激光多普勒测速技术
王素红
多普勒效应
多普勒效应是由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象。由澳大利亚物理学家J. Doppler1842年发现的。 声波的多普勒效应
在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高变低。为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低。这种现象称为多普勒效应。为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好像波被压缩了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被拉伸了。 光波的多普勒效应
当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。它又被称为多普勒-斐索效应，是因为法国物理学家斐索（1819—1896）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜的变化。如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。 20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度υ与距地球的距离r成正比，即υ = Hr, H 为哈勃常数。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小。由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物. 因而1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”。
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启动和市场的拉动。2002年由国家发改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程，
均采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源。太阳能光伏发电是即廉价又清洁的能源选择。在可再生能源中，太阳能取之不尽，清洁安全，是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光电发电的发展潜力巨大。此外，目前太阳能光电发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展的可再生能源技术之一。截止2004年，太阳能光电发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施（如照明）、家庭生活用电等。尤其是在边远地区，太阳能光电发电更加显示它的优势。我国目前尚有约30000个村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60%的有电县严重缺电，光电市场潜力巨大。专家预测，在今后的十几年中，太阳能电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳能电池多数是用于独立光电发电系统，从2011年到2020年，中国光电发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。
八、结语
开发和利用太阳能是具有远大前景的。推广太阳能光电技术在照明中的应用是一个新的课题。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，太阳能光电技术的效率、性价比将得到迅速提高，它在各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动我国“绿照明工程”的快速发展。
（长春工业大学基础科学学院 130012）
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现代物理知识
多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。1868年，英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了46 km/s 的速度值。
激光多普勒测速原理
激光测速的原理大致是这样：激光束射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的频率改变了，通过光电装置测出频率的变化，就测得了粒子的速度，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。
设一束散射光与另一束参考光（或两束均为散 射光，但散射方向不同）的频率分别为12,s s f f ，它 们到达光探测器阴极表面的电场强度分别为：
美乳レフリーに反则技1210112022cos (2)
cos (2)
s s E E f t E E f t ϕϕ=π+=π+
式中，0102,E E 分别为两束光在光阴极表面处的振幅；12,ϕϕ分别为两束光的初始相位。两束光在光阴极表面混频，其合成的电场强度为：
121201102
2cos (2)
cos (2)s s E E E E f t E f t ϕϕ=+=π++π+
光强度与光的电场强度的平方成正比：
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22
12010201021()()()气浮垫
2
cos[2
()]s s I t k E E k E E kE E f f t ϕ=+=++π−+ 式中，k 为常数，ϕ 为两束光初始相位差，12ϕϕϕ=−，如两束光相干，则ϕ 为常数。其中，第一项是直流分量，可用电容器隔去，第二项是交流分量，其中（12s s f f −）正是我们希望得到的多普勒频移。多普勒频移与物体运动速度V 的关系为：
12[cos (,)cos (,)]s s i i V
f f λ
−=
