激光多普勒测振技术的分析探究概要.doc

激光多普勒测振技术的分析探究摘要：本文对激光多普勒测振技术从理论上进行了系统的分析和部分计算，研究各种测振方案，并对各测量方案进行系统的比较分析和研究。另外特别对差动式激光多普勒信号测振原理进行理论研究，实现对激光多普勒测振原理的验证。分析研究了差动式激光多普勒测振系统，并对该光学系统的优化进行分析，有效提高了系统信噪比和信号检测灵的敏度。另外对信号的处理系统进行理论分析，并且就如何较小系统误差进行了研究。关键词：振动测量；频移；激光多普勒效应；信号检测目 录引言11. 非接触式测量方法的探究11.1 相干测量11.1.1 全息法11.1.2 激光散斑干涉法31.1.3 激光多普勒技术41.2 论文研究的主要内容42. 激光多普勒技术的理论分析52.1 激光多普勒频移52.2几种多普勒测量技术的比较62.2.1参考光束型激光多普勒测量62.2.2 双散射光束型多普勒测量72.2.3 单光束型多普勒测量82.3 振动信号的测量93. 光学系统设计113.1 光学系统结构113.2 实验设备的选择123.3 实验改进方案123.3.1 光强对信噪比的影响123.3.2两束光的空间位置对信噪比的影响123.3.3 提高信号检测灵敏度134. 误差分析135. 总结与展望14参考文献15 引言奥地利的科学家多普勒（Doppler）首先在声音学中发现了波的频移现象，即通过波源、散射体和接收体三者之间的相对运动会改变所接收到的任意形式波的频率。后来，人们又在光学领域发现了这种现象，当单色光照射到一个运动着的物体上被散射时，观察者接收到的该散射光的频率（与原激光相比）将产生频率的偏移，该频率偏移量的大小与物体的运动方向、速度、入射光的方向以及观察者的位置有关，可表示为：。假如和c已知，那么我们只要测出频率变化值就能够计算出物体的运动速度。我们把用这种原理进行测速的方法称之为多普勒测速技术。图1-1 随着激光的问世，叶（）和库明斯（）1于1964年首次利用激光多普勒技术在水流中观察微粒散射光的频移现象，并算出了水流的流动速度，证实了该技术在测流动速度方面的应用。如今激光测速已经可以测量风场、边界层流以及喷气过程等。伴随着现代工程技术的发展，尤其是在军事工程等高精技术领域，高速运动参数的检测是一项迫切需求的具有特殊意义的检测技术。为满足现代测试计量技术的高效率、损伤小、精度高等要求，人们对测量技术的高灵敏度、非接触、智能化提出了更高的要求234。常用的振动测量方式有压电式、电容式、激光多普勒方式等。其中的激光多普勒技术凭借其特有的非接触等优势，近年来得到了飞速发展，已能测量超音速喷气流的速度, 并在喷气过程、燃烧过程中, 为燃气轮机、气缸、原子能反应堆等方面的设计研究中为其提供实验数据和测试结果3 4。1. 非接触式测量方法的探究1.1 相干测量 1.1.1 全息法光学全息干涉计量技术凭借它对被测对象无干扰，可直观的测量等优点迅速在全息应用领域占有了一席之地。我们知道光学全息的基本原始是波前记录与波前再现，实际上也是光波的干涉和衍射的结果。全息干涉计量作为全息应用的一个重要方面，它的基础是波前比较，我们常用的有单次曝光法，二次曝光法和平均时间法5。图1-2 在具体实验时我们选用光折变晶体作为记录材料，以避免因传统记录材料在复位是会产生偏差而带来的复杂操作和测试误差。其典型的光路图见图1-3，图1-4所示： 图1-3 图1-4 全息干涉术的特点：全息干涉原理就是把物体发出的特有的光波的全部信息都以干涉条纹的形式记录在介质中，根据衍射原理可以重现原始物光波，我们再用光照射全息图时就可以得到原物体的三维图。这种方法还可以很方便的在任意方向上对被测物体进行立体干涉测量。1.1.2 激光散斑干涉法当激光束投射到粗糙的光学物件表面时，就会呈现出特殊的斑点状图样。当照射物的表面发生形变时，产生的干涉条纹也会产生相应的变化。反之，如若已知因物体形变而产生的干涉条纹的变化大小，我们就可以推算出物体的变化大小。图1-5 激光散斑图上图1-5 示列举的是一个激光散斑应用实例。我们把其中由反射镜反射的光看成参考光。