第十篇 激光多谱勒技术.pptVIP

第十章 激光多谱勒技术 一、概述 激光Doppler技术主要用于测量运动物体的速度。已知自然界物体的四种形态——固态、气态、液态和等离子体，其中三种为流体。运用该项技术主要用于研究流体运动状况。 1842年，Doppler发现声波的多谱勒现象：例如火车前进时鸣笛时，声频的变化。 * * §10-1 激光多谱勒频移 1955年，福来斯特（A·Forrester）首先观察到光学相现象（即两光频相差很小的光波送加） 1964年，Yeh和Cummius发表第一篇应用激光多谱勒技术测量流体速度的文章。 1964年~1981年，研究Doppler技术在全世界处于高潮期，在此期间，发表论文1000余篇。 1971年~1978年，召开两次研讨Doppler技术的大型国际学术会议。 现在，该技术已产品化——美、英、丹麦、奥地利、西德、瑞士等国。 研究Doppler技术主要解决两个问题： （1）研究光电探测器上接收的散射光的频率和粒子运动速度之间的关系。 （2）如何检测散射光频率。 二、多谱勒测量原理 多谱勒频移： 当运动物体被光波照射并相对探测器处于相对运动状态时，探测器接收到的光频率将与物体相对探测器的运动速度有关，即光频率发生变化，此现象即为光学多谱勒频移。 图10-1 如图10-1所示，分四步讨论（建立数学模型）： （一）入射平面波在静坐标系中的波动方程 设从静止的激光器发出频率为f0的平面波，其在静坐标x、y、z中传播的波动方程为： 式中：f0——光波频率； A0——光振动中心振幅； ——入射光传播矢量 ——静坐标系中空间点的位置矢量。 （特例：将的起始点和x、y、z坐标的原点重合，此时=0） （二）入射光在动坐标系中的波动方程： 伽里略变换原理：设物体运动坐标为x′、y′、z′（原点在o′），当平面波照射到以速度 运动着的物体o′点时，则根据伽里略变换原理：同一空间点在动静两坐标系中的位置矢量 和 可进行如下变换： 以（2）代入（1），可得到动坐标系中入射光的波动方程为： 令 ，（即o′点为动坐标原点），上式为： 上式表明：在运动着的o′点上，从固定点o入射激光的频率已不是?0 （三）散射光在动坐标系中的波动方程 将物体上点作为新的光源，由点散射或反射的光，在动坐标系中以同样频率（?′）向空间传播，其波动方程为 式中： ——散射光传播矢量 A1——散射光振幅 （四）在静坐标系内散射光（在探测器处）的波动方程 如在静止坐标中用一探测器接收散射光，此时，因为散射光源与探测器之间存在相对运动，则根据伽里略逆变换原理 若将静止坐标系之原点设在探测器上，即令 此时，探测器接收到散射光的角频率为： 所以，散射光频率为： 结论： 1、若已知入射光矢量的方向 ，散射光矢量的方向 ，入射光的频率f0和粒子的运动方向 ，并且测出了散射光的频率fs，则可由上式求粒子的运动速度 。 2、由于散射光频率fs太高，尚无光电探测器直接测量fs的值。 如：对λ=0.6328μ的激光 3、测量入射光和散射光的光频率差（即拍频），可求粒子运动速度。 §10-2 激光Doppler测速系统 一、分类 （一）参考光束型（图10-2） 图10-2 由公式 透射光 则 等效： 特点：简单装配，调试不便，不能判定粒子运动方向。 （二）单频单光束多谱勒测速系统 图10-3 如图10-3所示的多谱勒测速系统，由多谱勒测速公式 第一路散射光： 第二路散射光： 则在光电管上接收到的差频信号（即拍频信号）为： 上式中θ/2，λ为已知，测得Δ?D ，则可求得粒子速度v的值。 缺点：不能确定粒子的运动方向。 注： 上式可变为： 当θ很小时上式近似为： 上式中的θ角即为两相干光的干涉角；而λ /θ为干涉条纹的宽度e。 上式的物理意义为：粒子的运动速度v，等于从粒子上发出的两散射光相干的条纹宽度e与在探测器上条纹移动（扫描）的频率Δ ?D的乘积。 显然当条纹静止时，则粒子运动速度为0。 图10-4 （三）差频激