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1、激光多普勒测速和激光测距激光多普勒测速和激光测距1目 录激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础基础激光多普勒测速技术应用激光多普勒测速技术应用激光测距技术脉冲脉冲激光测距激光测距相位相位激光测距激光测距22024/9/63激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术概述概述1842年奥地利科学家年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形等人首次发现，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运动会使频率发生变化多普勒效应多普勒效应。2024/9/64激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术1964年，年，Ye
2、h和和Cummins观察到水流中粒子的散射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。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。中的速度测量。2024/9/65激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光激光多普勒测速技术基础多普勒测速技术基础1. 多普勒效应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当波源与观测者之间有相对运动时，观
3、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率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。2024/9/66激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术多普勒多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在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现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在爱因斯坦在论物体的电动力学论物体的电动力学中指出，当光源与观测中指出，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
4、存在光（电磁波）多普勒效应。同，即存在光（电磁波）多普勒效应。声学多普勒效应与波源及观测者声学多普勒效应与波源及观测者声学多普勒效应与波源及观测者声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普相对于介质运动有关，光学多普相对于介质运动有关，光学多普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勒效应只与光源和观测者之间的勒效应只与光源和观测者之间的勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，相对运动有关，因此，相对运动有关，因此，相对运动有关，因此，声学（机声学（机声学（机声学（机械波）和光学（电磁波）的多普械波）和光学（电磁波）的多普械波）和光学（电磁波）的多普械波）
5、和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。勒效应有本质区别。勒效应有本质区别。勒效应有本质区别。2024/9/67激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应1 1）声多普勒效应原理）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。声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。设声源的频率为设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为，声波在媒质中的速度为v，波长，波长=v/f声源不动，观测者相对于媒质以速度声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动运动设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相设声源相对
6、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对于观测者的速度不再是v，而是，而是v+v1，则观测者接收到声，则观测者接收到声波的频率为波的频率为同理，观测者背离声源有同理，观测者背离声源有2024/9/68激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应1 1）声多普勒效应原理）声多普勒效应原理声源相对于媒质以速度声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中运动，观测者静止于媒质中设声源设声源S相对于媒质以速度相对于媒质以速度v2迎着观测者迎着观测者D运动。波源在运运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一
7、个周期内完成一次全振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；同时在动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了内，波源前进了v2T距离，波长变为距离，波长变为S1S2v2Dv2T 声源声源声源声源向静止观察者运动的多普勒效应示意图向静止观察者运动的多普勒效应示意图向静止观察者运动的多普勒效应示意图向静止观察者运动的多普勒效应示意图则，频率为则，频率为同理，声源背离观测者运动有同理，声源背离观测者运动有2024/9/69激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应1 1）声多普勒效
8、应原理）声多普勒效应原理声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和和v1综合上述情况，可以得到：综合上述情况，可以得到：观测者向着声源观测者向着声源观测者向着声源观测者向着声源运动时，取正号；运动时，取正号；运动时，取正号；运动时，取正号；反之取负号反之取负号反之取负号反之取负号声源向着观测者声源向着观测者声源向着观测者声源向着观测者运动时，取负号；运动时，取负号；运动时，取负号；运动时，取负号；反之取正号反之取正号反之取正号反之取正号总之总之总之总之当声源和观测者当声源和观测者当声源和观测者当声源和观测者相向相向相向相向运运运运动时，接收频率动时，接收