参考光和物体的散射光经过透镜后在观察面形成明显的干涉图样。在两束光重叠的区域，散斑上会出现有明显起伏变化的亮暗条纹。如果物体沿图1-5中方向移动微小位移，那么两个光场间的相位差改变 ，即： （1-1）当（取整数）时，散斑条纹会发生亮暗反转；当时，散斑条纹与时相同。显然，散斑条纹会随着物体沿图1-5所示方向的缓慢移动而发生相应移动，这就是测振技术的基本的振动模式。如今，数字散斑干涉法已经进入了广泛实践阶段，采用Computer和等工具代替人眼和照相机，充分利用计算机和CCD的优点对系统进行实时控制和数据处理，使得测量程序更加方便快捷，检测效率提高。散斑计测振技术较其它方法可以有效提高测量的灵敏度，它主要在降低系统对稳定性、相干性和底片的分辨率的诸多要求方面表现出了很大的优越性。但是该技术所测的振幅范围小较，使它的应用有了很大的局限性。1.1.3 激光多普勒技术在1842年，物理学家Doppler发现：当波源和接收器之间存在相对运动时，那么接收器接收到的由该波源发出的特定的波的频率会因相对运动而产生变化。后来人们为了纪念他，就命名这种效应为多普勒频移效应。该效应的一般式可写成：其中-波源频率， -探测器接收到的频率，-波在介质中的传播速度，、分别表示波源及探测器速度，、分别是、与探测器到波源连线的夹角。根据光波红（光源与观察者相靠近时，光波被压缩，波长变短，频率变高）、蓝移（光源与观察者相远离时，波长变长，频率变低）的程度即频移值，可以算出光源与观察者的相对运动速度6。如今，激光多普勒效应除了用于最初的流体流速的测量外，在风速测量、振动、微小位移测量、声光通信、远程控制等领域也有了广泛的应用。激光多普勒技术的优点：1属于非接触式测量。不会对被测速度场产生干扰，利用激光的高度相干性，可对速度场进行远距离测量。2测量精度高，可以达到。它的装置安装后不用经常校准，这样一来它的机械磨损就很小了。3空间分辨率较高，可以对微体积内的流速进行测量。目前该技术对深度几十微米，直径十几微米的物体进行测量。在医学上，已应用到了微细血管中的血液流速测定。4测量范围广，动态响应快。现如今，测速范围可从低的百分之几毫米每秒至高的每秒几个马赫。5方向的灵敏度高，能够做到多维测量。激光多普勒测速方法凭借它所特有的优势，受到了人们大力的推广。在使用这种方法进行测速时，被测体表面状况会对测量结果产生较大影响，另外对系统的光学探头的性能也有较高的要求等，这些因素在很大程度上限制了它的推广。1.2 论文研究的主要内容通过激光多普勒测振技术的理论分析探究，基于差动式的激光多普勒测振系统对激光多普勒信号测量实验的分析和探究，实现对激光多普勒测振原理的验证和光学系统优化。主要内容如下：1. 从理论上分析各种测振方案，并对各方案进行系统的比较，分析和探究。2. 特别就激光多普勒测振技术进行分析探究，从理论上进行掌握。3. 分析探究差动式激光多普勒测振系统，分析并对光学系统进行优化，就如何提高系统信噪比，提高信号检测灵敏度进行探究。4. 分析信号处理系统，进一步做误差分析。5. 总结，了解该领域的发展现状以及它的发展趋势。2. 激光多普勒技术的理论分析2.1 激光多普勒频移在前面我们已经知道当光源向观察者移动时，光波被压缩，波长变得短，频率变高（光波红）、当光源远离观察者运动时，波长增长，频率降低（蓝移）。下文在假定光源相对于观察者静止的条件下进行分析研究。我们把这种情况看作是首先由从光源到运动的物体，再从由物体到接收器的双Doppler频移情况。图2-1 移动物体P的多普勒频移分析图见图 2-1 中所示，从光从发出频率为v，被物体散射，在点接收散射光。运用和分别表示动方向与和的角度大小。点所接收到的频率可用方程表示为： （2-1）该光束在点又被发射出来后，在点接收，频率为，则其方程表示为： （2-2）因为图2-1中的大小是由接收器位置来决定的。所以： （2-3）考虑到 ，在对 展开后忽略除一次项外的所有项，则有： （2-4）对上式进行三角变换运算后可以得到： （2-5）根据图 2-1 可知有： （2-6）且有 （2-7）-速度和之间的夹角，-和所形成的角的角平分线，向量-散射向量的方向。