激光多普勒测速

激光多普勒测速系统可以对各种液体速度进行非接触式测量。在扰动液体、火焰温度场和生物血流研究等方面获得了广泛应用。激光多普勒测速系统是一种精密的光电系统，它使用了多种光电信息处理技术，所以拟定、设计、测试这一实验能够综合训练学生实验动手能力和解决问题能力。

一、实验目的

(1) 了解激光多普勒测速工作原理。

(2) 培养学生光电系统综合实验动手能力。

二、主要实验仪器

流体，光源和光学系统，光电探测器，信号处理电路等。

三、实验原理

1． 流体

进行激光多普勒测速是通过实时测量流体中微粒散射光而获得信号的。从散射理论得知:当微粒直径远小于光波长时，其散射规律遵守瑞利散射规律。微粒尺寸较小时，它的速度才代表流体速度，否则将会小于流速。一般微粒直径应小于10μm。但是当微粒直径较大时，更容易获得较强的信号。散射光除了与入射光强、微粒尺寸、观察角度有关外，还与流体介质折射率有关。一般说来，微粒直径较大时更容易获得较强的信号，而且同时在前向容易得到较强信号。

一般流体中都有某些污染，含有大气中的尘埃、颗粒等，可以直接测量这些微粒的散射光而获得流体的速度信息。实验中就是直接测量水泵泵出的水在水管中的微粒散射光，从而获得水流速度。

2． 光源和光学系统

光源多采用各种连续气体激光器，因为它高亮度，单色性好，适合于形成高亮度干涉场。常用的有氦－氖激光器、氩离子激光器和氪离子激光器等。实验中采用功率约为1m W基横模氦－氖激光器。

由于光频率较高，散射光微小的多普勒频移不能直接被光电探测器测得，需要采用光外差探测法。由于微粒散射光很弱，空间配准极高时，才能获得高信噪比的信号，所以，外差法要求信号光与参考光几乎是平行的。为避免外差光路调试上的困难，通常采用双光束差动多普勒测速光路。

对实验室里的空气、自来水等流速测量，经常遇到低粒子深度的情况，此时，用双光速测速最适宜工作。双光速差动多普勒测速光路有多种形式，图21－1中通过半反射半透射镜M1及全反射镜M2把一束激光分成两束强度基本相同的光，然后通过透镜L1使这两束沿不同方向传播的基横模高斯光束在各自的束腰处重合，得到平行干涉条纹组成的干涉场。会聚透镜把流体中微粒前向散射光聚于光电探测器上，透镜前小孔控制测量体积并屏蔽杂散光。

图21－1 双光束差动多普勒测速光路图

3． 光电探测器

在激光多普勒测速系统中光电探测器常用的是光电倍增管、光电雪崩管和光电二极管等。光电倍增管有高增益、响应速度快等优点，在可见光范围内有多种类型可选。光源光功率较低时，多普勒信号频率在100MHz以下，用光电倍增管是适合的。当多普勒信号频率高于100MHz时，采用光电雪崩管响应较好。在光源功率较大时，采用光电二极管也能得到较高的信噪比。实验中采用PIN－FET混合集成光电探测器，它是把PIN管与一个以FET为前端的宽带低噪声放大器混合集成的光电接收组件，具有响应速度快、响应度高、使用简单、工作可靠等特点。

4． 信号处理电路

信号处理电路的任务是要从光电探测器输出的光电信号中检测出多普勒频率。为此，首先要明确光电探测器输出信号的特点。对双光束型激光多普勒测速作理论分析，得到单个粒子在垂直于测控区条纹方向穿过时，由光电探测器接收到的散射光强度为:

其中，K是常数，A1、A2为两束入射光的中心振幅，u是流速，2φ为两束光之间的夹角，W为激光束半径，ΔνD为多普勒频移。上式中前两项为强度变化的低频分量，称为基频，实验中可通过滤波消除一些。第三项是一个被调幅的多普勒信号，其包络的形成主要是激光光束强度按高斯分布引起的。足够小的粒子穿过两束等强度的光相交形成的条纹区的中心时，有理想的信号，如图21－2(a) 所示，有最大的调制深度。当相干光束强度不相等，或粒子与条纹间距相比不够小，使粒子跨越条纹图形的明暗带时，光的强度被平均了，将产生不理想的信号，如图21－2(b) 所示;当粒子路径偏离中心时，可能产生如图21－2(c) 所示的信号。

图21－2 粒子穿过光束相交区时产生的典型信号

多个散射粒子的散射光信号叠加后可得到连续信号，滤去低频分量后可得到连续的交流信号。由于多个粒子的先后次序差别以及速度微小差异，使光电探测器输出信号成为振幅、频率都被调制了的信号。加上微粒到达的随时性，信号有时还有间断。实验中，我们采用频率跟踪法对水管中水的流速进行实时测量，其信号处理方框图如图21－3所示。光电探测器输出的电信号首先经过放大、滤波电路，然后由LM565锁相环跟踪，LM565输出的频率信号即是多普勒频移信号，然后经频率电压转换电路输出电压信号，最后由液晶显示。通过调整F－V转换系数及液晶驱动电路的比较电平，可使液晶直接显示水流速度，完成实时测量、实时显示的功能。

图21－3 激光多普勒频率跟踪仪原理图

四、实验内容

对由水泵泵出的水在水管中形成的水流进行激光多普勒测速。

(1) 取几滴被测流体于测量显微镜下，观察并测量水中微粒的尺寸大小。

(2) 布置双光束差动多普勒测速光路。为了使测量系统的频率变化范围落入频率跟踪仪快捕带中，选用聚焦透镜L1焦距为150mm，聚焦透镜与水管中心的距离约为175mm，打在透镜L1上的两光点距离为12mm。测量两束光之间的夹角，估算出每厘米长度中的干涉条纹个数。

(3) 用显微镜观测干涉条纹。记录干涉条纹形状和单位长度上的干涉条纹数目。

(4) 被测流体由水泵抽运流动，被测量部分的流体通过一节透明玻璃管，把玻璃管架在光路中，确认水流方向垂直干涉条纹。并确保光电探测器放在收集透镜L2后面且与被测流体的某点共轭，由收集透镜前面的小孔限制测量体积。然后接通光电探测器电源，由示波器观测和记录光电探测器的输出波形。当水泵电压为140V时，测量多普勒信号频率，并填写表21－1。此时若挡住双束光中任意一路光，观察光电探测器输出信号波形，并解释形成原因。然后改变水泵驱动电压，用示波器观察双光路多普勒测速系统中的光电探测器输出的多普勒信号频率随水流速度改变的情况。测试实验数据并完成表21－1。

表21-1 示波器观测结果记录

(5) 把光电探测器输出信号接入频率跟踪仪输入端，改变水泵驱动电压，读出对应的流速，并填入表21－2中。

五、思考题

(1) 激光多普勒测速的特点是什么?

(2) 如何获得高信噪比的多普勒频移信号?