光电检测技术与应用-7光电检测系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电检测系统,光电检测系统,主要内容：,光电直接检测系统,光外差检测系统,典型的光电检测系统,直接检测系统（光强调制）,莫尔条纹测长仪,激光测距仪,激光准直,环境污染检测系统,光外差检测系统,激光干涉测长仪（相位调制）,多普勒测速（频率调制）,光外差通信,光外差检测,直接检测,光电检测系统,相干检测，,光源：相干光源,原理：利用,光的振幅、频率、相位携带信息,，,检测时需要用光波相干原理。,调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制,测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远,。,非相干检测，,光源：非相干或相干光源,原理：利用,光强度携带信息,，将光强度转换为,电信号，解调电路检出信息。,调制方法：光强度调制、偏振调制,直接检测是一种简单实用的方法,。,1 光电直接检测系统的基本工作原理,光电直接检测系统是将待光信号,直接入射到光检测器光敏面,上，光检测器,响应光辐射强度（幅度）,并输出相应的电流和电压。,检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。,强度调制直接检测模型,光源,强度,调制器,光学天线,光学通道,接收天线及光电检测器,光电信号处理器,信号,发射机,背景噪声场,接收机,电路噪声,回收的信息,假定入射光信号电场为：,光场平均光功率为：,表示,的时间平均值；,光检测器输出电流为：,称为光电变换比例常数,1 光电直接检测系统的基本工作原理,光检测器的平方律特性：,光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方,。,若光检测器负载电阻,R,L,，则光检测器输出电功率为：,如果入射光是调幅波，即,其中,d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:,式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。,1 光电直接检测系统的基本工作原理,说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输入信噪比小于,1或微弱光信号的检测。,输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了,3dB。实际应用中可以接受。,可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。,(1)若,，则有：,(2)若,，则有：,2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法,考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：,分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。,为负载电阻和放大器的热噪声之和。,5-12,输出信噪比为：,5-13,假定光波长,=0.7,m，检测器的量子效率,=1，测量带宽,f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为,当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：,该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称,量子限灵敏度,。,若用等效噪声功率,NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：,2.2 直接检测系统的检测极限及趋近方法,在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会,有背景噪声、检测器和放大器的热噪声,。,背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。,系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中,利用光检测器的内增益获得光电倍增,，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时,加致冷、屏蔽,等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。,在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，,采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限,。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，噪声,等效功率,NEP较大。,2.2 直接检测系统的检测极限,直接检测系统视场角,检测器,物镜,视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：,或视场角立体角,为：,从,观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：,增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。