相干光电检测系统.ppt

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1、光电传感与检测技术,第五章 相干检测方法与系统,按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光电检测系统分为非相干检测系统和相干检测系统。,第五章 相干检测方法与系统,非相干检测系统 被测量被携带于光载波的强度之中或加载于调制光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样的系统称为非相干检测系统。,相干检测系统 被测信息加载于光载波（只能是相干光源）的振幅、频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。,第 五 章 相干检测方法与系统,主要内容：一 相干检测的基本原理 1 光学干涉和干涉测量 2 干涉测量技术中的调制与解调 二 基本干涉系统及应用 1 典型的双光束干涉系统 2 多光束干涉系统 3 光

2、纤干涉仪 三 同频相干信号的相位调制与检测方法 1 相位调制与检测原理 2 同频相干信号的检测方法 四 光外差检测方法与系统 1 光外差检测原理 2 光外差检测特性 3 光外差检测条件 五 光电直接检测系统举例 1 干涉测量技术 2 光外差通信 3 多普勒测速,相干检测就是利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理，它只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现。所以从理论上讲，相干检测能准确检测到光波振幅、频率和相位所携带的信息。但由于光波的频率很高，迄今为止的任何光电探测器都还不能直接感受光波本身的振幅、相位、频率及偏振的变化，而只能探测光的强度（注）。因此，光的这些特征参量最终都须转换

3、为光强的变化进行探测。而这种转换就必须通过干涉测量技术。,一 相干检测的基本原理,根据产生干涉的光束间频率关系可分为：,同频干涉,外差干涉,1 光学干涉和干涉测量,光学测量中，常需要利用相干光作为信息变换的载体，将被测信息加载到光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变换。光干涉是指可能相干的两束或多束光波相叠加，它们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布或随时间变化的形式检测出来。,以双光束干涉为例，设两相干平面波的振动E1(x,y)和E2(x,y)分别为：,两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布I(x

4、,y)可表示为：,式中，是条纹光强的直流分量；是条纹的对比度；是光频差；是相位差。,当两束频率相同的光（即单频光）相干时，有，即，此时，干涉条纹不随时间变化，呈稳定的空间分布。随着相位差的变化，干涉 条纹强度的变化表现为有偏置的正弦分布。可以看出，干涉条纹的强度信息和被测量的相关参数相对应，对干涉条纹进行计数或对条纹形状进行分析处理，可以得到相应的被测信息。,当两束光的频率不同，干涉条纹将以 的角频率随时 间波动，形成光学拍频信号，也叫外差干涉信号。如果两 束光的频率相差较大，超过光电检测器件的频响范围，将 观察不到干涉条纹。在两束光的频率相差不大(较小)的情况下，采用光电检测器件可以探测到干

5、涉条纹信号，并且可以通过电信号处理直接测量拍频信号的频差及相位 等参数，从而能以极高的灵敏度测量出相干光束本本身的 特征参量，形成外差检测技术。,实际上，干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率n对光的传播距离ds的线积分，即对于均匀介质，上式可简化为：对上式中的变量L和n作全微分可得到相位变化量,2 干涉测量技术中的调制和解调,一般干涉测量系统主要由光源、干涉系统、干涉信号接收系统和信号处理系统组成。从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是被测信息对光载波调制和解调的过程。各种类型的干涉仪或干涉装置是光频载波的调制器和解调器。根据光调制器所调制的光载波的特征参量不

6、同，调制技术可以分为振幅调制、频率调制、相位调制和偏振调制。,二 基本干涉系统及应用,能形成干涉现象的装置是干涉仪，它的主要作用是，将光束分成两个沿不同路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产生光程差后，再与另一路参考光重新合成为一束光，以便观察干涉现象。,1、典型的双光束干涉系统,2、多光束干涉系统,各透射光波叠加干涉后的干涉强度分布为,当平行反射面镀以高反射膜层，即 时，可见，当 时，光强 I 几乎为0；而当满足 条件时，I 达到极大值。因此，多光束干涉的光强分布是由宽的暗带相间的明亮细条纹。,3、光纤干涉仪,光纤迈克尔逊干涉仪,光纤马赫-曾德干涉仪,光纤萨格纳克干涉仪,光纤杨氏干涉仪,

