；反之取正号总之当声源和观测者相向运动时，接收频率升高；当声源和观测者背离运动时，接收频率降低；强调：声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应2）光多普勒效应原理对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速度的大小。如图示。yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效应示意图''12ttNfsK'系中静止的光源从K'系的t1'时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为t2'，于是在K'系中此波列发射的时间为（t2'－t1'），在这段时间内发射的波数为N，光源的频率为3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应2）光多普勒效应原理在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是yDOK系K‘系O'xx'y's1s2r1r2θθv光多普勒效应示意图crt111在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻（光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为cos)(1212222ttcvcrtcrtcos)(1212ttvrr设很小，θ变化很小，则有''12tt3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者D收到这N个波共需时cvttcos1)(12123-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者接收光波的频率为cvttNNfDcos1)(1212根据时间相对性221212/1''cvttttcvttcvNfDcos1)''(/11222''12ttNfssDfvcvcfcos22这就是光学多普勒效应公式3-5激光多普勒测速技术1.多普勒效应2）光多普勒效应原理若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cosθ＝±1（远离时取1，接近时取－1）：sDfvcvcf纵向多普勒效应若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则cosθ＝0sDfcvf221横向多普勒效应同样的v值下，横向多普勒效应比纵向多普勒效应要小很多。3-5激光多普勒测速技术2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理如图。由于v/c非常小，只取级数展开的前两项，即sDfcvf1激光多普勒测速原理图Lα1α2vQDSR考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量ncvffncvffss/cos1/cos1221121cos,cosvv3-5激光多普勒测速技术2020/2/28152.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向效应）)cos(cos/1212sfncvfffcos20nvf因，若则得210sfc于是，流速为fnvcos20测量出探测器上的拍频信号，就可以得到Δf，也就可以得到v3-5激光多普勒测速技术2.激光多普勒测速原理2）频移信号的检测光混频技术（外差干涉）：ftAAAAkti2cos221)(212221方式：零差；外差。3-5激光多普勒测速技术激光多普勒测速的特点动态响应快空间分辨率高流速测量范围宽测量精度高3-5激光多普勒测速技术激光多普勒测速的应用管道内水流流层研究；流速分布／亚音速或超音速气流／旋流的测量大气远距离测量；风速测量可燃气体火焰的流体力学研究；水洞、风洞和海流测量3-5激光多普勒测速技术Qθ管道水流多普勒测速原理示意图θ=14°12′v16mm探测器数据处理3-5激光多普勒测速技术血液流速测量流体探测器显微物镜观察目镜激光器激光多普勒显微镜3-5激光多普勒测速技术3-6激光测距技术利用激光进行远距离（几千米）测量的技术，通常有激光相位测距和脉冲激光测距两种。激光相位测距1．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。光波从A点传播到B点的相移可表示为若光从A点传到B点所用时间为t，则A、B两点之间的距离)(π2π2mmm)(π2mmfcctLLλ2π相位的调制波形AB3-6激光测距技术激光相位测距1．激光相位测距原理只要测出光波相移中周期2π的整数m和余数Δm，便可由公式求出被测距离L。所以，调制光波的波长λ是相位测距的一把“光尺”。实际上，用一台测距仪直接测量A和B两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即测量靶标），使从测距仪发出的光波经靶标反射再返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。ΔλLλA′LAB传播2L后的光波相位)()(2mmLmmLs3-6激光测距技术激光相位测距1．激光相位测距原理相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数，即只能确定余数Δm，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。为能实现长距高准确度测量可同时使用Ls不同的几把光尺。最短的尺用于保证必要的测距准确度，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。3-6激光测距技术激光相位测距2．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这种方法所选的测尺频率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。若测距仪测程为100km，要求精确到0.01m。如相位测量系统测量不确定度为1‰，则需要三把光尺，即Ls1=105m，Ls2=103m，Ls3=10m，相应光调制频率分别为fs1=1.5kHz，fs2=150kHz，fs3=15MHz。显然，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证1‰的测量不确定度很难做到。所以直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激光短程相位测距仪。s2/Lcfs3-6激光测距技术激光相位测距2．激光相位测距技术2）间接测尺频率在实际测量中，由于测程要求较大，大都采用间接测尺频率方式。若用两个频率fs1和fs2调制的光分别测量同一距离L，可得于是)(111mmLLs)(222mmLLs)()]()[(21212121mmLmmmmLLLLLsssss3-6激光测距技术激光相位测距2．激光相位测距技术2）间接测尺频率其中这样，用fs1和fs2分别测量某一距离时，所得相位尾数之差，与用fs1和fs2的差频频率fs=fs1-fs2测量该距离时的相位尾数相等。即通过fs1和fs2频率的相位尾数并取其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称为间接测尺频率，而把差频频率称为相当测尺频率。ssssssssfcffcLLLLL212121212121sssfff)()]()[(21212121mmLmmmmLLLLLsssss21mmm)2/(21mmm3-6激光测距技术激光相位测距2．激光相位测距技术2）间接测尺频率间接测尺频率、相当测尺频率及测尺长度间接测尺频率相当测尺频率fs=f-fi测尺长度Ls测距不确定度fs1f=15MHz15MHz10m1cmfs2f1=0.9ff2=0.99ff3=0.999ff4=0.9999f1.5MHz150kHz15kHZ1.5kHz100m1km10km100km10cm1m10m100m3-6激光测距技术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（一般可达到兆瓦级）的特点，在有靶标的情况下，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，如果测量不确定度要求不高，即使不用靶标，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。目前，脉冲激光测距方法已获得了广泛的应用，如地形测量、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。3-6激光测距技术脉冲激光测距基本原理如图所示。脉冲激光测距原理图示触发器时钟脉冲振荡器光电接收器整形电路激光器计数器放大器参考信号取样回波发射光束SEDCABA发射BCDE计数a）原理图b）各点波形图干涉滤光片02fcNL3-6激光测距技术脉冲激光测距测距仪的分辨力PL取决于计数脉冲的频率：若要求测距仪的分辨力PL=1m，则要求计数脉冲的频率为150MHz。由于计数脉冲的频率不能无限制提高，脉冲测距仪的分辨力一般较低，通常为数米的量级。脉冲测距的合成标准不确定度为：LPcf2000021)(fccufLufLu脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调Q/锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片3-6激光测距技术激光测距仪的特点测程远、测量精度高结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量激光对点准确受气象条件影响较大。激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术3