,减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。,因此在系统设计时，在,检测到信号的基础上,尽可能,减小系统视场角,。,5-19,2.,3,直接检测系统的视场角,2.4 系统的通频带宽度,频带宽度,f是光电检测系统的重要指标之一。,检测系统要求,f应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比,。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。以脉冲激光波形为例,.,对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽,f：,在输入信号为,调幅波时,，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频率的,2倍。如果是,调频波,，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。,等效矩形带宽：,频谱曲线下降,3dB,的带宽,包含,90%,能量的带宽,3 直接检测系统的距离方程,光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用,“,检测距离,”,来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。,直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。,光源,强度,调制器,光学天线,光学通道,接收天线及光电检测器,光电信号处理器,信号,发射机,背景噪声场,接收机,电路噪声,回收的信息,设被测目标的光谱辐射强度为,经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度,为：,入射到检测器上的光谱功率,为：,根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的,1,2,的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：,3.,1,被动检测系统的距离方程,都是波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：,式中,取,1,为被测距离,L在光谱响应范围内的平均透过率,1,。,光学系统的透过率,0,对光谱响应范围内平均值。,把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为,常数R,V,，在其它区域为零。,根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，,再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度,I,e,。,将上述值代入,1式，可得：,令检测器的方均根噪声电压为,V,n,，则它的输出信噪比为：,1,3.,1,被动检测系统的距离方程,为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数,k,m,，则上式改写为：,5-27,第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；,第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；,第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。,大气传播,接收光学系统,信号处理,接收机,回收信息,光电检测,强度,调制器,发射光,学系统,光源,信号,发射机,反射,目标,3.,2,主动检测距离方程,主动检测过程示意图,假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为,k(,)，则接收功率为：,式中，,D,0,为光学系统接收口径；,=,D,0,2,/4L,2,为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为,02,(,)，则检测器上接收到的总功率为：,式中,:,检测器上的输出电压为：,式中：,R,V,(,)为检测器相对光谱响应度，将式R,V,(,)代入上式得距离L为：,如果目标反射面积,S,a,等于光斑照射面积,L,2,，则上式可化为：,可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。,在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以透过率表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的,。,4 直接检测系统的举例,莫尔条纹测长仪,计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。