多普勒测速

本 科 毕 业 设 计

1 绪论

1.1 研究意义和目的 第 1 页 共 33 页

光学多普勒效应是光学领域中具有广阔应用前景的学科分支之一。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，在科学的各个领域都是少不了的检测方法。据市场调查，该项目在许多领域都有很大的市场。在交通领域，可以利用其测量汽车的速度，在冶金领域，可以利用其测量自动化生产线钢坯及钢管的速度及长度，国内大型钢厂对激光多普勒测速仪的需求很大，据调研，天津大无缝钢管公司、鞍钢现都在使用国外进口的激光多普勒测速仪，若将其国产化，将为国家节约大量外汇，创造良好的经济效益[1]。

1.2 激光多普勒的发展历程

早在1905年爱因斯坦就证明了在光波中也存在多普勒效应，1842年奥地利科学家Doppler, Christian Johann[2]首次发现，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，即产生Doppler频移。1960年第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。Cummins和Yeh [2]在1964年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，从此就开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速仪(LDV)。激光多普勒测速技术(简称LDV)是激光的一种重要技术运用，是一种测量流体或固体速度的新技术，它具有非接触测量、精度高、测点小、动态响应快、可测多维速度和判别速度方向等优点。目前，激光多普勒频移技术已广泛的应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物学、航空、航天、机械和医学，以及工业生产等领域的速度测量及其他有关测量。激光测速技术发展至今已有40年历史，其发展大体上可分成三个阶段

第一个阶段:1964年~1972年，在激光测速发展的初期，大多数的光学装置都比较简单，用各种元件拼搭而成，光学性能和效率不高，使用调准也不方便。各种外差检测模式都在实验当中，频移技术虽然一开始就已经出现，但是由于器件效率不高和增加了光学系统的复杂性，难以得到推广。初期的信号处理器大多采用己有的频谱分析仪，用它处理数据费时，精度差，更重要的是不能得到瞬时脉动速度。国内也有初步研究，在

王大衍的带领下，1966年4月中国科学院(长春)光学精密仪器机械研究所研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。当时己有人开始研制频率跟踪器和计数式处理器，但还只是作为雏形停留在实验室中。因此，在这期间，进行的流动测量，大多是在低湍流条件下进行的，实验结果以平均分布为主。

第二阶段:1973年~1980年，在此期间，激光测速在光学系统和信号处理器方面都有了很大的发展。首先是集成光学单元的出现，使光路结构大为紧凑，调准也方便多了，因而有可能发展更加复杂和高效率的光学系统，光束扩展、空间滤波、偏振分离、频率(色)分离、光学频移等近代光学技术相继应用到激光测速仪中，并成为系列化产品不可缺少的一部分。在信号处理方面，频率跟踪器、计数式处理器以及光子相关器件都陆续成为产品并被投入市场，它们同集成式光学系统一起成为研究复杂流体的有用工具。1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速仪国际讨论会”标志着这一技术的成熟。国内也出现了一些自行研制的仪器[2-4]，虽然都处于实验阶段，但为推广应用创造了条件。如果说，计算机的发展给计算流体力学发展创造了物质条件，那么，现代测量技术的发展则开创了实验流体力学的新局面，并为验证数值计算结果的正确性提供了实验依据，而激光测速就其发展速度或是应用范围都名列前茅。随着对湍流动态流动研究的深入，给LDV技术提出了新的问题，这就是所谓多普勒频率的不确定性问题。它主要影响到湍流的测量精度。现在对影响多普勒频率加宽的因素己基本清楚，同时提出了一些修正方法。但是，在大多数场合，它一般不是测量的关键问题。粒子的跟随性是又一个问题，理论和实验证明，粒子在微米数量级时，跟随性一般可达到99%左右。从实用观点看，这是可以被接受的。由于计数式处理器能适用于稀少粒子场合，因而越来越多地被采用。稀少粒子采样造成的速度偏置现象，会使统计结果产生误差，这一直是实践中要解决的问题。此外，如果利用频率跟踪器和计数式处理器的得到大量实时信息，也成为一个突出的问题。传统的模拟式仪表已不能适应对湍流微观结构和动态流动特性等课题的深入研究。

第三阶段:1980到现在。在此期间，应用研究得到迅速开展。在发表的文章中，有关流动研究的论文急剧增加，关于测量技术和装置方面的文章相对减少。这一时期明显的标志是1982年首次在里斯本召开的“激光技术在流体力学中的应用国际讨论会”该国际会议每两年召开一次。此外，还有每逢单数年召开的“激光测速仪进展与应用国际会议”。发表的论文中70%都是应用研究成果，遍及剪切流、内流、两相流、分离流、