−K K υυ
式中：K i 是激光的传播矢量，
K s 是散射光传播矢量，υ是物体运动速度方向单位矢量，V 是物体运动速度。
这就是多普勒测速的基本原理。
激光多普勒测速特点智能控制模块
激光多普勒测速与传统的测速仪相比具有如下优点：
1. 属于非接触测量：激光会聚点就是测量探头.测量过程对流场无干扰，这对回旋流场尤为适用。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。
2. 空间分辨率极高：目前测点可小于10−4mm 3，随着所用激光波长的减小，光路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径10μm 中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。
3. 动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。
4. 测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪器。
5. 测量量程大：因为频差与速度成简单线性关系，不论低速或高速都不需校正，他允许有很大的频移，目前已能测0.1mm/s~2000m/s 的速度，这是普通测速仪不能比拟的。
6. 测量速度方向的灵敏性好：因光束分离器旋转时测点不变，所以可方便地测量任意方向的速度分量，并可用作常量二维流动的测量研究。
激光多普勒测速仪本质上是利用检测流体中和流体以同一速度运动的微小颗粒的散射光来测定流体速度的仪器，由此也带来一定的局限性。
1. 被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。发动机调速器
2. 在测纯净的水或空气速度时，必须由人工掺入适当的粒子作散射中心。
3. 流速很高时要求提高激光输出功率，由于信号频率很高而使信号处理困难。
4. 价格较贵。厨师帽
5. 使用时要有一定的防震要求，并使管道和光学系统无相对运动。
尽管如此，由于他有许多独特的优点，现已成为科研和实验室工作中的有力工具，并具有广阔的应用前景。
激光多普勒测速的应用
1. 多普勒雷达 利用多普勒效应制成的雷达称为脉冲多普勒雷达。其工作原理可表述如下：当
雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。
天气雷达的工作原理：雷达不停发出微波脉冲，经大气中的雨点反射，通过量度这些反射回来的讯号，就能探测到大气中的降雨。一般来说，反射回来的讯号越强，雨势就越大。至于雨区与雷达之间的距离，则可利用微波往返雨区所需的时间而计算出来。
近年来多普勒天气雷达越趋普及，它能够量度雨点移近(或远离)雷达的速度。多普勒雷达原理可利用救护车响号的声调转变来解释：当救护车走近时，声调会升高；远离时，声调会降低。换句话说，救护车移近得越快，声调越高。多普勒雷达利用同一原理：雨点移近雷达的速度越快，反射回来的微波频率(即声调)就越高。透过这个频率转变，可导出雨点移近雷达的速度，从而替乘载这些雨点的风力提供了很好的估算。这种雷达能非常有效地监察出现的恶劣天气，例如热带气旋、雷暴和大雨。
2. 多普勒测速仪可以精确测算出船只航行的速度，使现代大型船舶进出港口变得十分容易。它可以精
确而方便地测出船舶的航行速度。一般的船用测速仪只能测出船与海水之间的速度，而不能测得船与海底的相对速度。由于海水是随风浪而动的，有时即使船速很小，但风浪很大时，船相对于海底的速度仍然很大，这就给船舶靠岸造成了很大的困难。
利用多普勒效应制成的多普勒导航声纳可以精确地测得船舶的对地速度，而且精确度达到0.01节，完全符合船舶靠岸要求。多普勒导航声纳的换能器安放在船底的前半部，让它向斜前方或斜后方发射窄波束。由于船在朝前行驶，因此从起伏不平的海底反射回来的回波频率将产生一定的偏移。
根据测速仪测出的频移大小，就可以得到轮船航行的对地速度。有时为减少船只摇晃程度及海底地形起伏对回波频移的差异，可在船底朝四个方向发射声波，这样可以测得船舶航行的精确对地速度。船长可以依据船体航行的对地速度状况来控制船行的方向、速度等，以保障船只，尤其是大型船只能安全靠岸。
多普勒测速仪也广泛应用于高速公路的车辆速度测量中。
3. 血液流动的研究近年来迅速形成的力学分支——生物力学，他把血液流体力学作为一个重要的研究课题，推动了激光多普勒测速的研究。它是利用多普勒效应原理，对运动的脏器和血流进行探测的仪器。其中，经颅多普勒是一个有效的无创伤性的脑血管检查方法，属超声检查范围，因此对受检查者毫无创伤和痛苦。许多脑血管检查方法如放射性核素的脑血流量测定、脑血管造影、数字减影血管造
影等均具有一定创伤性及并发症，经颅多普勒安全、无创伤性。适宜于普通的临床应用。经颅多普勒检测检查全面，能分别检测颅内脑底动脉环上及颅外各血管及其分支，还有测定各支血管的各个节段，对每支血管可进行跟踪检测，其最大的分辨能力为lmm，如能进行细致的检测可发现脑血管上的微细的病变。经颅多普勒检测除能反映脑血管的器质性疾病，如脑动脉硬化、脑血管狭窄、脑血管畸形等外，还能较大程度反映许多脑血管检查方法所无法得到的脑血管的功能性变化。
4. 超音速风洞中激光测速激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造，其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心。因此在风洞中必须掺入少量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激光多普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统进行了测量，获得了很好的结果。
激光多普勒测速技术应用范围相当广泛，除了上述用途之外，还可以用于振动测量、固体表面速度的测量、大气风速的测量以及湍流的测量等，其特点是快速无惰性，不接触被测表面，因此不会损伤被测表面，精度与可靠性较高。而且该项技术已经由实验研究进入实用化，在各个部门的应用正在不断扩大。
（郑州解放军信息工程大学理学院数理系450001）
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