【正文】 非接觸測量，只需把激光束會(huì)聚到待測目標(biāo)或流體的指定點(diǎn)上即可，因而不會(huì)干擾待測目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這在遠(yuǎn)距離目標(biāo)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量中有明顯的優(yōu)勢，還適合在高溫，高腐蝕，高濕度等惡劣環(huán)境下的測量。2． 多普勒信號(hào)以光速傳播，響應(yīng)速度極快，只要配以快速光電接收器及信號(hào)處理器，是進(jìn)行實(shí)時(shí)測量的理想方法。4． 量程大是其另一大優(yōu)點(diǎn)。在很寬的速度范圍內(nèi)都不需要修正。5． 好的方向靈敏性，可測速度分量，也可進(jìn)行多維測量。由于LDV系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高，涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)軟件和流體力學(xué)，我國長期依賴進(jìn)口來滿足科研和教學(xué)需要，花費(fèi)了大量外匯。例如冶金工業(yè)中鋼板和鋁板壓制和卷筒重的測量和控制，都可以采用多普勒技術(shù)。對固體表面的速度測量以后，很容易得到位移(長度)和加速度等參數(shù)。由于像鋼板、鋼坯等表面粗糙度不一，周圍環(huán)境惡劣，這就對用于固體表面速度測量的多普勒測速系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提出了很高的要求。國外雖然有成形的產(chǎn)品，但是對于固體激光多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理尚沒有完善的理論闡述。 論文的主要內(nèi)容本文主要介紹了現(xiàn)有激光多普勒測速系統(tǒng)的工作原理以及多普勒測速儀的信號(hào)處理方法，最后詳細(xì)描述了激光多普勒測速的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第二章，介紹了激光多普勒測速的原理，并描述了激光測速的兩種基本光學(xué)模式和光路結(jié)構(gòu)，著重介紹測量固體速度所采用的模式——雙光束雙散射模式。最后介紹了測速原理的具體算法，為設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。第四章，介紹了整體的完整的激光多普勒測速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括：光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元和信號(hào)處理單元。從而構(gòu)成了一個(gè)比較高效的測速系統(tǒng)。2 激光多普勒測速系統(tǒng)原理 激光多普勒效應(yīng)測速原理多普勒效應(yīng)是激光多普勒測速方法實(shí)現(xiàn)的理論基石。在聲源和接收器之間存在相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器收到的聲音頻率不等于聲源發(fā)出的聲音頻率，稱這一頻率差為多普勒頻差或頻移。當(dāng)觀察者移動(dòng)當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，也能得到同樣的結(jié)論。 激光照射在運(yùn)動(dòng)物體上，在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象。在激光多普勒測速儀中，依靠運(yùn)動(dòng)微粒散射光與照射光之聞光波的頻差(或稱頻移)來獲得速度信息。只要物體會(huì)散射光線，就可以利用多普勒效應(yīng)來測量其速度。 測速原理及其示意圖利用激光多普勒效應(yīng)測量流速度，比如流速，應(yīng)在流體中加入隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒（示蹤粒子）。這樣隨流體一起運(yùn)動(dòng)著的微粒即作為入射光的接收器，接受入射光的照射，又作為散射光的光源，向固定的光接收器發(fā)射出散射光波。下面就這兩種情況的多普勒效應(yīng)來討論激光多普勒流速儀( laser Doppler anemometry,LDA)的原理，并計(jì)出所求速度 。有實(shí)際意義的多普勒頻移最高不超過108109 Hz，其它與光頻相近或更高的頻率信息因?yàn)檫h(yuǎn)遠(yuǎn)超過光電器件的響應(yīng)范圍而不會(huì)進(jìn)入收集系統(tǒng)。為了處理這類信號(hào)，通常采用光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。