7、光纤多光束F-P干涉仪,三 同频率相干信号的相位调制与检测方法,当两束相干光束的频率相同时，若被测量变化使相干光波的相位发生变化，再通过干涉作用把光波相位的变化变换为振幅的变化，这个过程称为单频光波的相位调制。,1 相位调制与检测的原理,干涉条纹的强度取决于相干光的相位差，而相位差又取决于光传输介质的折射率 n 对光的传播距离ds 的线积分，即,光波传输介质折射率和光程长度的变化都将导致相干光相位的变化，从而引起干涉条纹强度的改变。干涉测量中就是利用这一特性改变光载波的特征参量，以形成各种光学信息的。,几何距离、位移、角度、速度、温度引起的热膨胀导致传播距离改变；介质成分、密度、环境温度、气压

8、以及介质周围电场、磁场引起折射率变化。,相位调制通常是利用不同形式的干涉仪，借助机械的、光学的、电子学的变换器件，将被测量的变化转换为光路长度和折射率的变化，用于检测几何和机械运动参量，分析物质的理化特性。,2 干涉条纹的检测方法,在相位调制检测系统中，被测参量一般是通过改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，由干涉仪解调出来的信息是一幅干涉图样，它以干涉条纹的变化反映被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。干涉条纹的形状、间隔、颜色及位置的变化，均与光程的变化有关，因此根据干涉条纹上述诸因素的变化可以进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、

9、光学系统象差、光学材料内部缺陷等各种与光程有确定关系的几何量和物理量的测量。因此，如何检测干涉条纹就变得十分有意义。干涉条纹检测实际是检测干涉条纹的光强度分布或其随时间的变化。基本的条纹检测法包括条纹光强检测法、条纹比较法和条纹跟踪法。,干涉条纹光强检测法,在干涉场中确定的位置上用光电元件直接检测干涉条纹的光强变化称为干涉条纹光强检测法。下图给出了一维干涉测长的实例。为了获得最佳的光电信号，要求有最大的交变信号幅值和信噪比，这需要光学装置和光电检测器确保最佳工作条件，尽可能地提高两束光的相干度和光电转换的混频效率。,单频光相干时，合成信号的瞬时光强为：,可见，变化，随之做周期变化。当变化时，变

10、化一个周期。若对的变化进行计数，根据移动方向进行加减运算，就可以测量出动镜的移动距离。,干涉条纹比较法,如果采用两束不同频率的相干光源，各自独立地组成干涉光路，使其中一束光频为已知，另一束是未知的，则对应共用测量反射镜的同一位移，两束光各自形成干涉条纹。经光电检检测后形成两组独立的电信号，通过电信号频率的比较可以计算出未知光波的波长。这种对应同一位移，比较不同波长的两个光束干涉条纹的变化差异的方法称作干涉条纹比较法。从这种原理出发，设计出了许多精确测量波长的波长计。,条纹比较法波长测量原理图1半透半反镜 2，3圆锥角反射镜,两个锁相振荡器分别与 Dr 和 Dx 输出的光电信号Ur和Ux同步，产

11、生与r和x的干涉条纹同频的整形脉冲信号。其中，与r 对应的脉冲信号经M倍频器进行频率倍频，而与x 对应的信号则进行N倍分频。利用脉冲开关，由N分频信号控制M倍频信号进行脉冲计数，最后由显示器输出。被测波长的计数按下式进行：其中，B为脉冲计数器的计数值，n/n 是折射率的相对变化。,干涉条纹跟踪法,干涉条纹跟踪法是一种平衡测量法。在干涉仪测量镜位置变化时，通过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得到测量镜的位移。,如下图所示，表示了利用这种原理（干涉条纹跟踪法）测量微小位移的干涉测量装置

