激光多普勒测速

5-9激光多普勒流速仪测速1．概述-激光特性与应用激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性）而著称。因为普通光源向4立体角发散，而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立体角单位面积的输出功率就特别大。激光在工程中的应用激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显示、医疗、受控热核反应等方面。激光在热物理测量方面应用如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布（PDA），用于传热传质研究，测量燃烧动力及流场温度，对高能点火中能量释放，研究点火机理，加力燃烧室流场和温度场，等离子射流的浓度场、温度场和速度场等等（LIF）。激光测速仪（LDV）常见的测量速度方法与技术总压探针与静压探针相结合的皮托管一直是平均速度的主要测量方法。热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬时速度、平均速度、均方根速度和速度相关量的主要方法。无疑，机械探头将继续是实验流体力学的重要方法。但接触测量法干扰流场，不可避免地带有方法本身的误差，具有局限性。如对回流区的测量，机械探头会扰动回流图形；对于小尺寸管道中的流动，机械探头会造成堵塞。不适合特殊情况下测试（火焰）对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能使用小尺寸探头。热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流结构的主要实验工具，但它仅限于低温、低速、低紊流度、常特性的检测，而且必须在回流区以外。光学速度测试技术具有测量灵敏度高，不干扰流场等优点，有着很强的应用前景。光学测速技术主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒测速法和激光双焦点测速法等。2.全息干涉测速法在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。利用再现粒子场的实像图，求出粒子对间的位移大小和方向，再由v=s/t求出速度场。若流速不快，也可使用功率较大的连续激光，通过双曝光记录粒子图。粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对，并确定粒子对间的位移；粒子很多，可用干版插入再现粒子实像场中欲测剖面，记录粒子对，通过逐点扫描或全场分析求出位移场。3.散斑测速法对于具有较多粒子的流场，可用频闪片光照明粒子场的某一剖面，通过双曝光将两幅粒子场记录在同一块胶片或干版上，再利用逐点分析或全场分析求出粒子对的位移场，最后转换成速度场。当流速很快时，可用连续片光照明，用高速摄影机拍摄一系列粒子图。再通过相关运算求出位移场，进而求出各粒子场的速度。散斑法只能记录一个平面内的粒子场速度信息。§8.2激光多普勒测速法(LDV)60年第一台氦-氖激光器诞生，64年世界上就出现了激光多普勒测速仪。20多年来，激光多普勒测速技术有了很大的发展，这是测量技术上的一个重大突破。多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。激光多普勒测速属于非接触测量，激光作为测量探头不干扰流场。激光多普勒测速应用很广:可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。激光多普勒测速有其突出的优点：1如不需要流动校正；2不取决于温度、密度和流体成份，仅对速度敏感;3取出量与速度成线性关系；4动态响应快，等等。但激光多普勒测速也有其局限性，例如:1需要示踪粒子;2示踪粒子要与流体一起运动;3对介质和实验通道有光学要求，要求光能透过流动等。5-9-1激光多普勒测速的原理1.激光多普勒效应激光多普勒测速的基本原理：是依据激光多普勒效应，利用运动粒子散射光的频移来测量速度.因为散射光的频移中包含有粒子速度的信息。声学中的多普勒现象当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时，你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛声变得低沉，即笛声频率变低。这种因波源和观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波源频率发生变化的现象叫多普勒效应。如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设波源相对于介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0），观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f=f0（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动(u=0，)，观察者接收到的频率为观察者背离波源取负号。0v0)1(fVvvVf（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（，v=0），观察者接收到的频率f为：波源背着观察者运动时取负号。0u0fuVVf（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），观察者接收到的频率f为：0u0v0fuVvVf电磁波也存在多普勒效应，对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为02211fcvcvf观察者背离波源取负号。当一单色频率为f0的激光,照射到运动速度为v的微粒上时，运动微粒接收到的频率不等于f0，发生了一次多普勒效应。若用一个静止的光检测器，接收运动微粒的散射光，则接收到的频率又经过了一次多普勒效应。