燃烧、棒束间流动、旋转机械、固体测速和测长等各领域。为了促进国内和国外在测速领域的交流，清华大学先后于1989、1994、1997年在北京举办了三届“流体动态测量与应用国际会议”，激光测速是其中一个重要讨论课题[1]。并且清华大学承担起的激光多普勒测速仪研制工作，先后研制成我国第一台一维、二维和三维频移LDV系统，并成功应用于小浪底水库泄洪洞模型实验和5 Mw低温供热核反应堆换热器模型实验的测试验证。这些成果弥补了国内在激光多普勒测速领域的空白，占领了国内多普勒测速仪的制高点。Bruce E. Truax , H. H. Bossel, J. W. Bibro[5-6]等人在固体表面速度测量方面做了很多工作，使这一技术得以在工业上应用。但由于没有高速DSP器件的支持，测量精度只能达到0.1%。八十年代末九十年代初，半导体激光器被用在激光多普勒测速仪上，使得激光多普勒测数仪向小型化发展，发展了自混频效应激光多普勒测速方法。自混频效应激光多普勒测速系统同差动型测量系统相比，前者的结构简单，操作容易，但是自混频效应激光多普勒测速方法是通过检测激光器光强的波动频率来进行测量的，激光光强并不是非常的稳定，当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相应的改变，这会影响到多普勒频率的测量精度，精度更低，只能达到1%左右。在差动激光外差方法中，激光光强的波动只是影响到信号的信噪比，并不会影响多普勒频率测量的精度，因而精度较高。近几年，Sahin kaya[7-10]等人发展了双自混频技术，但精度始终不高，徘徊在1%左右，无法满足高精度的测量需要。这个时期LDV的另一个重大进展是相位多普勒粒径测速技术(phase Doppler sizing anemometry, PDSA)[11]。F. Durst和M. Zaref发现，球形粒子对两束相交光束散射时，在周围光场形成明暗相间的干涉条纹;当利用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在一定相位差，与粒子的大小成正比，具体地说，是与散射点的曲率半径有关[16]。随后，Bachalo又将这一发现应用于粒子的大小测量中，即PDA(相位多普勒法)[11]。在20世纪80年代中开始出现实用的商用产品，并直接占领市场。这一技术的产品化仪器有DANTEC公司的产品，可以测速近500 m/s，精度优于2%，测粒子直径0.5 um~10000 um，精度优于4%。这种仪器的优点是只在原有的LDV系统上增加一个或多个光检测器和一套位相检测器，就能同时得到粒子的速度和粒径信息，所增加的成本为LDV系统的1/3~1/4，而得到的信息却具有十分重要的意义。它不仅可用于两相流研究，而且对于单项流研究也是需要的。因为示踪粒子的大小与跟随性有很大的关系，直接影响到测量结果的精度和可靠性。基于这一特性，过去单一功能的LDV系统己逐渐被多功能的PDSA系统取代。

激光多普勒技术本身还在继续发展，如多维系统(主要是三维)，光纤传输技术及数字信号处理技术和微机数据处理技术等的出现把LDV技术推向更高的水平，使用调整更加方便，计算处理速度越快，实时性能越好。此外，半导体激光器和雪崩光电二极管的应用使LDV的小型化成为可能，推动LDV走出实验室，迈向工业和现场应用[12]。90年代以来，R. G. Brown等介绍了“小型固态光子相关激光多普勒测速仪”;Jetink, Mul, Snichiest等人研制了“小型激光二极管多普勒测速仪”;Schnidt, Stork等人发明了衍射分束器。Ross采用参考光和差动光路相结合的办法提出了一种LDV三维测量的新方法，在保持结构紧凑、使用方便的特点上，提高了信噪比，空间分辨率和测量精度也达到了工程要求。为了弥补LDV单点测量的不足，出现了多点LDV系统，由于其光路系统太复杂，推广受到限制。20世纪90年代出现的全场多普勒测(Dopplerglobal velometry ,DGV)技术可以说是LDV用于多点测量的突破性进展。它将散射光的多普勒频移信息转变为光强信息，从而可以用传统的图像处理方法来得到一个平面场中微粒的三维速度信息。受频率分辨率的限制，目前这一技术比较适用于中高速流畅的测量，但是可以预期，随着科技水平的不断提高，DGV技术也必将在新世纪中得到更大的发展和应用。

1.3 激光多普勒技术发展现状

激光多普勒测速技术自激光器出现以来，由于它具有非接触测量、高的时间和空间分辨率以及高测量精度等优点，以成为科学技术及许多行业中不可少的检测方法。许多地方，如水下、燃烧缸内、原子反应堆、大气风速及高压、带腐蚀性流体等场合都寄希望于激光多普勒测速技术。由于现代科学技术、特别是半导体器件，光纤光学及计算机科学的发展，激光多普勒测速仪国际上正向仪器的小型化，使用方便化发展，使用光纤使得测量探头的可动部分缩到很小。近几年来，采用新型半导体激光器作为发射光源，用雪崩二极管或PIN管作为探测元件，使得光学系统小型化成为可能。计算机的发展使时域内信号处理的可靠性提高，并向频域处理的方向发展。随着电路器件水平的不断进步，FFT运算速度的提高，使频域内的信号处理方法用于准实时测量或趋向实时测量。近年来国外还发展了一些新的信号处理技术，一方面使得激光多普勒信号处理系统也趋于小型化，另一方面使得信号处理的自动化能力提高，使人工干预减到最小[13]。 近年来，国外采用光纤结构的激光多普勒测速仪，采用光纤可使发射头与发送系统中的布拉格盒、分束器等光学元件分开，也可使接收探头与光电接收器、前置放大器等接收部分分开，它们之间用光纤完成，这样发射头就小巧灵活。

1.4 多普勒测速的发展前景 在当今社会，任何商品都在向小型化，商品化、廉价化、高性能化发展。而激光多普勒测速仪在测量、控制领域，有着举足轻重的地位。由于它的未接触测量优点，使得该仪器在一些无法作业的地方，起到了大的用场。而它的高空间、时间的分辨率是其它测量仪器所不能比的，高的测量精度使得它在微加工、原子能反应堆、大气风速等领域都寄予厚望。激光多普勒测速仪在医学方面的应用有着很大的潜力，无论从测量血液流速到各种医疗器械的流速都能精确的测量，只是我们要注意的是激光对人体的安全问题。还有就是在采矿业探测其危险性，通过测量矿体震动幅度的大小，也就是测量速度的大小来预测矿体的危险性，从而可以增加矿工的人身安全。还有就是利用多普勒测速仪可以传递声音，也就是振动物体的一些特性，这样的话在各种各样的场合，都会利用到激光多普勒测速仪。相干激光多普勒雷达是一种重要的激光雷达，是利用激光多普勒效应完成测量目标速度的激光雷达。激光多普勒效应在地震波勘探领域已经有了很大的进展，在不久的将来可以取代原来的测量方法，加大了信噪比。激光多普勒测速仪是一种非接触测量固体表面运动速度的工具，由于具有不破坏被测表面，不打滑，精度高等优点，被广泛地用于工业领域。激光多普勒测速仪的测量精度受很多因素影响:光电探测器、环境状况、频谱加宽，信号处理等。国内还没有测量固体表面运动速度的多普勒测速仪，所用仪器全都高价进口，国外虽然有成形的产品，但是对于固体激光多普勒信号的产生机理尚没有完善的理论阐述。因此，研制固体激光多普勒测速仪不仅意义重大，还有很好的市场前景。

