4.3.2速度检测技术 多普勒测速 ·当光源和反射体或散射体之间存在相对运动 时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差 别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者 多普勒于1842年发现的。 ·当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该 点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相 比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移， 称为多普勒频移
多普勒测速 4.3.2 速度检测技术 • 当光源和反射体或散射体之间存在相对运动 时，接收到的声波频率与入射声波频率存在差 别的现象称为光学多普勒效应，是奥地利学者 多普勒于1842年发现的。 • 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该 点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相 比，产生了正比于物体运动速度的频率偏移， 称为多普勒频移
多普勒效应原理 P 光电接收器 K 激光器
多普勒效应原理 激光器 激光器 ki P 光电接收器 光电接收器 k s v
光电接收器 P静止时，入射光频率为： 激光器 f。=c/,c为光速，2为入射光波波长。 K表示平行于入射光波矢量的单位矢量； K表示平行于散射光波矢量的单位矢量 (Apparent frequency) 若P点以速度节·k,远离光源，对P点来说入射光的视在频率： p=(c-.k:)/,c-.入射波相对于P点的速度 对光电探测器来说，散射光视在波长、频率分别为： 2-e-)5,t C c(c-v.k:) (c-v.kg) C-寸.k散射波相对于P点的速度
i P c P P λ λ λ , 0 i f = c /λ s sp s f =(c - v k )/λ c - v k p ii i c(c - v f = s c =(c-v k )/f , × ⋅ ⋅ ⋅ = JJG JJG G G G G G G G G G i s i 静止时，入射光频率为： 为光速， 为入射光波波长。 表示平行于入射光波矢量的单位矢量； 表示平行于散射光波矢量的单位矢量 若 点以速度v k 远离光源，对P点来说入射光的视在频率： 入射波相对于 点的速度 对光电探测器来说，散射光视在波长、频率分 K 别为： K ， P s k )i λ(c - v k ) i s c-v k ⋅ ⋅ ⋅ G G G G G 散射波相对于 点的速度 ， 激光器 激光器 ki P ks 光电接收器 光电接收器 v (Apparent frequency)
k P Ks 光电接收器 激光器 则散射光和原始北之间的频移为：。Y 由于y<c,则 (ks-k:)_v(cos 0+cos 02) 其中： 0为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角； ,为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角
v c θ θ1 , : 1 2 i c-v k f = f -f = ( -1) c i d s 0 λ c-v k i s v (k -k ) f = s i d λ i v(cosθ +cosθ ) = λ ⋅ ⋅ ⋅ G G G G G G G 2 则散射光和原始光之间的频移为： 由于 则 其中 为物体至光源方向与物体运动方向间的夹角; 为物体至观察者方向与物体运动方向间的夹角 θ 1 激光器 θ 2 激光器 ki P 光电接收器 光电接收器 k s v
后向散射型多普勒测速原理 从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束 的光电检测器位于被测物体后面，即与光源在同 一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体，并 在P,点散射，散射光由光电检测器R接收。根据多 普勒效应检测多普勒频移，如果入射光与散射光 的夹角为日，则多普勒频移为： 0,=90°，8，=90-0 f,=vsina/元 f=fovsine/c R v=cfal(fo sine)
后向散射型多普勒测速原理 从入射光束方向看，后向散射是指接收散射光束 的光电检测器位于被测物体后面，即与光源在同 一侧。激光器S发出光束垂直人射到运动体，并 在P点散射，散射光由光电检测器R接收。根据多 普勒效应检测多普勒频移，如果入射光与散射光 的夹角为 θ，则多普勒频移为： 0 1 2 0 0 90 , 90 sin / sin / /( sin ) d i d d f v f f v c v cf f θ θ θ θ λ θ θ = − = = = ＝ S R θ θ 2 v P
后向散射型多普勒测速原理 -差分多普勒测速原理 反射镜 透镜 P点散射 激光器 分光镜 Aofa 运动体 2sin(o/2) 透镜 ∫散射光频率差 光电管
后向散射型多普勒测速原理 --差分多普勒测速原理 φ )2/sin(2 0 ϕ λ df v = fd散射光频率差
若光电管接收元件采用平方律检测器，则光电信号正比于场强的 平方。 设f,和f,的场强为e1和e2,且e1=E1cos2Tf1t,e2=E2c0s2Tf2t 光电管输出的光电流正比于(e+e2)2,则有 i()∝(ete2)2≈(ei)2+(ez)2+E,E2cos2π(+f2)t +E1E2c0s2T(f一)t 频率太高 可利用有限带宽的中频放大器将中频分量E1E2c0s2π（任，一￡）送到 信号处理设备中，获得与相关的信号。并经计算就可显示出被测 运动体的运动速度
若光电管接收元件采用平方律检测器，则光电信号正比于场强的 平方。 设 f1 和 f2的场强为 e 1 和 e 2 ,且 e1 = E1 cos2 π f1 t , e2 = E2 cos2 π f2 t 光电管输出的光电流 i正比于(e 1+e 2 ) 2，则有 i(t) ∝ (e 1+e 2 )2 ≈ (e 1 ) 2 + (e 2 )2 + E1 E2 cos2 π(f1+f2 )t + E1 E2 cos2 π(f1 － f2 )t 频率太高 可利用有限带宽的中频放大器将中频分量 E1 E2 cos2 π(f1 － f2 )t送到 信号处理设备中，获得与 fd相关的信号。并经计算就可显示出被测 运动体的运动速度
多普勒效应的另一种解释 辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变 化 在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频 率变得较高（蓝移(blue shift))。在运动的波源 后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得 较低（红移(red shift) 波源的速度越高，所产生的效应越大 根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观 测方向运动的速度 ·所有波动现象（包括光波）都存在多普勒效应
多普勒效应的另一种解释 • 辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变 化 • 在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频 率变得较高 (蓝移 (blue shift))。在运动的波源 后面，产生相反的效应。波长变得较长，频率变得 较低 (红移 (red shift)) • 波源的速度越高，所产生的效应越大 • 根据光波红 /蓝移的程度，可以计算出波源循着观 测方向运动的速度 • 所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应
利用多普勒效应制成的仪器有激光多普 勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精 度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空 间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于 流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学 中血液循环监测、医学诊断等。 非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成 的测量误差
利用多普勒效应制成的仪器有激光多普 勒测量仪、超声多普勒测量仪等，具有精 度高、非接触、不扰乱流场、响应快、空 间分辨率高、使用方便的特点，广泛用于 流速测量、工业中钢板、铝材测量、医学 中血液循环监测、医学诊断等。 非接触测量可以克服由于机械磨损和打滑造成 的测量误差