12、。这种方法能避免干涉测量的非线性影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是跟踪系统的固有惯性限制了测量的快速性，因此只能测量10kHz以下的位移变化。,条纹跟踪法干涉系统示意图,第 五 章 相干检测方法与系统,主要内容：一 相干检测的基本原理 1光学干涉和干涉测量 2 干涉测量技术中的调制与解调二 基本干涉系统及应用 1 典型的双光束干涉系统 2 多光束干涉系统 3光纤干涉仪 三 同频相干信号的相位调制与检测方法 1 相位调制与检测原理 2 同频相干信号的检测方法 四 光外差检测方法与系统 1 光外差检测原理 2 光外差检测特性 3 光外差检测条件 五 光电直接检测系统举例 1 干涉测量技术 2

13、 光外差通信 3 多普勒测速,四、光外差检测方法与系统,相干检测的主要方式是外差检测。光外差检测在激光通信、雷达（测距、测速、测长）、外差光谱学、测振、激光陀螺及红外物理等许多方面有着广泛应用。光外差检测与直接检测相比，有检测距离远、检测灵敏度高7-8个数量级、测量精度高等特点，但光外差检测对光源的相干性要求高，因此受大气湍流效应的影响，目前远距离外差检测在大气中应用受到限制，但在外层空间，特别是卫星之间，通信联系已经达到实用阶段。,1、光外差检测原理,光外差检测是利用两束频率不相同的相干光，在满足波前匹配条件下，在光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频率为两光波频差的拍频信号，该信号包含

14、有调制信号的振幅、频率和相位特征。从理论上讲，外差检测能准确检测到这些参量所携带的信息，比直接检测具有更大的信息容量和更低的检测极限。,两束平行的相干光在光电探测器表面形成相干光场，经光电检测器后能输出频率为L-s 的差频信号。,设信号光、本振光电场分别为：,在光电检测器光敏面上总的光电场为：,在混频器上的平均光功率为：,则光电探测器输出的光电流为：,其中，,为光电变换比例常数。,光电探测器输出的光电流为：,第一、二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2；第三项是和频项，因为它的频率太高而不能被光电探测器响应，平均值为零；第四项是差频项，它相对于光频来说要缓慢得多，当差频低于探测器的截止

15、频率时，才能被响应，则可得到通过以为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：,此即为光学外差信号表达式。,可见，外差信号的参量可以表征信号光波的特征参量。即外差信号能以时序电信号的形式反映干涉场上各点处信号光波的波动性质。即使信号光的参量受到被测信息调制，外差信号也能无畸变的精确复制这些信号。,则，在中频滤波器输出端，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：,当L=S时，瞬时中频电流为：,当L=S时，瞬时中频电流为：,这是外差检测的特殊形式，称为零差检测。,结论：差频信号是由具有恒定频率和恒定相位的相干光混频得到的，如果频率、相位不恒定，无法得到确定的差频

16、光。因此，激光是光外差检测技术发展的前提基础。,2、光外差检测特性,检测能力强，可获得全部信息,光外差检测可获得有关光信号的全部信息，是一种全息检测技术。其输出电流中包含有信号光的振幅、频率和相位的全部信息，也就是说，不仅振幅调制，而且频率调制以及相位调制的光波所携带的信息，通过光频外差检测方式均可实现解调。,结论1：光外差检测可获得有关光信号的全部信息！,光外差检测转换增益高,(a)外差探测中，中频输出有效信号功率为：,(b)直接探测中，探测器输出的电功率为:,从物理过程的观点看，直接探测是光功率包络变换的检波过程，而光频外差检测的光电转换过程不是检波，而是一种转换过程，即把以 为载频的光频