2 激光多普勒原理及光路结构

2.1 光学多普勒原理 激光多普勒测速仪利用了光学多普勒效应来进行速度测量，光学多普勒效应是指:任何形式的光波传播，由于光源、接收器、传播介质或中间反射器、或散射体的运动，都会使光波频率发生变化，这种现象就是光学的多普勒效应[14]。

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. 1所示，参照系XOY相对于参照系XOY以速度V运动，方向为X轴正方向。

图2.1 两个作相对运动的参考系

设参照系X1O1Y1的空间坐标和时间坐标分别为X、Y和t。参照系XOY的空间坐标和时间坐标分别为x, y和t，两坐标系之间满足洛伦兹变换。

由XOY→X1O1Y1的洛伦兹变换为

xxVt



tVx/c2yy

t (2.1) 

其中，c为光速,(1V

c22)1/2。公式(2.1)是一个可逆变换，其逆变换XOY →XOY

是

xxVt

tVx/c2yy

t (2.2) 

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2.2所示。则此平面波可以表示为

EE0cos2f(txcoscysin

c) (2.3)

其中f是光频率，是与初相有关的一个量。

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

EE0cos2f1(1Vcosc)[tcosV/cxsiny

1Vcos/cc1Vcos/cc) (2.4) 其中，(1V

c22)1/2根据狭义相对论，所有相互间作匀速运动的参照系应该是等价的，

它们的物理规律应该具有相同的形式，所以有

EE0cos2f(txcoscysin

c) (2.5)

(a) XOY参照系中的入射光 (b) 由移动物体P产生的多普勒移

图2.2 光学多普勒效应原理图

对照两个式子，可以看出

ff1Vcos/c

cosV/c

1Vcos/c cos

sin (2.6) sin

1Vcos/c

其中，(1V

c22)1/2，f为在XOY参照系中观察到的光频率，为光在XOY参

照系中相对于x轴的夹角。但是在XOY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

ff1Vcos/c

 {(1V

c22)1/2} (2.7)

可见，光频率发生了变化，这就是光的多普勒效应。

由于光源S与接收器Q静止，由于测量速度远小于光速，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:

ff1Vcos/c

 (2.8)

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

21Vcos1/c (2.9) 1Vcos2/c1Vcos2/c(1V2)1/2ff

如图2. 2 (b)所示，12/2/2,故最终频移公式为:

ffff2cos2V

sin(

2) (2.10)

其中V是散射体的速度;

是双入射光束之间的夹角; sin()3/14 2

是入射光的波长，设计采用实验采用氦氖激光器，波长为632.8 nm.

因此：

f2V

sin(2)V

2.1106 (2.11)

2.2 光学外差检测 利用激光多普勒效应测量运动散射目标的速度得到的是强度变化的光信号，它的变化频移包含了所需要的速度信息。为了处理这类信号，通常采用光电器件将光信号转换成电信号。实现这种转换的装置通常被称为光检测器和量子检测器[16]。

为了将光信息转换为电信号，在激光多普勒测速技术中使用的大多数检测采用光发射。通过二次电子发射的得到的内部放大可免除噪声放大，因此，可使信号增强而不会降低信噪比。由于多普勒信号比较弱，测速仪中使用的光电检测测器为雪崩二级管,论文中使用的是雪崩二极管。

要获得运动微粒的散射光频移，必须通过光检测器的平方律效应来实现，这就是所谓的外差检测。激光的高度相干性，单色性和方向性，使光频段的外差探测成为现实。光电探测器除了具有解调光功率的包络变化的能力外，只要光谱响应匹配和频率响应合适，也同要有实现光外差探测的能力。光外差探测系统的方框图如图2.3所示。由图可见，光外差探测系统与直接探测系统比较，多了一个本振激光。现在光电探测器起着光混频器的作用，它对信号光和本振光的差频分量响应，输出一个中频光电流。

图2.3 光外差探测系统的方框图

设输入信号为AcosSt，本机振荡信号为BcosLt，那么平方律器件的输出为:

i(t)(AcosStBcosLt) 2

AcosSt2ABcosStcosLtBcosLt (2.12) AcosStBcosLtAB[cos(SL)tcos(SL)t] 22222222

这个光电流经过有限带宽的中频放大器，直流项被滤掉，最后只剩下中频交流分量

i(t)1

2(A2B)ABcosDt 2 (2.13)

本 科 毕 业 设 计 第 10 页 共 33 页

于是电流信号中只包括输入两频率的差频分量和一个支D= SL 就是多普勒频率，

流分量。对于激光多普勒测速，D就是多普勒频率。结果表明，光频外差探测是一种

全息探测技术。在直接探测中，只响应光功率的时变信息，而在光频外差探测中，光频电场的振幅Es,频率S、相位s所携带的信息都可探测出来。也就是说，一个振幅调制、

频率调制以及相位调制的光波所携带的信息，通过光频外差探测方式均可实现解调。

2.3 激光测速光学布置的基本模式

光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。当来自同一个相干光源的两束光波按一定的条件投射到光电检测器表面时，通过光电转换的平方律效应能得到他们之间的频差。这个频差就是多普勒频移，其他与光频接近或更高的频率都因为远远超过光电探测器的频率响应而被滤去。在激光测速仪中有三种常见的外差检测基本模式:参考光模式、单光束一双散射模式和双光束一双散射模式。