将式（2-7），（2-8）代入（2-5）式可得： （2-8）普勒频移。上（2-9）式也可由波长表示为： （2-9）2.2几种多普勒测量技术的比较2.2.1参考光束型激光多普勒测量光路见图2-2 , 经半透半反镜把 激光器发出一束光分成两束强度相等的光, 一束光沿原方向返回,最后入射到雪崩二极管, 作为参考光；另一束入射到运动粒子上, 在所有散射光中部分沿原方向返回，最后被雪崩二极管接收, 作为信号光。最后信号光和参考光在光敏面上混合，我们可以从混频中获得记录了运动物体参数的频移信号。图2-2参考光束型Doppler测速仪结构图在这种测量方法中，我们首先要把激光分成两条光强度不等的光束，以保证散射光的光强和参考光的光强尽可能相等。其次我们要通过移动全反镜的位置来调节两光束的光程差，使该差值小于LASER的相干长度。另外为得到较高的信噪比和良好的多普勒信号，我们还应保证入射参考光的光强远小于产生信号光的光强。一般而言，如果用光电倍增管做探测器，参考光和散射光的强度比应以为佳；若使用光电二极管，则此时应以高强度的参考光为宜，因为这种情况下低光强时放大器将是噪声限制的主要因素 7。参考光束测量系统，只有转时满足准直好的要求，才能在对信号光束和参考光束进行拍频时得到较高的拍频频率，输出较强的信号。另外，在该系统中，一般要在接收透镜前放置一个孔径光阑，用于限制在接收散射光时由小立体角引起其频谱的加宽，提高测量的精度。2.2.2 双散射光束型多普勒测量又称之为差动型系统。与参考光模式相比，差动型系统的优点体现在信号与接收方向无关和探测器孔径的尺寸无明显限制等。此类光路若是将光学发射头和接收头分放在散射体的两边，称之为前向双散射光路；反之，若是放在散射体同侧则称之为后向双散射光路。图2-3 介于此光路的信号与光电探测器的方向无关，能够在任意方向进行信号接收。所以，在对固体速度进行测量时，一般采用差动型测量系统而不用参考光系统13。另外为充分接收散射光的光能量，我们还可使用较大口径的接收透镜，这样可有效地提高信号信噪比。该系统中只要满足两束光完全相交就行，所以其光路调整相对简单。2.2.3 单光束型多普勒测量单光束型激光多普勒测量系统，其特点表现为光束是先合后分，这一点与双散射光束型恰好相反。入射激光经过会聚透镜后就在测量点上聚焦，而后被测量点上的同一微粒散射向两个不同方向，如图2-4示光路图，最后两束散射光线经会聚透镜在一点上重合并发生干涉，最后照射到光探测器。该系统见图2-4所示：图2-4 单光束光路在该类光路系统中，要控制散射光的接收孔的径角，径角过大的话则会引起频谱较大幅度的加宽。各类光路系统按照散射光的接收方向分类都可以分为前、后向散射接收两大类。定义在2.2.2中已有介绍。通过分析我们发现，采用前向散射光路能够很容易得获得高信噪比的多普勒信号。前向散射光路的缺点体现在：被测流体必须能通光，在进行流体测量时测量点必须不断改变，光束发送系统和它对应的接收系统必须保证同步移动。另外我们每测一个测点就必须对光路进行一次调整以保证测点的像始终能在接收的小孔光阑上成像，如此做很费事8。而后向接受（接收散射微粒向后散射的光）则有效的避免了这一缺点。通过上面的比较分析我们可以发现，参考光束型测速系统中有一束光并不经过多普勒频移，从而有效地减少了计算量和光路调节的程序。这种方法经常在纵向多普勒测量中被采用。我们可以的出这样的分析结果：下文分析探究的测振系统采用参考光后向散射的方法进行测量（具体光路见第三章），选取震动平面，信号光垂直入射，垂直反射，这样做有效的减少了散射角对测量精度和信噪比的影响，同时光路的搭建也相对来说比较简单。在实验过程中为了得到较高的信噪比和良好的多普勒信号我们必须根据具体实验条件来调整两束光合适的光强比例。其大概的设计图如下图2-5所示：图2-5 单光束参考光路图2.3 振动信号的测量上文介绍了运动散射体的激光多普勒频移，在此基础上我们将对激光多普勒测振技术进行理论分析。根据式（2-9）可知：我们可以由多普勒频移量算出被测物体运动的速度。我们现有的光电探测器都无法直接测得过高频率的光频变化，而光学差拍技术在这一点上就显示出了它的优越性。