17、信息转换到以 为载频的中频电流上。,同样光功率下，两种方法所得信号光功率比为:,结论2：光外差检测具有天然的检测微弱信号的能力！,良好的滤波性能,在光外差检测中，取差频宽度作为信号处理器的通频带f，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V=15m/s，对于10.6um CO2激光信号，多普勒频率fS为：,通频带f1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，即通频带为：,上述两种情况的带宽之比为：,为了形成外差信号，要求信号光与本振光空间方向严格对准，

18、而背景光入射方向是杂乱的，偏振方向不确定，不能满足空间调准要求，不能形成有效的外差信号，因此，外差检测能够滤除背景光，有较强的空间滤波能力。,结论3：外差检测对背景光有强抑制作用，具有良好的滤波性能！,信噪比损失小,当不考虑检测器本身噪声影响，只考虑输入背景噪声的情况下，设信号光波为ES(t)，背景光波为EB(t)，根据前面讨论的瞬时中频电流表达式：可得到检测器的输出电流为：外差检测器的输出信噪比为:,结论4：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！,最小可检测功率,内部增益为M的光外差检测器输出有效信号功率为：,外差检测系统遇到的噪声与直接检测系统遇到的噪声基本相同，其中，

19、外界输入检测器的噪声及检测器本身的噪声通常都比较小，可消除。但检测系统中的散粒噪声和热噪声是影响最大，难以消除的。外差检测输出的散粒噪声和热噪声表示为：,M是检测器的内增益，对于光导检测器M=1-1000；对于光伏检测器M=1；对于光电倍增管M=106以上。,PB为背景辐射功率，Id为检测器的暗电流，f为外差检测的中频带宽。,可见：外差检测系统中的噪声分别为由信号光、本振光和背景辐射所引起的散粒噪声，由检测器暗电流所引起的散粒噪声以及由检测器和电路产生的热噪声。,因此，功率信噪比为：,当本征功率PL足够大时，本征散粒噪声远超过所有其它噪声，则上式变为：,这就是光外差检测系统中所能达到的最大信噪

20、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。,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。,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：,即时的信号光功率:,(b)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，实际中是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。结论5：检

21、测灵敏度高是光外差检测的突出优点。,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个光敏面上都是一致。特别是用于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。

22、,第 五 章 相干检测方法与系统,主要内容：一 相干检测的基本原理 1光学干涉和干涉测量 2 干涉测量技术中的调制与解调二 基本干涉系统及应用 1 典型的双光束干涉系统 2 多光束干涉系统 3光纤干涉仪 三 同频相干信号的相位调制与检测方法 1 相位调制与检测原理 2 同频相干信号的检测方法 四 光外差检测方法与系统 1 光外差检测原理 2 光外差检测特性 3 光外差检测条件 五 光电直接检测系统举例 1 干涉测量技术 2 光外差通信 3 多普勒测速,3、光外差检测条件,光外差检测只有在下列条件下才可能得到满足：信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这意味着所 用激光器应该单频基模运转。信

23、号光束和本振光束在光混频面上光斑必须相互重合，为了 提供最大信噪比，它们的光斑直径最好相等，因为不重合的 部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间上的角准直。在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必 须曲率匹配，即或者是平面，或者有相同曲率的曲面。在上述条件都得到满足时，有效的光混频还要求两光波必须 同偏振，因为在光混频面上它们是矢量相加。,光外差检测的空间条件,普遍情况下，由于信号光与本振光波前有一失配角，故信号光斜入射到光探测器表面，同一波前到达探测器光敏面的时间不同，可等效于在x方向以速度Vx 行进，所以