任何現(xiàn)有的檢測器無論其最后的功能是什么，其最初工序總是實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，即光子使電子改變能態(tài)，其結(jié)果使光信號(hào)的光子流導(dǎo)致電子流。通過二次電子發(fā)射的得到的內(nèi)部放大可免除噪聲放大，因此，可使信號(hào)增強(qiáng)而不會(huì)降低信噪比。要獲得運(yùn)動(dòng)微粒的散射光頻移，必須通過光檢測器的平方律效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的外差檢測。下面我們主要介紹參考光模式和雙光束模式。接收透鏡組將參考光束和散射光束準(zhǔn)直、會(huì)聚于小孔光闌上，然后照到光電接收器上進(jìn)行拍頻，以得到拍頻電信號(hào)。只有這樣，才能得到比較高的信噪比和良好的多普勒信號(hào)。該模式的優(yōu)點(diǎn)是：光路上的信號(hào)接收距離不受光電接收系統(tǒng)中透鏡焦距的限制。兩束光重合、平行，而且波前具有相同的曲率，換句話說，當(dāng)它們?nèi)恐睾蠒r(shí)，就達(dá)到了這一要求。此外，在參考光模式中，是在一個(gè)小立體角內(nèi)收散射光的。為此，必須在接收透鏡前放置孔徑光闌，以限制接收的立體角，但這樣做往往又減少散射光，并使信噪比降低。這種模式具有不少優(yōu)點(diǎn)，首先，由于其被探測的多普勒頻率使任一散射方向上兩束入射光引起的散射光的頻率差，而這一頻率差不依賴于散射方向，所以在設(shè)計(jì)光路時(shí)，可以盡可能加大接收孔徑，于是就可得到較強(qiáng)的散射光。圖23 雙光束雙散射模式光路 Light path of doublebeam雙光束模式光路的調(diào)整也比參考光光路容易，因?yàn)闄z查兩束光是否相交比檢查兩束光是否共線重合要更加方便和直觀。但在參考光模式光路中，只有當(dāng)經(jīng)過信號(hào)光束交點(diǎn)處的微粒產(chǎn)生的散射光強(qiáng)與參考光束強(qiáng)度相接近時(shí)，才產(chǎn)生較高頻的拍頻，得到較好的多普勒信號(hào)。這樣就使得參考光模式的有效信號(hào)減少，信噪比降低。因此，雙光束雙散射模式是目前激光測速中應(yīng)用最廣泛的光路形式。 雙光束光路的兩束入射光相交區(qū)中存在著一組明暗相間的干涉條紋，如圖24所示，因此可以用“條紋模型”來進(jìn)行理論解釋。 圖 24 相干光束條紋模型 The fringe model of the coherent在差動(dòng)多普勒系統(tǒng)中，兩束激光在光腰區(qū)相交形成測量區(qū)域，通過光學(xué)知識(shí)可知，測量區(qū)域的形狀為一個(gè)橢球，其中分布著明暗相間的干涉條紋間距可用下列公式表明： （31） 當(dāng)示蹤粒子以速度歷通過測量區(qū)域時(shí)，粒子將穿過這些平行的干涉條紋，在亮條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光多，在暗條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光少。 由于用于多普勒測速的大多數(shù)激光器是非常近似地工作在橫向磁場模式的理想激光器，這種模式的激光束在光腰部位的相位波陣面可以看作是一平面波，且其強(qiáng)度符合高斯分布。從光束中心到光強(qiáng)為點(diǎn)的距離。那么綜合來看，單個(gè)粒子穿越測量區(qū)域所產(chǎn)生的信號(hào)其幅度包絡(luò)對應(yīng)于測量區(qū)域光強(qiáng)的高斯分布，而光強(qiáng)變化的頻率則對應(yīng)于粒子切割條紋的頻率。假設(shè)系統(tǒng)測量體內(nèi)的高斯激光束于涉條紋數(shù)為，在時(shí)刻有一個(gè)粒子以速度U穿過測量體時(shí)，產(chǎn)生多普勒頻移信號(hào)，其表達(dá)式為： （33） 式中，是粒子穿過測量體的有限渡越時(shí)間；是測量體中的條紋數(shù)；是粒子到達(dá)時(shí)刻；是反映粒子速度的多普勒頻率。由于入射激光束光截面強(qiáng)度為高斯分布，所以信號(hào)基座幅度也按高斯分布，且是個(gè)低頻信號(hào)。實(shí)際上光檢測器所得的信號(hào)表達(dá)式為： （34） 上式表示檢測信號(hào)電流由兩個(gè)部分疊加而成，一部分是成高斯分布的基底信號(hào)，它有入射光束的高斯光強(qiáng)變化造成，另一部分是包絡(luò)為高斯分布的余弦信號(hào)，它是兩束散射光相干涉的結(jié)果。由此可見，基底頻譜和多普勒頻譜的帶寬都與多普勒頻率成正比，與測量體中的條文數(shù)成反比。信號(hào)幅值和，且均與入射光的光強(qiáng)成正比，而兩者的比值則與散射特性、入射光偏振特性、光接收器參數(shù)及其位置以及兩束入射光的光強(qiáng)比等有關(guān)。對于大多數(shù)激光測速系統(tǒng)，都不會(huì)小于10。但是，當(dāng)平均速度趨于零或湍流度增大時(shí)，要確定高通濾波器的截止頻率，使其去除基座信號(hào)就變得困難了。 