•下图为静止光源O、运动微粒P和静止光检测器S三者之间相对关系。图8-1静止光源、运动微粒、和静止光检测器200020200)(1/1)(ceUceUfeUceUcffP(1)sspUeffc•根据相对论变换，运动微粒P接收到的光波频率fp近似为:(5-1)•式中，为入射光方向的单位向量，c为介质中的光速。ffecp001()*e00000222001/()1()PcUeUecfffcUeUec•光检测器接收的粒子散射光频率：(5-2)式中，为粒子散射光指向光检测器方向的单位向量。ffecSps()*1es•(5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到：(5-3)光检测器接收的光波频率与入射光波频率之差叫多普勒频差或频移。ceevfcevceffSSS)(11)1(0000多普勒频移用fD表示：(5-4)或者用波长表示为：(5-5)式中，为入射光波长。ffffveecDSS000()fveeDS10()可见，如果仅知光源、运动粒子和光检测器三者之间的相对位置，那么只能确定速度上的投影大小，不能确定速度方向。一种固定的相对位置，不可能确定平面速度的方向，这就是所谓LDV的方向模糊性。方向在)(0eevS若速度方向已知，如风洞，可将入射光、散射光和速度方向按下图布置：图5-2激光多普勒测速的特殊布置由图可得：代入(8-5)式，多普勒频移表达式化为：(5-6)fDy22sin2sin20＝eeS2.条纹模式前面从激光多普勒效应出发，叙述了激光多普勒测速原理。69年，Rudd提出干涉条纹模式，进一步说明激光多普勒测速的基本原理。如图5-3所示，两束平行的、相干细光束在透镜后焦点形成相交区，该相交区称为控制体。在控制体中存在着明暗相间的干涉条纹，由几何关系可得条纹间距df为:(5-9)df22sin首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零的单色光波的叠加光源S1和S2相交在P点，距离分别为r1和r2，振幅为E01和E02，初相位为，两束光电场分别为：0)cos()2cos(1011011tErtEE)cos()2cos(2022022tErtEE112r222rP点的光电场为)cos(21tAEEE)cos(22102012022012EEEEA202101202101coscossinsinEEEEtg其中其中0201EE如果：)2/(cos42202EA02010EEE21用光强表示则有2cos420II200EI上式变成：其中，其中，当相位差为的偶数倍时，即（m=0,1,2,…）时，，P点光强达到最大值。m204II当相位差为的奇数倍时，即（m=0,1,2,…）时，，P点光强达到最小值。(21)m0I当相位介于这两者之间变化时，P点光强在0和4I0之间变化。22201020102122cos()AEEEE这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的干涉。在观察时间内，P点平均光强为：002012022010cos121dEEEEIdI如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规则地变化，多次经理0~2之间的一切值，则，因而，P点光强为两迭加光强之和，不可能发生干涉现象。0cos10d21III如果在P点两光束波是紧密相关的，例如激光多普勒测速中两束入射光是由同一束激光分束而来，以至在观察时间内，他们的相位固定不变，则，。因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。此外，还要求两列光波的光程差最大不超过光波的波列长度，这也是两束光相干的条件。coscos10dcos2cos212210201202201IIIIEEEEI图5-3控制体的主要光学参数两束入射光的相交区域叫控制体积，光检测器接收到的散沙光区域叫测量体。控制体是一个椭球体，这是由于两束入射的激光光强按高斯分布的结果。控制体的几何参数决定了LDV的空间分辨率。很显然，控制体中存在着一组明暗相间的干涉条纹，因为这两束入射光满足干涉条件。干涉条纹测量体发射系统产生测量体测量体中有三维高斯分布光强测量体是椭球形Dimensions/diametersx,yandzaregivenbythe1/e2intensitypointsFDLYZXTransmittingSystemMeasurementVolumeIntensityDistribution01/e21zxyXZYMeasurementVolumeLength:JWidth:Height:No.ofFringes:zLFED42sinyLFED4xLFED42cosNFEDfL82tanzxXZfFringeSeparation:fæèçöø÷22sinFlowwithparticlesd(known)Velocity=distance/time速度=距离/时间t(measured)SignalTimeLaserBraggCell后散射光测量控制体DetectorProcessor当粒子以速度穿过控制中明暗相间的条纹时:在空间就散射着明暗相间的光信号，其闪烁的频率fD为：(5-10)fvdvDyfy22sinyv3.外差检测多普勒频移中含有速度信息，检测多普勒频移即可求出粒子运动速度。频移检测方法有两种：直接检测和外差检测。直接检测法：如用扫描Fabray-Perot干涉仪，典型的分辨率为5MHz，只能用于有限的场合。外差检测法，检测来自两个光源的频差作为多普勒频移。因为两束光在光检测器上叠加，其和频率太高，超过了光检测器的频率响应，只有频率差可被检出。外差检测方法得到广泛的应用。外差检测有三种基本模式：双光束系统、参考光束系统单光束双散射系统(1)双光束系统见图5-4和图5-5，双光束系统，也叫双光束-双散射系统。该系统是两束入射光束的散射光之间的外差，是近场相干。0201ee、图5-4前向双散型光路图中：A1：孔径光阑，A2：小孔光阑图5-5后向双散射型光路接收到两束散射光的频率分别为：(5-11)(5-12)ffveecSS10011()ffve