24、在光探测器光敏面不同点处形成波前相差，故可将信号光电场写为：,式中，是信号光波矢在x方向的分量。由上图可知，所以有,式中c为光速。于是信号光电场可重写为：,入射到光电探测器光敏面的总电场为：,光探测器输出的瞬时光电流为：,于是经中频滤波器后输出的瞬时中频电流为：,因为Vx=c/sin,所以瞬时中频电流的大小与失配角有关。因子时，瞬时中频电流达到最大值，即要求，也就是失配角0。但是实际中角很难调整到零。为了得到尽可能大的中频输出，总是希望因子 尽可能接近于1，要满足这一条件，只有，因此,对上式积分得到：,显然，失配角与信号光波波长成正比，与光混频器的尺寸成反比，即波长越长，光电探测器尺寸越小，则

25、所容许的失配角就越大。由此可见，光外差探测的空间准直要求十分苛刻。波长越短，空间准直要求也越苛刻。所以在红外波段光外差探测比可见光波段有利得多。外差检测在空间上能很好的抑制背景噪声，具有很好的空间滤波性能，但外差检测要求严格的空间条件也带来了不便，即调准两个光束很困难。举例:L=10.6m，检测器光敏面0.2cm，求多大？,可见：要形成强的差频信号，对信号光束和本振光束的空间准直要求很严格。如此以来，使得背景光噪声被滤掉。外差探测具有很好的空间滤波性能。同时，也增加了系统测量的难度。解决办法：采用聚焦透镜降低空间准直要求。（本质上是把不同传播方向的信号光集中在一起）,本质上相当于把不同传播方向

26、的信号光束集中在一起。失配角可由系统的视场角r 来决定。图中，本振光束被发散，以便使本振光束均匀的覆盖光检测器的光敏面。系统的视场角r 为：,f是透镜的焦距，Dp 是探测器光敏面直径,故,解得：,而有效孔径Deff为：,可通过增大透镜孔径Dr来增大有效孔径Deff，但 透镜孔径Dr与衍射光斑直径Dd有关，衍射光斑直径为：,举例:L=10.6m，检测器光敏面 Dp=0.2cm，所采用会聚透镜的通光孔径Dr=10cm，f=50cm，求r 多大？,光外差检测的频率条件,光外差检测除了要求信号光和本振光必须保持空间准直以外，还要求两者具有高度的单色性和频率稳定度。所谓光的单色性是指这种光只包含一种频率

27、或光谱线极窄的光。由于原子激发态总有一定的能级宽度及其它原因，光谱线总有一定的宽度。信号光和本振光的频率漂移如不能限制在一定范围内，则光外差检测系统的性能就会变坏。因为，如果信号光频率和本振光频率相对漂移很大，两者频率之差就有可能大大超过中频带宽，导致光探测器之后的前置放大、中频放大电路对中频信号不能正常放大。所以，需要采取专门措施稳定信号光和本振光的频率和相位。,F-P腔稳频、锁模稳频、饱和吸收稳频等,大气湍流对外差探测的影响,大气湍流是一种随机现象，既反映在空间变量上，又反映在时间变量上。表现为空间各点的光波相位随机变化，因而使相干面积大大减小，破坏空间相位条件，使外差接收功率降低，信噪比

28、下降。,五 光电直接检测系统举例,1 干涉测量技术,应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术。干涉测量系统主要由光源、干涉系统、信号接收系统和信号处理系统组成。根据测量对象和测量要求的不同而各有不同的组合，并由此形成了各种结构形式的干涉仪。优点：测量精度高（以波长为单位）。,干涉测量基本原理：改变干涉仪中传输光的光程而引起对光的相位调制，从而表现为对光强的调制。测量干涉条纹的变化即可得到被测参量的信息。干涉条纹是由干涉场上光程差相同的场点的轨迹形成。可进行长度、角度、平面度、折射率、气体或液体含量、光学元件面形、光学系统像差、光学材料内部缺陷等几何量和物理量的测量。,激光干涉测长的基本原

29、理,系统组成：(a)激光光源He-Ne气体激光器，频宽达103Hz，相干长度可达300km(b)干涉系统迈克尔逊干涉原理，位移-测量臂；(c)光电显微镜给出起始位置，实现对被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。(d)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。,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：,激光干涉测长的光路设置,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