多普勒信號(hào)的特點(diǎn) 在實(shí)際使用中，信號(hào)電流是由許多隨機(jī)通過測量體的粒子產(chǎn)生的散射光的光電流疊加而成。測量體中多粒子的存在會(huì)引起相位噪聲和振幅的隨機(jī)脈動(dòng)，它不一定能增加信號(hào)強(qiáng)度，相反卻可能起振幅抵消作用。多普勒信號(hào)以單個(gè)“波群”的形式出現(xiàn)?！暗筒ㄈ好芏取北硎驹跍y量體中出現(xiàn)多于一個(gè)粒子的概率很低。對于一定的信號(hào)處理器來說，區(qū)分所能適應(yīng)的“波群密度’’是很重要的，因?yàn)檫@與測量的精度有關(guān)；4． 光強(qiáng)極低的信號(hào)當(dāng)粒子的散射光強(qiáng)非常低時(shí)，光檢測器接收到的是單個(gè)光子。如果頻帶很寬，光檢測器的輸出呈現(xiàn)為離散的脈沖。在低光通量時(shí)，可以利用的能分辨光子的信號(hào)，稱為“低光子密度”信號(hào)。這種信號(hào)可以用典型的數(shù)字系統(tǒng)，例如光子相關(guān)器來分析光子速率，得到與粒子速度有關(guān)的信息。光子脈沖堆積起來使光檢測器輸出的是一個(gè)正比于輸入光通量的模擬信號(hào)，這種信號(hào)稱為“高光子密度”信號(hào)。通過上面的分析發(fā)現(xiàn)多普勒信號(hào)是一個(gè)相對比較復(fù)雜的信號(hào)，歸納其特點(diǎn)大致可以分為以下幾點(diǎn)：1． 多普勒信號(hào)并不是連續(xù)的信號(hào)，其具體波形取決于流速場中散射粒子大小，濃度以及通過測量體的位置；2． 光電探測器接收的是粒子散射光，其強(qiáng)度本身就比較微弱，而且信號(hào)受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測器件噪聲影響；3． 多普勒信號(hào)的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級(jí)上，當(dāng)流速較高時(shí)達(dá)到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲(如運(yùn)用于高速風(fēng)洞的測量)；4． 多普勒信號(hào)的信噪比隨測量對象而變化，速度越高，信噪比越低；5． 多普勒信號(hào)的頻譜具有一定的帶寬，稱為頻譜加寬。 具體算法第一種情況：光源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)。在接收器處的光頻率是光源處發(fā)射的光頻率 的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系由下式給出: （36）式中 c為空氣里的光速。這樣，接受到的光頻率由下式給出： （37）在LDA中，激光器是靜止光源， 在微小的流動(dòng)的粒子上散射,然后由光電探測器接收。 （38） 圖25 單個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子的散射光 The scattered light of a moving particle本測量系統(tǒng)中， 采用了雙光束的配置（從一個(gè)光源來的兩個(gè)相交光束，如圖所示）在這樣的布局下，一束激光束被分成具有相同亮度的兩束光束，然后被聚測量控制體積MCV (measuring controlvolume)內(nèi)，在MCV內(nèi)相交。這兩束光的多普勒頻移是不同的(不同的向量，相同的向量) 。 這個(gè)拍頻在這里稱作多普勒頻率，已經(jīng)很低了，并且和激光源具有一樣窄的帶寬。下面證明多普勒頻率和粒子的速度成正比。式（312）表明， 粒子的速度可以通過測量流過測量體積MCV的粒子的多普勒頻率來測得。 這樣在實(shí)際測量中，便可以通過式( 313）確定出交疊半角的值，從而根據(jù)式(312)及測得的頻移得到所需求得的速度。 3 激光多普勒信號(hào)處理方法及濾波處理激光多普勒測速具有多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進(jìn)步，信號(hào)處理方法也在不斷的改進(jìn)，有頻譜分析法，頻率跟蹤法，計(jì)數(shù)型處理法，數(shù)字相關(guān)信號(hào)處理法。多普勒電信號(hào)的形式和特點(diǎn)受光學(xué)系統(tǒng)，粒子條件和流動(dòng)狀態(tài)影響很大，至今還沒有哪一種信號(hào)處理器能滿足所有情況。表31列出幾種信號(hào)處理方法，并從可否得到瞬時(shí)速度、可否接受噪聲信號(hào)、從噪聲提取信號(hào)能力、精度四個(gè)方面進(jìn)行比較。濾波器組雖然可獲得瞬時(shí)速度信息，能在低信噪比情況下工作，但是其分辨率隨著濾波器的個(gè)數(shù)較小而降低，且可測最大頻率低。同時(shí)對于模擬信號(hào)處理手段而言，它們在進(jìn)行復(fù)雜信號(hào)處理時(shí)只有有限的能力，從而造成處理的不靈活性和系統(tǒng)時(shí)間