2.3.1 参考光模式

在参考光或“本振外差”模式中，激光束被分成一束强的散射光和一束弱参考光。参考光直接射到阴极上，在那里它与强光束散射的光进行差拍。这种散射是由随流体流动的粒子引起的。由于多普勒效应，散射光的频率已经改变，通过散射光与参考光的干涉可得到正比于粒子速度的频差。这种装置被用于Yeh和Commins (1964)的开创性工作中，随后一直被许多作者使用。为了使参考光同散射光的强度基本相近，必须把参考光减弱。通常照射光束同参考光束的光强比在99: 1左右，这可以用中性滤光片或选择分光镜的分光比来实现。

图2.4 参考光膜是光路

在图2.4所示的情况下，测得速度分两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。在图2.4向所示的布置下，可以实现并行

单元对面。

2.3.2 单光束一双散射模式 于光轴速度分量的测量。这时候，光接收器位于入射光源的同侧，而参考光束来自光学

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上收集粒子的散射光。当这两束光合成时，他们波前的相对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。光学装置如图2.5所示:

图2.5 单光束—双散射模式

入射光束在es1，和es2两个方向的散射频率为

1fs1f0U(es1eo1)fD

1fs2f0U(e0es2) (2.14)

2.3.3 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，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。光学几何布置见图2.6

图2.6 双光束—双散射模式光路

两束入射光在es方向上的散射光频率为

N1fs1f0U(es1eo1)fDg

1fs2f0U(e01es2) (2.15)

故

fDfs1fs21|U(eo1eo2) (2.16)

从上式可见，多普勒频移只取决于两束入射光方向，而与散射光方向无关。这是双光束一双散射模式的重要特点，因为光接收器可以放在任意位置，而且可以采用大的收集立体角以提高散射光功率。入射光系统可制成集成化光学单元，大大提高了光学系统的稳固性和易调准性，所以目前国际上几乎所有的激光测速仪都采用这种工作模式。 双光束—双散射模式的光路结构有入射光系统和收集光系统两部分组成。入射光系统主要包括激光器、分光单元、偏振单元和聚焦透镜。收集系统包括接收透镜、孔径光阑、针孔光阑和光电探测器。图2.7表示双光束—双散射模式的光路结构。

图2.7 双光束—双散射模式是光路图

2.4 激光测速的光路结构 在2.3节中介绍了外差检测的三种基本模式，可以用不同的光学元件和光路结构来实现。总的来说，都要有入射光系统和收集光系统两部分。入射光系统主要包括激光器、分光单元、偏振单元和聚焦透镜。收集系统包括接收透镜、孔径光阑、针孔光阑和光电探测器。三种基本的光路结构，它们分别对应于三种光学模式。

2.4．1 参考光激光测速光路

光路结构，从激光器发出的光束经分光镜分成两束，再由聚焦透镜汇聚到测量区。光检测器接收其中一束直射光作为参考光，同时接收另一束照射光经粒子散射在同一方向上的散射光，它们在光电器件中进行光外差作用，从而得到多普勒频移。

2.4.2 双光束一双散射光路结构

光路结构，这种光路结构并不需要接收参考光，而是接收两束经相交区粒子散射发出的散射光。这种结构的特点是:多普勒频移与散射光方向无关，可以使用相对口径大的接收透镜来增加接收到的散射光功率。一般两束光功率近似相等，要求1: 1的分光比。

2.4.3 单光束一双散射光路结构

光路结构，把光学单元和接收系统放在同一侧，在透镜前面加一块开孔的障板，就成为一台单光束一双散射激光测速仪。障板上开孔的位置和孔径决定了接收散射光的方向角和立体角。由于多普勒频移同散射光方向有关，而与入射光方向无关，孔径必须很小以减少由于散射光方向的扩展造成的多普勒频移加宽，这样就大大降低了光能的利用率。

要是在障板上的沿着互相垂直的方向各开两个小孔，分别将透镜的散射光汇聚到两套光接收系统，就可以实现二维速度测量。这是单光束一双散射模式的优点。

3 多普勒信号处理方法 由于多普勒测速仪具有多年的发展历史，随着科技的进步，信号处理方法也在不断的改进，有频谱分析法，频率跟踪法，计数型处理法，滤波器组，光子相关频谱法，数字相关信号处理，数字FFT信号处理法。多普勒电信号的形式和特点受光学系统，粒子条件和流动状态影响很大，至今还没有哪一种信号处理器能够适用于所有情况。下面是几种信号处理方法的比较，见表3.1。虽然在激光强度低，粒子直径非常小或光收集装置效率低时，在散射光强度和信噪比非常低的情况下，光子相关频谱法比信号处理器更具有优点，但是计算量大，精度低，且不能获得瞬时速度，得到的只是平均速度。滤波器组虽然可获得瞬时速度信息，能在低信噪比情况下工作，但是其分辨率随着滤波器的个数较小而降低，且可测最大频率低。

表3.1 几种信号处理方法的比较

3.1 频谱分析法

频谱分析法广泛用在激光测速发展初期，当时还没有专门适用于激光测速的信号处理器，虽然在功能上比不上跟踪器、计算处理器等仪器，但是在流场比较复杂、信噪比很差的情况下，该方法可以用来帮助搜索信号，便于正确设置跟踪、计数处理器的量程等。频谱分析仪的工作原理如图3.1所示。

光检测器送来的信号经过滤波放大后与电压控制振荡器 (Voltage Controlled Oscillator, VCO)的频率输出fos混频，将两者的频差送到一个窄带滤

