激光多普勒效应在测速技术上的应用

1842 年，奥地利科学家 Doppler Christian Johann 首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler 频移。1905 年，爱因斯坦证明了在光波中也存在多普勒效应。1960 年，第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。Ye h 和 Cummins 在 1964 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速(LDV)。

多普勒效应是 LDV 测速方法实现的理论基石。任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化。奥地利科学家多普勒(Doppler)于 1842 年首次研究了这个现象：当观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。

爱因斯坦 1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。1964 年 Ye h 和Cummins 首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。

激光多普勒测速 (LDV, Laser Doppler Velocimeter) 技术是一种非接触式测量技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系)得到流体或者固体的运动速度。它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米)，获得分辨率为 20～100 微米的极高的测量精度。从原理上讲，LDV 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。它还可以实现一维、二维、三维的速度测量以及运动方向的判断。LDV 输出信号的频率和速度成线性关系，它能覆盖从每秒几毫米到超音速很宽的速度范围，且测量不受物体压力、温度、密度、粘度等参数的影响。总的来说，LDV 动态响应快、空间分辨率高、测量范围大，在测量精度和实时性上都具有突出优点。现在 LDV 已成为科学研究和实际工程中测量固体表面运动速度和复杂流场流动速度的一种有力手段，己经从最初的流速测量领域扩展到风洞速度场测量、边界层流测量、二相流测量，以及喷气过程和燃烧过程的研究。

激光多普勒测速仪是根据光学多普勒效应研制的一种精密测速仪器，具有非接触测量、动态响应快、分析精度高、测量范围宽、可测多维速度和判别速度方向等优点，被广泛应用于科研教育领域和工业测量领域。虽然国内已有科研院所和公司对激光测速技术展开了研究，但大多数都还处于实验室阶段，还没有成型的产品，所用仪器全都高价进口。国外虽有商业化的产品，但存在价格高，测量范围和精度不能满足要求等缺点。因此，研制激光多普勒测速仪，不仅意义重大，还有很好的市场前景。

现有的激光多普勒测速仪种类较多，按照其信号处理的工作原理可分为频谱分析型、滤波器库型、频率跟踪型、计数型、数字相关型和数字 FFT 型频谱分析型。频谱分析型激光多普勒测速仪是最早出现的 LDV 之一，其测量对象是多普勒信号的功率谱或与其等价的多普勒频率的概率密度函数。它采用一个中心频率可调的窄带带通滤波器匀速扫过所研究的频率范围以分辨输入信号的各种频率分量并显示和记录。频谱分析是 LDV 用于诊断时最通用的方法。