设散射光与参考光频率分别为，它们在光探测器表面形成的电场强度： （2-10） （2-11）式中：-两束光的振幅；、-两束光的初始位相。两束光混频后对应的电场场强： （2-12）又已知混频后形成的电场强度的平方正比于光强度，故有： （2-13） （2-14）式中： -两束光的初始相位差。如两光相干（它们初始相位相同），则表示一个常数。如果两束频率相同的光照射被测物体，称之为零差干涉。显然当物体静止时，输出直流光电信号。如果两束非相干光射到物体上，不管物体运动速度是否为为零，两束光混频后输出频率为的信号，表现为交流信号，我们称之为外差干涉。前者不能判定被测物的运动方向。后者不但可以判别其运动的方向，还可以用外差技术来抑制噪声 9。本节主要是对基于后向散射的外差式参考光的差动式激光多普勒测振系统进行理论分析探究。由激光源发出的光束经偏振分束镜分为参考光、频率为和散射光、频率为，被测物体以速度运动，当散射光照射到运动的物体表面时将发生垂直反射，则显然有入射角与散射角均为度，由式（2-9）可知： （2-15）由式（2-14）可知，在接收器上接收到的信号频率可以表示为： （2-16）由式（2-13）可以知道多普勒频移与入射方向和接收方向都没关系，因此一般采用较大口径的接收，从而提高接收信号质量。我们可用方程表示做简谐振动25的物体的位移、速度为：位移： （2-17） （2-18）上（2-17），（2-18）式中 -振动的频率， -振幅。在不计初始相位的条件下，其角频率表示为： （2-19）上式表示一个由物体振动速度调制的调频信号，它们两者相互关系见图2-6 所示10。图2-6信号波形和两者对应关系图3. 光学系统设计通过上文的我们对外差式光路与零差式的优缺点的比较分析，掌握了各种测试方法的原理和方法。并就各种测试方法的适用范围做了系统的规划。本章对结合散射光束型多普勒测试方法和外差式光学结构的优点，分析和探究适用于振动测量的差动型后向散射的参考光路系统，实现对激光多普勒测振系统的了解掌握与进一步的优化。3.1 光学系统结构实验原理的光路图见图3-1。采用偏振输出的激光器作为光源，发射的激光通过偏振分束镜后分为两束，其中一束作为信号光，经过偏振分束镜、波片、单透镜，射向被测物体，散射后沿原光路返回。因为散射光要经过两次波片，偏振方向偏转90度，则会使得在偏振分束镜中反射，再调整波片的光轴方向，使信号光经过该波片后，将偏振方向变成垂直并且在透过分光棱镜后使两光汇合、通过孔径光阑射入光电探测器。另一束光则是作为参考光，经五角棱镜反射后，在声光移频器中加入声光频移、再经过分束镜和孔径光阑，最后射入光电探测器。两束光叠加后，最后通过光电探测器将光信号转换为电信号，进行预放大，并通过示波器显示以便观察。被测物体可用一个小喇叭，表面磨平且与平台垂直，粗略观察其产生的多普勒频移。实验中为了保证散射光强尽量的大一些，被测物体则不能的放置的过远。图3-1 实验室搭建的实物图见如图3-2 所示：图3-2 实验室搭建的实物图3.2 实验设备的选择1. 激光器 （一般包括谐振腔、泵浦激励源和工作物质）2. 偏振分束镜 （大多用来比较振动方向互相垂直的两束偏振光强度或是偏振光干涉系统）3. 波片（又叫相位延迟器，它能使偏振光的两个相互垂直的先偏振光之间产生一个相对的相位延迟，从而改变光的偏振态）4. 频移器件（常见的有电光器件、旋转光栅和声光器件）5. 光电探测器（常用有光电三极管和光电倍增管等）6. 示波器3.3 实验改进方案分析上面的实验后的信号图发现我们不难得到在我们得到的多普勒信号中的噪声很大，原因可能是没有做好信号光和参考光的光强控制，信号光在经多次反射后光强会有所减弱，没有形成明显的拍频；光斑直径过大，该系统中噪声源过多，激光没有做好准直等原因。信噪比作为衡量该系统质量好坏的一个重要指标，下面就光路中几个对信号信噪比影响较大的因素做分析：3.3.1 光强对信噪比的影响实验过程中，我们一般是通过衰减片组来控制参考光强，使参考光强与信号光强的比值约为。