波器，其中心频率为f0、带宽为W。最后得到的中频滤波信号，其频率位于中频通带

范围，幅值则与输入信号的幅值有关。检波器、平方器和平滑器的功能是将中频滤掉，得到与输入信号幅值成比例的模拟信号。扫描发生器实际上是一个锯齿波振荡器。锯齿波电压一方面供给VCO得到与电压成比例的锯齿频率变化，另一方面同滤波后的信

本 科 毕 业 设 计 第 15 页 共 33 页

号器供给xy记录仪的两个输入端，于是记录仪上就可以得到被测信号的频谱。 频率扫描信号总是周期性地来回扫描。只有扫描周期和被测信号的频率变化速度相比足够长，那么在中频滤波器输出端信号幅值就与输入信号中频率出现的概率密度成正比。对激光多普勒测速仪的应用来说，仪器扫瞄的宽度要宽，和被测的频谱宽度相比，中频滤波器的带宽要窄，另外，和粒子的渡越时间相比，扫描时间要长。为了得到频谱并从频谱中以高的置信度求得统计量，分析仪所测到的信号数目必须很大。

图3.1 频谱分析仪的工作原理

频谱分析法的优缺点主要如下:

1)可以用于对流动作初步的判断

2)适用于稳定流动。在信号品质很差或非常不连续的时候，可以用慢扫描或存储示波器记录频谱。

3)能够在很宽的频率范围内工作。

4)如果多普勒频谱不同基带频谱重叠，则可以工作在高湍流度情况下。 频谱分析法的缺点如下:

1)信息利用率太低。在中频窄带以外的的信号都通不过。为了得到可靠的频谱，一定要有足够多的粒子信号。

2)不能得到瞬时速度的实时纪录。

3)粒子尺寸和浓度不均匀或脉动都会造成频谱的严重失真。

4)处理数据慢而且费时，精度也较差。

本 科 毕 业 设 计

3.2 频率跟踪法 第 16 页 共 33 页

频率跟踪解调就是通过频率反馈自动跟踪一个具有频率调制的信号，并把调制信号用模拟电压解调出来。与频谱分析仪相比，频率跟踪器的最大特点是压控振荡器的输入电压受信号的反馈控制，因而能使VCO频率随输入信号频率变化。由于控制电压就是对应于信号频率的模拟解调信号。频率跟踪器的原理图见图3.2所示:

图3.2 频率跟踪器的原理图

从检测器来的多普勒信号与VCO频率fos进行混频，得到两者的频差，再经过中频

滤波器滤波，得到中频信号寿，频率鉴别器的功能是实现频率一电压转换，得到与中频频率呈线性关系的电压信号u。此电压经过积分放大器平滑放大后，去控制VCO的振荡频率。只要回路设计得当，则输出信号和瞬时多普勒频率成正比。一般来讲，用一个数模转换器(DAC)将压控振荡器输出转换为模拟信号输出，这样，压控振荡器的任何非线性响应都不会影响输出。为了实现负反馈跟踪，必须保证鉴频器的变换极性。 频率跟踪法的优缺点:频率跟踪法的主要优点是可以得到正比于速度的实时信息U(t)，可以用数字电压表和均方根电压表得到平均速度U和均方根脉动速度奋，还可以得到与时间有关的统计量，还可以从瞬时速度波形得到速度概率密度函数。由于其幅度不受粒子浓度和尺寸均匀性的影响，得到的结果要比频谱分析法的精度高。可以用模拟式仪表和计算机数字处理技术处理数据，得到跟踪器输出的实时信息的统计量。 与计数式处理器相比，跟踪器对信号的信噪比要求较低。但跟踪器在高速、高湍流度、低粒子浓度和低信噪比的场合是很难准确测量出速度的。采用各种形式的脱落保护电路可以改善粒子浓度对工作的影响，但在高速时频带变宽、信噪比将起主导作用。频率跟踪器能处理的最高频率大约为50 MHz，但大多数样机极限值为15 MHz或者更低。

因为仪器性能数据给出的频率响应范围是在理想的正玄调制情况下得到的，而实际的信号是随机调制的，还伴随着噪声，故可测频率上限一般要低于仪器的性能数据。 同频谱分析一样，频率跟踪器的输出信号同样存在加宽影响，如需得到较高精度，可根据具体条件进行加宽修正。

3.3 计数式信号处理

计数型信号处理器基本上来说是一种计时装置。它的主要工作过程是对带通滤波后的多普勒信号进行处理，测量规定数’目的多普勒信号周期所对应的时间。利用快速数字电子装置就可以得到多普勒信号频率和对应的电子瞬时速度。计数法有两种，一种是固定周期数计数法，一种是固定闸门计数法。在这两种方法中，统计足够数量的粒子的频率测得平均速度值，均方根值等。

固定周期计数法如图3.3所示:

图3.3 固定周期计数法

图3.3是用触发装置从一个多普勒波群得到的触发信号，其中△1为一个周期的时

间，△N为N个周期的时间，所以多普勒频率为

fD11NN (3.1)

式中， N为周期数， f为晶体振荡器频率。时钟频率f引起的相对误差随fD增大而增大，高速时的误差比低速时候大。

N固定闸门时间计数法测量固定时间内的多普勒周期N。因为fDg，在g为常

数时，可从N得到fD，由于周期计数的误差是一个过零数，故相对误差是随多普勒频

率的减小而增大。

在实际的激光多普勒测速系统中，粒子穿过控制体的渡越时间是随速度而变化的，固定的闸门时间难以适应不同的速度情况。多普勒波群的周期数则基本上是不变的，它取决于控制体中的干涉条纹数。由于现在的技术可以造出频率很高的晶体振荡器，故现有的计数式处理器普遍采用固定周期计数法。

计数法的优缺点:

1） 可以适用于粒子很稀少的流动场合，即使多普勒信号不连续，也能快速得到瞬时速度信息。

2） 计数法是一种时域测量方法，它没有仪器的动态响应问题，也没有粒子有限渡越时间加宽的影响，因而可以达到较高的时间分辨率。但是计数法对噪声的敏感要比频域法大得多。这种影响可以采用多个周期的平均来限制和减小，但是实际能用的周期数是受限制的。

本 科 毕 业 设 计

四 固体激光多普勒测速系统

测速系统如图4.1 第 19 页 共 33 页

图4.1 光路结构图及系统框图

固体激光测速系统由三部分组成：

1)光路结构设计单元

2)数字信号处理单元

3)显示模块单元

4.1 光路结构设计单元

该系统的光学单元由光源、分光系统、收集系统几部分组成。激光源发出的激光，经偏振元件和分光元件后，分成为两束偏振方向一样的等频率的光，照射到旋转的盘上，然后收集系统收集到含有多普勒频率信号的光。

4.1.1 光源

多普勒测量系统对光源的要求较高。由于光线需经过分光元件才能到达被测物，期间有将近30%的光能损失。且差拍信号的振幅与参加差拍的两束光的振幅乘积成正比，故提高光信号的强度，有利于提高信噪比并可简化信号处理。本实验光路结构选用线偏振光He-Ne激光器作为光源，发散角为1.3 mrad，波长为632.8 nm，光点小，光强集中，并具有相干性、单色性好、方向性强和亮度高等优点，可满足测量要求。

4.1.2 分光系统

无论何种光路结构，都须将一束光分成两束，以保证两束光的相干性。本光路结构

本 科 毕 业 设 计 第 20 页 共 33 页

采一个分束棱镜和两个反射棱镜实现分光。偏振片使激光成为偏振光，然后经分束棱镜后，分成两束方向不同的光，然后分别经两反射棱镜反射，最后两束光汇聚为一点照射待测的运动物体表面，这点称为探测点。

4.1.3 光收集系统

光收集系统由三部分组成:透镜、光电探测器、放大电路。透镜采用大孔径透镜，以便提高信号的强度。由于接受的光比较微弱，光电探测器采用雪崩二极管。雪崩二极管是由内部增益的，增益可达102~104。它是利用雪崩管在高的反向偏压下发生雪崩倍增效应而制成的光电探测器。一般光电二极管的反偏压在几十伏以下，而APD的反偏压一般在几百幅量级。当APD在高反偏压下工作时，势垒中的电场很强，电子和空穴在势垒区中作漂移运动时得到很大的动能。它们与势垒区中晶格原子碰撞，可将价键电子激发到导带，形成电子一空穴对。激发产生的二次电子与空穴在电场下得到加速也可以碰撞产生新的电子一空穴对。如此继续下去，此过程犹如雪崩，故名为APD。APD的信号输出电流Is= RoMP，这里Ro(A/W)是雪崩光电二极管的固有率，M是增益，与所加的反向偏压、p-n节的材料和结构有关，Ps (W)是入射光功率[1-6]。 下面是系统的探测器输入输出特性:

1)APD辐射灵敏度:0.5 A/W(在800 nm处，增益为1)

2)APD增益:30(初始值为30，实际可调范围为:0~200 )

3)运放增益:6.2·103 V/A

4)频率带宽4 K到100 M，响应波长范围:400 nm~1000 nm，峰值响应为800 nm。当探测器检测到信号时，输出电压为Vout=Pin·辐射灵敏度x·APD增益、运放增益、1/2，其中Pin为输入的光功率。在光电探测器后，再接一运放电路，放大倍数为M，则最后

MVoutMPin辐射灵敏度APD增益运放增益x1/2。输出信号电压大小为: Vout

4.2 数字信号处理

本文采用频率跟踪器的处理方式，其优点是可以实时显示正比于瞬时速度的模拟电压，能够用于信噪比较低的场合，并能在较大范围内变化的速度进行跟踪。在这里跟踪器的环路图就是所说的锁相环，利用锁相环技术，可以快速的得到测量的频移量大小，在回路中快速的响应优点给测量带来了方便。而且基于回路中的优点使得用此技术提高了测量的范围，可以在连续的状态下测量大范围的速度，方便了测量，同时如果把此环

本 科 毕 业 设 计

第 21 页 共 33 页

路集成化就减小了信号处理系统的体积[13-19]，下面介绍频率跟踪器的基本原理框图

图4.2 跟踪器的基本原理框图

频率跟踪器的原理框图如图4.2所示。从光电倍增管输出的多普勒信号

fD

首先被送

入前置放大器，进行放大并滤波，去除大部分噪声及多普勒信号调幅波中的基频分量。然后将信号输入混频器，与此同时，压控振荡器输出的信号人fVCO也被送入混频器。混频器是一个四象限乘法器。从混频器输出的信号具有fVCO+当fVCO-fD

fD

和fVCO-fD两种频率成分。

正好等于第一中频放大器中心频率fIF或在其附近之上，它就能通过第一中频

放大器。所以在环路工作时(即处于跟踪状态)，第一中频放大器的输出频率近似地等于

fIF

即fVCO-

fD

。第一中频放大器输出的信号幅值由第一中频放大器的表头放大器放大并

指示。第一中频放大器以并联方式谐振，它的输出进入限幅器I，由限幅器I输出相同频率而占空比为1的方波信号。这一信号又馈入第二中频放大器，

它的输出信号与输入信号同频率，但是相移了π/2左右。由第二中频放大器输出的信号又进入第二个限幅器。从限幅器II又可以得到一系列方波信号，它的频率与第一限幅器输出的相同，但是两列方波信号相移差π/2左右。第二限幅器输出方波占空比也为1。

