利用激光多普勒法測速

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1、基于雙頻激光多普勒法—測生物血流速學號：04095077姓名：劉雨林班級：040951班【摘要】本文設計了基于光纖結構流體速度測量裝置，利用雙頻激光器作為光源，采用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光路，采用光纖分束器實現(xiàn)分光，采用制冷的雪崩光電二極管(APD)為探測器，來建成一個多普勒高精度測速系統(tǒng)。利用一種新的雙頻激光多普勒測速方法：同偏振的雙頻激光器作為光源,，并用兩個線偏振光同時傳感物體的速度,，可以大大提高最高可測量速度?？梢詫崿F(xiàn)對高速運動的血細胞速度的高精度測量。【關鍵詞】激光多普勒測速;流體流速；雙頻激光器;高速度;偏振?！疽浴抗饧夹g

2、作為一種新興的科學技術,正在迅速發(fā)展,已達到較高的實用水平。由于激光具有強度大、單色性好、相干性好、方向性強等特性,而被廣泛地用于許多科學技術領域。激光在生物科學和醫(yī)學領域得到了廣泛的應用,用這種方法可以測量生物體的血液流速。從60年代激光出現(xiàn)以后，人們就開始考慮如何利用激光的單色性好和定向性好的特點來完成非接觸的速度測量問題。1964年楊(YEN)和古明斯(Cumnis)首先利用激光的多普勒頻移測定了水層流的分布，從而為激光多普勒技術的發(fā)展揭開了序幕[1]。它的主要優(yōu)點是空間分辨率高和光束無擾動流體，屬于一種無干擾流場測量技術。

3、多普勒效應是指產生波的振源和接收波的探測器處于相對運動狀態(tài)下出現(xiàn)的探測器接收到的信號頻率與振源的頻率存在差值的現(xiàn)象。激光多普勒法測速是利用光學多普勒效應通過檢測流體中跟隨流體一起運動的微小顆粒的散射光對流體速度進行測量的測速技術[2]。傳統(tǒng)的測量方法，如熱線熱膜流速計、畢托管、壓電探頭、機械流速儀、電磁流速計等自發(fā)明以來為流動領域的研究和發(fā)展起了極大的促進作用，但是這些測量方法是接觸式的，必須把探頭插入流場。對流場有較大干擾．影響測量的真實性和可靠性。激光多普勒測速技術(LDA)，是用于流體科學實驗的主要方法之一，對于研究流體力學

4、中基礎理論所涉及的重大問題。提供了一個有效的實驗段．它的主要優(yōu)點是空間分辨率高和光束無擾動流動．屬于一種無干擾流場測量技術。對生物血管的湍流的研究，激光多普勒技術的空間分辨率高，并且具有跟蹤快速變化速度的能力，且可非直接接觸。結合生物學顯微測量，LDA技術可用于研究生物系統(tǒng)狹窄流道內的流動分布，把LDA和顯微鏡結合，對于生物學顯微測量來說是一項很方便實用的測試技術。LDA技術發(fā)展趨勢為[3]：(1)集成化，即集成光學組合件代替離散的光學元件；(2)光纖化，即用大功率光學纖維代替部分光學傳送部件，使體積大幅度縮小，重量減輕，機動性、

5、靈活性、可靠性提高。(3)智能化，即排除了人為因素的限制，確保了測量的有效性和正確性。同時提高了自動化程度。(4)精確化，即利用現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術，改善了系統(tǒng)的信號處理能力，并且在設計思想上有了一系列根本性突破。(5)利用全部光散射模式，即利用了幾何散射理論，又利用了米氏散射理論。(6)測量范圍擴大到亞微米范圍甚至納米范圍。激光多普勒測量方法能非常容易的實現(xiàn)實時在線測量。激光多普勒信號的測量范圍非常的廣，對環(huán)境的適應能力強，受環(huán)境影響小。隨著光電子的快速發(fā)展，激光多普勒測量儀器越來越朝著便攜式、堅固耐用和小型化的商用方向發(fā)展。

6、3、目前已有的單頻激光多普勒測速儀,光路調節(jié)難度大,存頻率的直流漂移,受環(huán)境影響嚴重,抗干擾能力差的缺點,并且信號處理比較復雜,應用受到很大的限制。已有的外差式雙頻激光測速儀采用外差干涉測量原理,是交流測量系統(tǒng),不存在單頻激光多普勒測速儀的頻率直流漂移問題,具有信號噪聲小,抗干擾能力強的優(yōu)點。但是，外差式雙頻激光測速儀的最大測量速度受限于雙頻激光器的頻差，最高測速一般在1000mm/s以下[4-5]。它們均無法滿足對更高速運動物體進行速度測量的需求。為了實現(xiàn)對更高速運動物體的速度測量，利用新的雙頻激光多普勒測速方法，可以對高速運動

7、物體的速度進行高精度測量?！径嗥绽諟y速原理】多普勒效應是指產生波的振源和接收波的探測器處于相對運動狀態(tài)下出現(xiàn)的探測器接收到的信號頻率與振源的頻率存在差值的現(xiàn)象。愛因斯坦1905年在他的狹義相對論中指出，光波也具有類似的多普勒效應[6]。只要物體會散射光線，就可以利用多普勒效應來測量其速度。1964年Yeh和Cummins首次觀察到了水流中粒子的散射光頻移，證實了可利用多普勒頻移技術來確定流動速。我們考慮一個以速度M運動的光源。其光波的傳播方向為向著觀察者，光源原本與觀察者的距離為G（t），當光源運動時，光波從光源到觀察者的空間距離

8、被壓縮到（C-U?·w?）L那么靜止觀察者所記錄到的光源的波長就變?yōu)椋害?=（C-U?·L?）∕VV1=V∕（1-1∕C·U?·L?）其中c為光速，入為波長，V為頻率。λ1為觀察到的波長，U1為觀察到的頻率。【系統(tǒng)設計】采用雙頻激光器為光源，來建成