3.3.2两束光的空间位置对信噪比的影响假设参考光和信号光不平行，两条光束在光电探测器光敏面上的波失夹角为，如图3-3所示：图3-3 两束非平行光的分析模型我们在对实验数据分析后不难发，现当处在范围内时，多普勒电流会因两束光的夹角变大而迅速减小11。因此，我们在实验中调整光路时，应尽量保证两束光能够平行射出，以保证有较高的多普勒电流从而获得较强的多普勒信号。3.3.3 提高信号检测灵敏度各种噪声的总和从本质上决定了测量的精确度和测量的灵敏度，以前我们对低于噪声的信号是没办法进行测量的。因此如何有效地降低各种噪声的水平成为后来人们研究的关键。后来人们结合了物理学、电子学、信息论和数学等科学，把被噪声覆盖的弱信息从噪声中提取出来并进行测量。从而使人们可以对低于测量系统噪声水平的信号进行测量。4. 误差分析通过前面对整个系统平台的分析与探究我们知道，这个系统包括光学发射系统、光电接收转换系统和信号处理系统。经过前面对系统的优化设计，前面的整个光学发射系统在提高信号的接收质量及增大信噪比两方面已有了明显改进。光束在经过第一个系统后，产生的带有包被测物体信息的拍频信号会光电接收转换系统接收，并送入下一级信号的处理单元，由示波器来实时监测信号的变化情况，计算测试结果。由于实验设备、试验场地等硬件条件的限制，激光多普勒测振系统的测量结果数据与理论值肯定存在一定的差异，在数值上表现为误差。误差是不可避免的，一切测量都存在随机误差和系统误差。由上一章的分析可知，产生的误差主要取决于参考光与信号光强度与平行度、激光器输出的稳定性、多普勒频谱增宽等等。1. 参考光与信号光强度由第三章分析可知，为提高信号信噪比，参考光与信号光的光强比值应为10:1，所以在具体实验中应选用比例光强分光器，对两束光的光强做以调整。2. 参考光与信号光的平行度通过前面的分析我们知道，在具体实验过程中我们要对分光晶体、反射镜的位置时刻调整，以保证两束光能够平行出射3. 多普勒频谱增宽在实际测量时，我们发现并不能得到理想状态下的固定单一的多普勒拍频，探测器给出的多普勒频谱拍频比理想状态下频谱的要宽。渡越时间、速度梯度、探测器孔径等的增宽和实验过程中振动都可能照成这中情况的发生。例如我们都知道的，在实验中我们可以通过减小激光光板的尺寸来控制速度梯度的增宽。4.各种不确定度因素的合成10我们在分析一个系统的总体误差时，我们通常使用平均的方法。假设每一个过程相互独立且有统一的误差精度，各种不确定因素都认为其满足高斯分布，则可以写出系统总的不确定度为：5. 总结与展望我们对根据航天、航空发动机振动测试的特殊性需要而提出的一种基于激光多普勒外差干涉原理的激光测振系统的分析与探究，学习了其实现的远距离、非接触和高精度的测振技术，对如何提高系统信噪比和系统信号检测灵敏度进行分析和研究。我又特别对信号的处理系统进行误差分析。在本论文中，我们通过了解激光多普勒测量技术的发展，比较了几种典型的测振方案，对差动式激光多普勒测振系统进行振动检测方面的探究。我们完成了以下工作：1. 研究各种测振方案，并对各测量方案进行系统的比较、分析、研究。2. 完成激光多普勒测振技术的分析探究，从理论上进行掌握。3. 完成了探究差动式激光多普勒测振系统的分析，分析并对光学系统进行优化，就如何提高系统信噪比，提高信号检测灵敏度进行探究。4. 分析了信号处理系统，进一步完成了误差分析。本课题所研究的激光多普勒测振系统为简化系统，按照光学知识和各元件特性设计了适合多普勒测振原理的光路图。由于条件的限制，系统所用的部件无法进行细致的优化设计，也没有进一步具体研究完善信号处理系统的电路，因此在后期工作会进一步加强对信号处理以及电路方面的学习，完善测振技术的研究。相比其他类似技术，激光多普勒技术凭借它所拥有非接触、无损伤、高精度、远距离大量程等优点，所以自其出现以来，特别是八十年代后，它迅速成为现代科学、国家现代化建设和人们生活生产中重要的新型检测手段。例如美、德合作研究了激光光栅多普勒测量 12，并运用到了实际的机械振动测量中。天津大学对固体表面面内位移用激光多普勒技术进行远距离测量研究13。近年来, 由于现代科学技术，特别是半导体技术、光纤技术及计算机技术在激光多普勒技术中的应用，使得激光多普勒测速仪（）向着、数字化、多维化、小型化发展，并且更加迎合时代发展的需要和大众的需求，更加注重其商业化和实用化的发展21。