这是一个串联谐振回路。当输入信号频率等于它的谐振频率时，输出幅度最高，或者说增益最大，而且此时的输入频率与输出频率不仅相同，而且在相位上相差π/2。由于输出信号从谐振电容上取出，所以输出信号的相位滞后输入信号π/2。当输入信号频率高于回路谐振频率fIF时，输出信号滞后的位相将大于π/2，而第二限幅器输出的方波位相也同样随之变化。然后，把第一限幅器和第二限幅器的两列输出方波送到鉴相器中去进行比较。那么，第一限幅器、第二中频放大器、第二限幅器和检相器就组成了一个鉴频器。这个鉴频器的功能如下:当限幅器I输入信号的频率正好等于其中频谐振频率fIF时，鉴相器对两列方波进行比较的结果是在积分电路上产生一个平均值为零的直流电压。而当输入频率低于中频寿时，整个鉴频器，也就是鉴相器输出平均值为正的直流电压。而当输入频率高于中频fIF时，整个鉴频器，也就是鉴相器输出平均值为负的直流电压。

把鉴频器在积分电路上平均的直流电压送至直流放大器进行放大，并通过直流放大器进行电平变换，将其输出去控制那个压控振荡器，使压控振荡器的输出频率与这一控制电压成严格的线形关系(线形度优于1%~2%)。再把压控振荡器的输出馈入混频器，至此，整个频率自动反馈控制系统的跟踪回路就构成了。

下面我们介绍下锁相环技术

在使用频率跟踪器处理多普勒信号时，其工作过程及跟踪工作状态如下所述: 首先，为了“寻找”多普勒信号，将自动/手动开关置“手动”。此时，回路在开关处断开，直流放大器输入处的电平由手动扫描电路提供。这一电平从高至低或者从低至高来回变化，这就相当于不断连续改变压控振荡器的输出频率。如果被测多普勒频率恰好处于能处理的频率范围，则必然会在某一直流电压时，压控振荡器的输出频率与输入频率

fD

相差一个fIF的中频频率。这时，“中频表头”将有峰值电压指示，表示压控振

荡器已处于跟踪时所需的频率。此刻，把手动/自动开关置于“自动”位置，就能使回路处于跟踪状态。一旦回路进入跟踪状态，就能对输入信号的频率进行跟踪。如果输入信号频率

fD

有一变化，压控振荡器的输出频率也相应地变化，而使fVCO始终比输入频率fD

fD

高一个近似为中频频率fIF的“常数”。如果增加，则必然使混频器的输出fVCOfD有

一下降趋势。这时，鉴频器的输入频率也下降，从而使它输出一个比原来状态高的直流

fD

电压。经过直流放大器放大后，迫使压控振荡器输出频率fVCO上升，使它与个接近于使它与

fD

fIF的频率;相反，如果fD

仍相差一

下降，则经过回路的反馈作用，必定迫使fVCO下降，

或者与其

之差保持一个接近于

fIF的频率。这样，压控振荡器的输出频率fVCO

成线形关系的直流电压就能用来代表多普勒频率或者物体的速度了。

这里，必须注意的是在跟踪状态下，fVCO与并非一个严格的固定不变的中频

fD

之差，除了回路的一个特定工作点外，

而是存在一个小的误差。正是由于有了这一小的误fIF，

差，所以才有一个鉴频器的直流输出来控制压控振荡器的输出频率，使其跟随九的变化，所以说这是一个有差系统。

锁相环在激光测速仪处理系统中占有重要的位置。激光多普勒频率的大小与被测运动物体的速度成正比，若实现了多普勒频率的测量，就实现了运动物体速度的测量。在本论文中选用Philips半导体公司的NE568[13]，线路图如图4.3示，中心频率f070MHz，参数选择如图所示:

图4.3 NE568接线图

表4.2 NE568接线图参数列表

表4.3 锁相环线性输出数据列表

信号输入端接信号发生器，型号为TR-0331，产地匈牙利。改变信号发生器输入频率，用数字万用表测量14脚输出端电压 由上表可的：

y0.021x1.9

(y电压，x频率) (4.1)

ff2cosf/10f2cos

6

2V



2V

sin(



2

10)=V/0.21·

)/10

6=

6

(4.2)



sin(



2

V/0.21 (4.3)

X=f/106 (4.4)

由公式(4.1)、(4.2)、(4.3)、(4.4)可得

V100 0 (4.5) y19

4.3 显示模块

将NE56814引脚输出的模拟信号经A/D转换器变成单片机能识别的数字信号。然后

再在单片机内进行上述计算并最终由数码管显示出被测物体的速度。 程序流程图如图4.4所示：

图4.4 程序流程图

结 论

论文研究了激光多普勒测速技术的基本原理，介绍了激光测速的几种光路结构，并对这几种结构做了比较分析，最终选择双光束-双散射光路模式来进行光路设计，在光路设计上用反射棱镜代替了以往用的昂贵的光学透镜，是系统成本更低，构建更方便。

在组建好光路的基础上选择雪崩二极管来进行光电检测，在把光信号转换成电信号的同时，进行了信号放大，省去了信号放大电路一部分，使电路更加简单，NE568频率跟踪器的使用，大大简化了信号处理部分的设计，直接把只包含频率信息的电信号，转化成为0 V~5 V的电压信号，切所得的电压信号跟频率成线性关系，最终把电压信号经AD转化，转换成单片机能够处理的数字信号，经过简单的运算处理，由静态显示电路，在数码管上显示出来，在此我使用了4位数码管，测量精度，能精确到0.1%测量范围为0.01 m/s~99.99 m/s。

致 谢

本课题在选题及研究过程中得到王烨老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王烨老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。王烨老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

参 考 文 献

1 沈熊，激光多普勒测速技术及应用.北京:清华大学出版社.2004:23-26.