30、阑 13.光电探测器 14.透镜 15.光阑 16.光电探测器,干涉光路的设置：,干涉信号的方向判别与计数,误差原因：外界干扰因素的影响，使测量镜在正向移动过程中产生一些偶然的反向移动。单纯计数，测量结果是正反移动的总和。解决方法：判别计数。当测量镜正向移动时所产生的脉冲为加脉冲；反之为减脉冲。,在干涉系统中通过移相方法，得到两路相互差/2的干涉条纹光强信号，这两路干涉信号经过两个光电探测器接收后，得到与干涉信号相对应的两路相差/2的电信号：正弦信号和余弦信号。这两路信号经放大、整形、倒相变成四路方波信号，再经过微分电路，得到四个相位依次相差/2的脉冲。将脉冲按测量镜的正向移动时相位的排列次序

31、为1、3、2、4，反向位移时相位的排列次序为1、4、2、3，在后面的脉冲电路上根据脉冲1后面是3或是4可判别是正向脉冲还是反向脉冲，实现判向目的。,判向计数：,正向移动：,正向：1324同理可得反向：1423,位移长度为：,2 光外差通信,光外差通信基本上都是采用CO2激光器做光源，因为其发射波长10.6m处于大气窗口之内。由光发射系统及接收系统两大部分组成。,稳频原理：发射波长偏离标准波长，输出光通量发生变化，经滤光片3，探测器4转换为电信号，输出电压变化，谐放后送至自动频率跟踪放大器，压电陶瓷使腔长伸缩，改变发射频率。,发射系统：CO2 激光器、稳频回路、光学发射天线,滤光片的滤光曲线,接

32、收系统:,为得到稳定差频信号，避免被传输信息失真度增大，本振也需要稳频。原理：稳频控制信号取自视频信号，鉴频器17输出信号，经频率跟踪滤波器18滤波放大后，控制压电陶瓷，改变谐振腔腔长，使激光频率稳定。,3 多普勒测速,多普勒测速原理,He-Ne激光器是经稳频后的单模激光，焦点处光强分布为高斯分布。,激光测速的原理是：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

33、的仪器。,条纹模型,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:,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：,如果粒子运动方向与干涉场垂直时，？,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

34、络的幅度不包括速度信息，反映速度信息的是包络的频率。,一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度小很多时,一个粒子流过，且粒子直径比干涉条纹宽度大时,一个粒子的随机信号,10个粒子的随机信号,速度信号的获取,两种测流速方法：一频谱分析法、频率跟踪法。,(a)频谱分析法：,光电倍增管输出信号经滤波后为：,本地振荡器产生的振荡信号为：,外差振荡信号：,差频信号分量为：,将此差频信号放入中频放大器。中频放大器的中心频率为f0，带宽很窄，当差频信号的频率fL-fS=f0时，中频放大器有较大的差频信号输出，其它频率受到扫描电压发生器控制。扫描电压由低到高变化时，压控振荡器的频率从低到高变化，其变化与外加电压

35、呈线性关系。当扫描电压为适当频率时，使fL-fs=f0，中频放大器输出一个较大的信号，此信号经过检波平滑后可由X-Y记录仪画出频率分析的结果。由于f0已知，fL可由扫描曲线得到，因而可计算得到fS，再由 得到速度v。,由于中频放大器的带宽很窄，放大器的响应时间=1/f 较长，因而信号的变化必须很缓慢，即只能测量出多粒子的平均速度，无法得到瞬时速度。,(b)频率跟踪法：,混频器-差频-中频放大-鉴频器-误差电压-压控振荡器改变fL,外差信号VLL的差频频率f0经过中频放大器放大，输出信号到频率鉴别器。鉴频器输出特性如下图，信号频率偏离f0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，用于生物、血管中血流速测量。,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,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,