从而使激光多普勒技术真正走出了实验室进入了更广泛深入的实践阶段。总之，激光多普勒技术，包含了激光技术、光电检测技术、半导体技术、计算机科学技术、信号处理技术等尖端科学。可以说，它的发展方向是许多当今尖端学科的发展趋势的代表之一。参考文献：1YehY ，CumminsH Z.Localized flow measurements with the He-Ne laser spectrometer.Appl. Phys. Letter，19642张峰，激光多普勒测量技术 J.上海；19843王明泉，信号与系统M.北京：科学出版社，20084张才跟，锅炉技术M，1984，3195苏显渝，李继涛，信息光学M.北京：科学出版社，1999，111117，1501566赵康熊，激光应用技术M.北京：清华大学出版社，19857崔宇志，无线电的应用M.电子工业出版社，19808 C.E.Riva,B.L.Petrig,R.D.Shonat and C.J.Pournaras,Scattering Process in LDVfrom Retinal VesselsJ, Appl.Opt.28,1989,107810839崔宇志，无线电的应用M.电子工业出版社，198010张鹏，微信号的测量技术与应用M.山西：山西教育出版社，198711周炳琨，陈家骅，高以智，激光原理M.北京：国防工业出版社，200912 B.L.Petrig， R.D.Shonat，Scattering Process in LDV from Retinal Vessels,ApplJ. 198913洪听，远距离固体散射体面内位移激光多普勒测量技术的研究D.天津:天津大学，1999The Analysis Studies of Laser Doppler VibrationAbstract: In this paper,the laser Doppler vibration measurement technology was systematically analyzed and partially calculated in theory.I studied all kinds of vibration measurement schemes ,compared systematically among them and made some analysis and researches about them,especially in differential vibration measurement ,which the tested the principle of laser Doppler vibration measurement .I also did some studies about differential laser Doppler vibration measurement system and made some analysis about the optimization of the optical system which effectively improve the sensitivity of the signal-to-noise ratio（SNR）and signal detection.Besides,I theoretically analyzed signal processing system and did some researches about how to decrease system error.Keywords: vibration measurement; frequency shift; laser Doppler effect; signal detection分享到 翻译结果重试抱歉，系统响应超时，请稍后再试 支持中英、中日在线互译 支持网页翻译，在输入框输入网页地址即可 提供一键清空、复制功能、支持双语对照查看，使您体验更加流畅