2 Bruce E, Truax. Frank C.Demarest, Gary E . Sommargren. Laser Doppler velocimeter for velocity and Tenth. APPIED OPITICS. 1984(1):67-73.

3 杜斯特，梅林，怀特洛著，沈熊，许宏庆，周作元译.激光多普勒测速技术的原理和实践.北京:科学出版社.1992:110.

4 周炳馄，高以智，陈惆嵘等.激光原理.北京:国防工业出版社.2002:79-84. 5 沈熊.流体近代测量技术新的成长点.国际学术动态，1998(7) :75-76. 6 金国藩，李景镇.激光测量学.北京科学出版社，1998(4): 283-289.

7 艾宝勤，胡其图.法布里一布罗干涉仪干涉仪的发明.物理，1994(9): 573-577. 8 金国藩，李景镇.激光测量学.北京科学出版社，1998: 512-513

9 清华大学工程力学系激光测速组.激光多普勒测速仪的研制.全国第一届气动实验非接触测量会议文集(第二分册)，1978.

10 舒玮，王仕康.双光束激光流速计多普勒信号的理论分析.激光多普勒测速技术讨论会论文集.天津，1978.

11 孙厚钧，董增南，宋传琳等.偏振差动式LDA的测速机理及其应用.力学学报， 1982. 12 周炳馄，高以智，陈惆嵘等.激光原理.国防工业出版社，2002: 18-23. 13 刘飞. 激光多普勒测速仪的研究[学位论文].长春:长春理工大学，2006.

14 李国辉，徐得名，陈尧生.波长扫描法布里一泊罗光纤加速度计的研究.光学技术，2000(4):363-365.

15 Sahin Kaya zdemir, Sotetsu Takamiya, Shigenobu Shinohara,etal. A speckle

velocimeter using a semiconductor laser with external optical feedback from a moving surface: erects of system parameters on the reproducibility and accuracy of measurements. Meas. Sci. Techno1.2000,11:1447-1455.

16 Shibata T, Shinohara S, Ikeda H, etal. Laser speckle velocimeter using self-mixing

laser diode .IEEE Traps. Instrum. Meas. 1996(4):499-503.

17 Ozdemir S K, Takasu T, Shinohara S, etal.Simultaneous measurement of velocity and length of moving surfaces a speckle velocimeter us two self-mix laser diodes Appl. Opt. 1999,3,8:1968-74.

18 Ozdemir S K, Ito S, Shinohara S, etal.Correlation-based speckle velocimeter with self-mixing interference in a semiconductor laser Appl.Opt. 1999, 38 :6859.

19 Hirlemen E Dan. A history review of phase-Doppler sizing anemometry(PSDA). 20th Aniversory of PDA,1995,Germany.

20 Dickson L D. Characteristics of a propagating Gaussian beam. Appl. Optics, 1970,9 21 Joe C. Beavers, Bruce E. Truax. Application of laser Doppler velocimetry. Iron andSteel Engineer. 1985: 37-40.

22 Yeh Y, Cummins H Z. Localized flow measurements with a He-NeAppl. Phys. Letter, 1964(4):176-178.

附录A 信号处理部分与显示部分的原理图

本 科 毕 业 设 计 第 31 页 共 33 页

附录B 软件编程

SHU_A EQU 100; 定义常量

SHU_B EQU 190;

ORG 0000H; 设置程序入口

LJMP START

ORG 000BH

LJMP TT0

ORG 0100H

START: LCALL ADC_CLK

MAIN: LCALL A_TO_D

MOV A,50H

MOV B,#5

MUL AB

MOV R0,B

MOV B,SHU_A

MUL AB

MOV 38H,A

MOV 39H,B

MOV A,R0

MOV B,SHU_A

MUL AB

CLR C

ADD A,39H

MOV 39H,A

MOV A,B

ADDC A,#0

MOV 3AH,A

CLR C

MOV A,39H

SUBB A,SHU_B

MOV 39H,A

MOV A,3AH

SUBB A,#0

MOV 3AH,A

MOV A,39H

MOV R7,A

LCALL TO_BCD

MOV 54H,R6

MOV 53H,R5

MOV A,38H ; 启动AD转换时钟 ； 调用AD转化子程序

MOV R7,A LCALL TO_BCD MOV 52H,R6 MOV 51H,R5 LCALL DISP

JMP MAIN ； 实现公式 V=100y-190 的计算

A_TO_D:

CLR P2.5

CLR P2.6

CLR P2.7

SETB P3.6

MOV R0,#5

DJNZ R0,$

CLR P3.6

TESTA: JNB P3.7,TESTA

MOV 50H,P1

RET

ADC_CLK:

MOV TOMD,#00000010B

MOV TL0,#02H

MOV TH0,#02H

SETB ET0

SETB EA

SETB TR0

RET

TO_BCD:

MOV A,R7

MOV B,#10

DIV AB

MOV R6,A

MOV R5,B

RET

DISP:

MOV R4,#4

MOV R0,#54H 启动AD转换 把转换之后的值放到50H 给计数器赋初值启动计数器 ；16进制数转换成BCD码 ；循环四次 ； ；

MOV R2,#01H ；p2.0置1导通 DISPL: MOV A,R2

MOV P2,A

RL A

MOV R2,A

MOV A,@R0

CJNE R0,#53H,JIXU1

MOV DPTR,#DATA_LED2

JMP JIXU2

JIXU1: MOV DPTR,#DATA_LED1

JIXU2: MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

DEC R0

DJNZ R4,DISPL ；查表送p0显示 RET

TT0: CPL P3.0

RETI

DATA_LED1:

DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,F8H,80H,90H DATA_LED2:

DB 40H,79H,24H,30H,19H,12H,02H,78H,00H,10H END