,在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于,0.1,m,。,黑白光栅,莫尔条纹光栅原理,构成：,主光栅,-标尺光栅，定光栅,指示光栅,-动光,栅,横向莫尔条纹特征,当指示光栅沿,x,轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件,“,观察,”,到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距,P,，光强变化一个周期。,由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时,P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式：,莫尔条纹有如下特征：,1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。,2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。,3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角,而改变。,越小，,B,越大，相当于把微小的栅距,P扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。,莫尔条纹的应用,莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为,25，50，100，250条/mm。被广泛地应用于：,光栅数显表,光栅传感器在位置控制中的应用,轴环式数显表,机械测长和数控机床中。,代表性产品：,德国,Heidenhain（海德汉）：,封闭式：量程,3000mm，分辨力0.1,m,开放式：量程,1440mm，分辨力0.01,m,开放式：量程,270mm,分辨力1nm,英国,Renishaw（雷尼绍）：,量程：任意分辨力：,0.1,m,0.01,m,中国长春光机所：,量 程：,1000mm,分辨力：,0.01,m,5,光外差检测的基本原理,利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。,两束相干光入射到探测器表面进行混频，形成相干光场,又称相干检测。只有激光才能进行相干检测。,输出信号中包含 的差频信号,因此称光外差检测,输出的中频功率正比于信号光和本振光功率的乘积。,光探测器的输出包含有信号光的全部信息：振幅、频率和相位等；,转换效率高，,检测灵敏度高（比直接检测高数量级），,对微弱信号的探测有利（尽管信号光功率小，但是本振光功率大）,良好的滤波性能,信噪比损失小,检测灵敏度高,检测距离远,对探测器的要求比直接检测高,5,光外差检测的特性,光外差检测的空间和频率条件,空间条件,：,:,两束光的夹角，,l=d,：检测器光敏面线度,波长越短或口径越大，要求相位差角,越小，越难满足要求,频率条件,：,要求信号光和本振光具有高度的单色性和频率稳定性。,如何获得单频光和稳频光？,信号光与本振光并非平行,而成一夹角,光外差检测系统,光,外差检测与直接检测系统相比，具有如下优点：,测量精度高,7-8,个数量级；,灵敏度达到量子噪声极限，其,NEP,值可达,10,-20,W,。,可用于光子计数。,激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，所,在外差检测在大气中应用受限，在外层空间已经达到实用,阶段。,外差检测在高频（,10,16,Hz,）光波时不如直接检测有,用。而在长波长（近红外和中红外波段），光外差检测技,术就可实现接近量子噪声限的检测。,光外差检测原理示意图,直接检测系统中，检测器检测的光功率为平均光功率,P,cp,：,显然光波直接检测只能测量其振幅值。,光外差检测原理如图，两束平行的相干光，经分光镜和可变光阑入射到检测器表面进行混频，形成相干光场，经检测器变换后，输出信号包含差频信号，故又称相干检测。,6.1,光外差检测原理,外差检测实验装置图,如图，光源经过稳频的二氧化碳激光器，由分束镜把入射光分成两路：一路经反射作为本振光波，频率为,f,L,，另一路经偏心轮反射，经聚焦到可变光阑上作为信号光束。,偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波产生多普勒频移，其频率为,f,s,。可变光阑用来限制两光束射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。,首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：,那么，入射到检测器上的总光场为：,光检测器的响应与光电场的平方成正比，所以光检测器的光电流为：,式中第一、二项为余弦函数平方的平均值，等于,1/2,。第三项为和频项，频率太高，光混频器不响应，可略去，第四项为差频项，频率低得多，,当差频信号,(,L,-,s,)/2,=,C,/2,低于光检测器的上限截止频率时,，检测器就有频率为,C,/2,的光电流输出。