9、频率动时，接收频率动时，接收频率升高升高升高升高；当声源和观测者当声源和观测者当声源和观测者当声源和观测者背离背离背离背离运运运运动时，接收频率动时，接收频率动时，接收频率动时，接收频率降低降低降低降低；强调：强调：强调：强调：声学只有纵向多声学只有纵向多声学只有纵向多声学只有纵向多普勒效应，没有普勒效应，没有普勒效应，没有普勒效应，没有横向多普勒效应横向多普勒效应横向多普勒效应横向多普勒效应2024/9/610激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应2 2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理对于任何惯性系，光在真空中的传
10、播速度都相同，所以，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。度的大小。如图示。yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2v光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图K K 系中系中系中系中静止的光源从静止的光源从K系的系的t1时刻开始发出一列光波，这时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为个波列的发射截止时间为t2，于是在，于是在K系中此波列发射的系中此波列发射的时间为（时间为（t2 t1 ），在这段时间内发射的波数为），在这
11、段时间内发射的波数为N，光，光源的频率为源的频率为2024/9/611激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应2 2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理在观测者所在坐标系在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于中来看，此波列发射始于t1时刻（光时刻（光源在源在S1处），接收这个波列的时刻是处），接收这个波列的时刻是yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2v光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图光多普勒效应示意图在观测者所在坐标系在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于中来看，此波列发射截止于t
12、2时刻时刻（光源在（光源在S2处）。处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为刻为2024/9/612激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应2 2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理观测者观测者D收到这收到这N个波共需时个波共需时2024/9/613激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应2 2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理观测者接收光波的频率为观测者接收光波的频率为根据时间相对性根据时间相对性根据时间相对性
13、根据时间相对性这就是这就是这就是这就是光学多光学多光学多光学多普勒效应公式普勒效应公式普勒效应公式普勒效应公式2024/9/614激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 1. 多普勒效应多普勒效应2 2）光多普勒效应原理）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，则若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cos1（远（远离时取离时取1，接近时取，接近时取1）：）：纵向多普勒效应纵向多普勒效应纵向多普勒效应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，则若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则cos0横向多普勒效应横向多
14、普勒效应横向多普勒效应横向多普勒效应同样的同样的同样的同样的v v值下，横向多普值下，横向多普值下，横向多普值下，横向多普勒效应比纵向多普勒效勒效应比纵向多普勒效勒效应比纵向多普勒效勒效应比纵向多普勒效应要小很多。应要小很多。应要小很多。应要小很多。2024/9/615激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理）多普勒测速原理如图。由于如图。由于v/c非常小，只取非常小，只取级数展开的前两项，即级数展开的前两项，即 考虑流体中的速度为考虑流体中的速度为c/n，将，将v换成纵向分量换成纵向分量202
15、4/9/616激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理）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）探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向效应） 因 ，若 则得 于是，流速为测量出探测器测量出探测器上的拍频信号，上的拍频信号，就可以得到就可以得到f，也就可以得到也就可以得到v多维多维流速的测量流速的测量1D1D速度需要速度需要1 1对光束，对光束，2D2D速度则要速度则要2 2对光束，对光束， 2 2对光束通常做在一个激对光束通常做在一个激光头内，且两对光束平面正交。光头内，且
16、两对光束平面正交。3D3D速度则要速度则要3 3对光束。对光束。 通常由一个通常由一个1D1D激光头和一激光头和一个个2D2D激光头组成，调节两者之激光头组成，调节两者之间的相对位置，可测得理想的间的相对位置，可测得理想的三维速度。三维速度。3D激光多普勒测速仪Measurement of air flow around ahelicopter rotor model in a wind tunnelPhoto courtesy of University of Bristol, UKMeasurement of water flow inside a pump modelPhoto cour