,如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通,过以,C,为,中心频率,的带通滤波器的瞬时,中频,电流为：,中频,滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：,中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平均值，即：,当,L,-,s,=0,，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频电流为：,这是外差探测的一种特殊形式，称为,零差探测,。,6.2,光外差检测特性,6.2.1,光外差检测可获得全部信息,外差检测不仅可检测振幅和强度调制的光信号，还可检测频率调制及相位调制的光信号。在直接检测系统是不可能的。,6.2.2,光外差检测转换增益,G,高,光外差检测中频输出有效信号功率为：,在直接检测中，检测器输出电功率为：,两种方法得到的信号功率比,G,为：,可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。,6.2.4,信噪比损失小,6.2.3,良好的滤波性能,光外差检测中，取信号处理器通频带为,f=f,L,-f,s,，则只有此频带内的杂光可进入系统，对系统造成影响，而其它的杂光噪声被滤掉。因此外差检测系统不需滤光片，其效果也远优于直接检测系统。,例：目标沿光束方向运动速度,=0-15m/s,，对于,10.6um,CO,2,激光信号,多普勒频率,f,s,为：,通频带,f,1,取为：,而直接检测加光谱滤光片时，设滤光片带宽为,1nm,，所对应的带宽，即通频带,f,2,=3000MHz,。,可见，外差检测对背景光有强抑制作用。,另：速度越快，多普勒频率越大，通频带越宽。,当不考虑检测器本身噪声影响，只包含输入背景噪声的情况下，外差检测器的,输入信,噪,比等于输出信噪比,，输出信噪比没有损失。,6.2.5,最小可检测功率,内增益型光电检测器件,当本征功率,P,L,足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：,内部增益为,M,的光外差检测器输出有效信号功率为：,检测系统中检测器本身的,散粒噪声和热噪声,是影响最大，难以消除的。则外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：,功率信噪比为：,这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪比极限，一般称为光外差检测的,量子检测极限,或,量子噪声限,。,引入,最小可检测功率（等效噪声功率）,NEP,表示，在,量子检测,极限下，光外差检测的,NEP,值为：,在光电直接检测系统的量子极限为：,这里面需要说明的是：直接检测量子限是在理想光检测器的理想条件下得到，实际中无法实现量子极限的。而对于光外差检测，利用,足够的本振光,是容易实现的。,总之，,检测灵敏度高,是光外差检测的突出优点。,6.2.5,最小可检测功率,内增益型光电检测器件,为克服由信号光引起的噪声以外的所有其他噪声，从而获得高的转换增益，,增大本振光功率,是有利的。但本振光本身也引起散粒噪声，本振功率越大，噪声也越大，使检测系统信噪比反而降低。因此，应合理选择本振光功率，以便得到,最佳信噪比和较大的中频转换增益,。,6.2.6,光外差检测系统对检测器性能的要求,外差检测系统对检测器要求一般比直接检测对检测器的要求高得多，主要如下：,响应频带宽,。主要是因为采用多普勒频移特性进行目标检测时，频移的变化范围宽，要求检测器的响应范围要宽，甚至达上千兆,Hz,。,均匀性好,。外差检测中检测器即为混频器，在检测器光敏面上信号光束和本振荡光束发生相干产生差频信号，为达到在光敏面不同区域相同的外差效果，要求检测器的光电性能在整光敏面上都是一致。特别是跟踪系统的四象限列阵检测器。,工作温度高,。在实验室工作时，工作温度无严格要求。如果在室外或空间应用时，要求选工作温度高的检测器。如,HgCdTe,红外检测器件。,(P140,表,6-2),6.3,影响光外差检测灵敏度的因素,6.3.1,光外差检测的空间条件（空间调准）,光外差检测原理示意图,信号光和本振光的,波前,在光检测器光敏面上保持,相同的相位关系,，才得式：,实质上，由于光的波长比光检测器面积小很多，混频作用是在一个个小面积元上产生的，即总的中频电流是每个小微分面元所,产生的微分电流之和，显然要使中频电流达到最大，这些微分中频电流要保持恒定的相位关系。即要求信号光和本振光的,波前是重合,的。即是说必须保持信号光和本振光在,空间,上的,角准直,。,下面就考虑一下信号光与本振光皆为平面波时，波前不重合时对光外差检测的影响。,设信号光束和本振光束之间夹角为,，且信号光束的波阵面平行于光敏面时，如图。,设信号光束和本振光束的光场为：,那么本振光束到达光敏面时，在不同点,x,处有不同的波前，即不同的相位差 。相位差等于光程差和波数之积。即：,式中，,，并认为折射率,n=1,。,于是本振光波可表示为：,则检测器上,x,点的响应电流为,则整个光敏面总响应电流为,从式中可知，当 时，,即 时，中频电流,i,最大。,即可得外差检测的,空间相位条件,为：,即：,显然：波长愈短或口径愈大，要求相位差角,愈小，愈难满足外差检测的要求。,说明红外光比可见光更易实现光外差检测。,例：本振光波长为,1,微米，检测器光敏面长度为,1mm,，则,0.32mrad,（,0.018,度）。,实验证实，稳频的,CO,2,激光器做外差检测实验，当,2.6mrad,时，才能看到清晰的差频信号。,这个角度也被称为失配角。