17、tesy of Grundfos A/S, DKMeasurement of flow field around a 1:5 scale car model in a wind tunnelPhoto courtesy of Mercedes-Benz, GermanyMeasurement of wake flow around a ship model in a towing tank Photo courtesy of Marin, the NetherlandsMeasurement of air flow field around a ship model in a wind tun
18、nelPhoto courtesy of University of Bristol, UKMeasurement of flow around a ship propeller in a cavitation tank2024/9/628激光测距技术激光测距技术脉冲脉冲激光测距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特点，在有靶标的情况下，脉冲激光测量可达极远的测程。程。2024/9/6
19、29激光测距技术激光测距技术在在进行几公里的近程测距时，如果测量不确定度要求不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。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。星、地球到月球距离的测量等。2024/9/630激光测距技术激光测距技术脉冲激光测距脉冲激光测距
20、基本原理如图所基本原理如图所示示脉冲激光测距原理图示脉冲激光测距原理图示脉冲激光测距原理图示脉冲激光测距原理图示触发器触发器触发器触发器时钟脉冲振荡器时钟脉冲振荡器时钟脉冲振荡器时钟脉冲振荡器光电接收器光电接收器光电接收器光电接收器整形电路整形电路整形电路整形电路激光器激光器激光器激光器计数器计数器计数器计数器放大器放大器放大器放大器参考信号取样参考信号取样参考信号取样参考信号取样回波回波回波回波发射光束发射光束发射光束发射光束K K K KE E E ED D D DC C C CA A A AB B B BA A A A发射发射发射发射B B B BC C C CD D D DE E E
21、E计数计数计数计数a a a a）原理图）原理图）原理图）原理图b b b b）各点波形图）各点波形图）各点波形图）各点波形图干涉滤光片干涉滤光片干涉滤光片干涉滤光片2024/9/631激光测距技术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。位测距和脉冲激光测距两种。1 激光相位测距激光相位测距1激光相位测距原理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点点传播到传播到B点的相移可表示为点的相移可表示为若光从若光从A点传到点传
22、到B点所用时间为点所用时间为t，则，则A、B两点之间的距离两点之间的距离 L L 22相位的调制波形相位的调制波形相位的调制波形相位的调制波形A AB B2024/9/632激光测距技术激光测距技术激光激光相位测距相位测距1激光相位测距原理激光相位测距原理只要测出光波相移中周期只要测出光波相移中周期2的整数的整数m和余数和余数m，便可由公式，便可由公式求出被测距离求出被测距离L。所以，调制光波的波长。所以，调制光波的波长是相位测距的一把是相位测距的一把“光尺光尺”。实际上，用一台测距仪直接测量实际上，用一台测距仪直接测量A和和B两点光波传播的相移两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在是不可
23、能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即测量靶点设置一个反射器（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，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。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。 L L A A L LA AB B传播传播2L后的光波相位后的光波相位2024/9/633激光测距技术激光测距技术激光激光相位测距相位测距1激光相位测距原理激光相位测距原理相位测量技术只能测量出不足相位测量技术只能测量出不足2的相位尾数，即只能确定的相位尾数，即只能确定余数余数m ，而不能确定相位的整周期数，而不能确
24、定相位的整周期数m。因此当被测距离。因此当被测距离L大于大于Ls 时，用一把光尺是无法测定距离的。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。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。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。率两种。 2024/9/634激光测距技术激光测距技术激光相位测距激光相位测距2激光相位测距技术激光相位测距技术1）直接测尺频率）
25、直接测尺频率由测尺量度由测尺量度Ls可得光尺的调制频率可得光尺的调制频率这种方法所选的测尺频率这种方法所选的测尺频率fs直接和测尺长度直接和测尺长度Ls相对应，即测相对应，即测尺长度直接由测尺频率决定。尺长度直接由测尺频率决定。若测距仪测程为若测距仪测程为100km，要求精确到，要求精确到0.01m。如相位测量系。如相位测量系统测量不确定度为统测量不确定度为1，则需要三把光尺，即，则需要三把光尺，即Ls1 =105m，Ls2 =103m，Ls3=10m，相应光调制频率分别为，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。显然
26、，要求相位测量系统在这么宽的频带内都保证宽的频带内都保证1的测量不确定度很难做到。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，如所以直接测尺频率一般应用于短程测距，如GaAs半导体激半导体激光短程相位测距仪。光短程相位测距仪。2024/9/637激光测距技术激光测距技术激光相位测距激光相位测距2激光相位测距技术激光相位测距技术2）间接测尺频率）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、相当测尺频率及测尺长度 间接测尺频率间接测尺频率相当测尺相当测尺频率频率fs = f - fi测尺长度测尺长度Ls测距不确测距不确定度定度fs1f = 15 MHz15 MHz10 m1 cmfs2f1 = 0.9ff2 = 0.99ff3 = 0.999ff4 = 0.9999f1.5 MHz150 kHz15 kHZ1.5 kHz100 m1 km10 km100 km10 cm1 m10 m100 m