,光外差检测原理示意图,如图，要形成强的差频信号，必须使信号光束和本振光束在空间准直得很好。,背景杂散光来自各个方向，绝大部分的背景光不与本振光准直，即不产生明显的差频信号。,因此外差检测在空间上能很好地抑制背景噪声。具有很好的,空间滤波性能,。,但是严格的空间条件也使调准两光束比较困难。,问：“如果两光束是平行的，但与光检测器呈一定角度时，对中频电流有没有影响”？,解决方法,；,如图结构称为,聚焦光束外差结构,，即用聚焦透镜降低空间准直要求。这种结构本质上相当于把不同传播方向的信号光束集中在一起。,理论分析证明，如果用聚焦透镜聚焦到衍射限，这时的失配角可由系统的视场角,r,来决定。,经过推导，失配角,r,与透镜，光敏面参数有如下关系：,例：波长为,1um,，,l,为,0.1mm,（检测器直径），由上知失配角,0.32mrad,，如采用会聚透镜，孔径,D,r,=10cm(,在光外差检测系统中，作为接收天线的会聚透镜，这个孔具有代表性）。取焦距,f=100cm,，可求得视场角,r,=1mrad,。,6.3.2,光外差检测的频率条件,为获得灵敏度高的光外差检测，要求信号光和本振光具有高度的,单色性和频率稳定性,。,光外差检测的物理光学的本质是,两束光波叠加后产生干涉的结果,。这种干涉取决于信号光和本振光束的单色性。因此为获得单色性好的激光输出，必须选用,单纵模运转的激光器,作为光外差检测光源。,信号光和本振光存在着,频率漂移,，使光外差检测系统的性能变坏。是因为频率差太大可能超过中频滤波带宽，中频信号不能正常放大。因此在光外差检测中，需要采用专门措施稳定信号光和本振光的频率。,1,、激光光源：,He-Ne,气体激光器，频宽达,10,3,Hz,，,相干长度可达,300km(,相干长度如何定义,),2,、干涉系统：,迈克尔逊干涉原理，,位移,-,测量臂；,3,、光电显微镜：,给出起始位置。实现对对测长度或位移的精密瞄准，使干涉仪的干涉信号处理部分和被测量之间实现同步。,4,、干涉信号处理部分：,光电控制、信号放大、判向、细分及可逆计数和显示记录等。,6.4,光外差检测系统举例,6.4.1,激光干涉测长仪,如图，主要有几部分组成：,测量光束,2,和参考光束,1,相互叠加干涉形成干涉信号。其明暗变化次数直接对应于测量镜的位移，可表示为：,1,、激光器；,2,、透镜；,3,、小孔光阑；,4,、透镜；,5,、反射镜；,6,、反射棱镜；,7,、位相板；,8,、角锥反射棱镜；,9,、分束镜；,10,、角锥反射棱镜；,11,、透镜；,12,、光阑；,13,、光电检测器；,14,、透镜；,15,、光阑；,16,、光电检测器,光阑,3,形成一种,空间滤波器,，减小光源中杂散光的影响。,到达角锥反射棱镜,10,的作为干涉仪的,参考臂,。而角锥反射棱镜,8,作为,测量臂,。,光学元件,7,称为,位相板,，使通过光路的部分光束产生附加位相移动，使光电检测器,13,和,16,接收到的干涉信号在位相上相差,/2,。,光路中，采用,角锥棱镜代,替了平面反射镜作为反射器，一方面避免了反射光束反馈回激光器对激光器带来不利影响；另一方面由于角锥棱镜具有“出射光束与入射光束的平行不受棱镜绕轴转动的影响”的特点。,实用的激光干涉测长仪的简化光路,激光测速的,原理,是：是测量通过激光束的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到粒子速度。测得了粒子的速度，也就是流动的速度。,激光测速的最主要的,优点,是对流动没有任何扰动，测量的精度高，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。,6.4.2,激光多普勒测速,Laser Doppler Velocimeter,多普勒测速原理,基本光路原理图,光源：,稳频后的单模激光光源,测速原理：,激光光束的光强分布为高斯分布，在透镜,L1,后的焦点附近高斯光束束腰的波前为平面波，两光束在焦点附近空间范围内相交得到平行的干涉条纹；而在远离焦点的空间范围相交干涉条纹为弧形。干涉条纹间距为,f,x,z,y,z,y,y,x,条纹模型,测速原理：,干涉条纹的空间频率（,单位长度内条纹明暗对数,）为：,当散射粒子在平行干涉条纹的平面内运动时，散射的光波强度随干涉场及流速面变化，若颗粒运动速度为,，运动方向与条纹垂线的夹角为,（如图），则颗粒散射的光强频率为：,输出波形分析：,在光电倍增管上接收到的输出信号是一种包络波形，包络与光强分布及粒子大小有关。包络的形成是因为光斑中光强的分布为高斯型。包络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。,速度信号的获取（频谱分析法、频率跟踪法）,频率跟踪法,获得瞬时流速,外差信号,V,LL,的差频频率,f,0,经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如图，信号频率偏离,f,0,时，压控振荡器跟踪信号频率的瞬时变化。,特点：非接触测量，精度高，用于血流速测量。,60,实际,LDV,的结构简图,V,激光电源,声光调制器电源,计算机,光电倍增管电源,信号处理器,放大器,61,激光多普勒测速的特点,动态响应快,空间分辨率高,流速测量范围宽,测量精度高,62,激光多普勒测速的应用,管道内水流流层研究；,流速分布亚音速或超音速气流旋流的测量,大气远距离测量；,风速测量,可燃气体火焰的流体力学研究；,水洞、风洞和海流测量,