第六章 激光其它測量技術(shù)綜述

1、激光測量技術(shù)Laser Measurement Technology第六章 激光其他測量技術(shù)第一節(jié) 激光多普勒(Doppler)測速技術(shù) 一、多普勒測速原理 二、激光多普勒測速儀的組成 二、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用 四、多普勒全場測速技術(shù) 第二節(jié) 激光掃描測徑技術(shù) 一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑 二、音叉掃描測徑 三、掃描鏡電流計測徑 四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù) 第三節(jié) 激光測距技術(shù) 一、激光相位測距 二、脈沖激光測距 任何形式的波傳播，由于，會使發(fā)生變化，即所謂的多普勒頻移。1842年奧地利科學家多普勒1964年，Yeh和Cummins首次水流中粒子的散射光有頻移，證實了。流體力學、空氣動力學、燃燒學、生物

2、醫(yī)學以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測量。 一、多普勒測速原理一、多普勒測速原理激光多普勒測速技術(shù) (LDV)的工作原理是Vcosf = 引起多普勒頻移的: a 波源或者接收器的相對運動 b 波傳輸通道中的物體運動假設(shè)波源靜止，觀察者以速度v移動，單位時間內(nèi)觀察者所感受到的頻率fVcosVcos=ffc 頻率的相對變化從P點看:pc-f= V K從U處看:Dc+f= V Upppcf=呈現(xiàn)在微粒P上的波長和頻率的關(guān)系所以有21DffccVUKV KV U由于,vc上式中的最后一項略去，可得1DffcVUK則多普勒頻移為Dfff VUK如果接收散射光和光源入射光之間的夾角為，則可以寫為由于光頻率極高，在實際

3、測量中，常采用，即把入射光和散射光同時送到光接收器上，由光電器件的平方律檢波特性，在它們的輸出電流中只包含兩束光的差頻部分，這樣能接收到由于粒子的運動速度所引起的光頻微小變化。或2sin2vf 2sin2vf二、激光多普勒測速儀的組成二、激光多普勒測速儀的組成多普勒頻移相對光源波動頻率來說，因此必須用的激光作光源；為便于，通常使用。 功率較小，適用于流速較低或者被測粒子較大的情況LDV按光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，可分為: 、參考光束型和單光束型三種光路 功率較大，信號較強，用得最廣 光學系統(tǒng)分和兩部分。發(fā)射部分由分束器及反射器把光線分成強度相等的兩束平行光，然后通過會聚透鏡L1聚焦在待測粒子P上；接

4、收部分用接收透鏡L2把散射光束收集，送到光電探測器上。為避免直接入射光及外界雜光也進入接收器，在相應(yīng)位置上設(shè)有擋光器及小孔光闌。 ，使用時不受現(xiàn)場條件的限制，可在任意方向測量，且。進人光電探測器的散射光來自兩束具有同樣強度的光線的交點，它對所有尺寸的散射微粒都發(fā)生高效率的拍頻作用。避免了信號的“脫落”現(xiàn)象。調(diào)整時只需根據(jù)兩束光交點處干涉條紋的清晰度進行調(diào)整，使用很方便。為使結(jié)構(gòu)緊湊，常使光源和接收器置于一測，稱為LDV實際是利用示蹤粒子產(chǎn)生的散射光的多普勒頻移來獲的速度信息的。因此LDV實際上測的是微粒的運動速度，同流體的速度并不完全一樣。大多數(shù)的自然微粒（空氣中的塵埃，自來水中的懸浮粒子）在

5、流體中一般都能較好地跟隨流動。如果需要人工播種，微米量級的粒子可以同時兼顧到流動跟隨性和LDV測量的要求。激光多普勒信號非常復雜： 由于流速起伏，所以多普勒頻移在一定范圍內(nèi)起伏變化，是一個信號。 因粒子的尺寸及濃度不同，散射光強發(fā)生變化，則頻移的。粒子是離散的，每個粒子通過測量區(qū)又是隨機的，故。光學系統(tǒng)、光電探測器及電子線路存在噪聲，加上外界環(huán)境因素的干擾，使信號中伴隨許多噪聲。 信號處理系統(tǒng)的是從這些復雜的信號中提取那些反映流速的真實信息，傳統(tǒng)的測頻儀很難滿足要求。多普勒信號處理:頻譜分析法、頻率跟蹤法、頻率計數(shù)法、濾波器組分析法、光子計數(shù)相關(guān)法、掃描干涉法等。通過頻率反饋回路自動跟蹤一個具

6、有頻率調(diào)制的信號，并把調(diào)制信號用模擬電壓解調(diào)出來。壓控振蕩器頻率反映了平均流速大小，壓控振蕩器的控制電壓u反映流體的瞬時速度。測量n個多普勒信號周期對應(yīng)的時間，從而測出頻率2）頻率計數(shù)法頻率計數(shù)法ndv =t 測量精度高，且可送入計算機處理，得出平均速度、湍流速度、相關(guān)系數(shù)等氣流參數(shù)；取樣和保持型儀器，沒有信號脫落，；幾乎包括了所有其他方法所能適用的范圍，從極低速到超音速流體的測量，且不必添加散射粒子。測頻范圍1kHz100MHz，可測速度范圍2mm/s2000m/S，測量精度40MHz 處1%， 100MHz 處2.5%.Dantec公司的LDA系統(tǒng)三、激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用三、激光多普勒

7、測速技術(shù)的應(yīng)用非接觸測量、不干擾測量對象、測量裝置可遠離被測物體、精度高、動態(tài)響應(yīng)快、空間分辨率高、具有線性特性。多普勒測速儀與顯微鏡的組合，顯微鏡用以捕捉目標，具有極高的空間分辨率，可用以觀察毛細血管內(nèi)血流的流動，被測點可以是60m的粒子。探頭體積小，便于調(diào)整測量位置，可以深入到難以測量的角落，并且抗干擾能力強，密封型的光纖探頭可直接放入液體中使用。后向散射參考型光路，參考光路由光纖端面反射產(chǎn)生。 四、多普勒全場測速技術(shù)四、多普勒全場測速技術(shù)只能對流場中的進行測量，如要做全場測量，則需逐點掃描，故只限于變化較小的流動，不能用于非定量流。多普勒全場測速技術(shù)(Doppler Global Vel

8、ometer DGV)，可對流體做全場測量，對粒子的選擇、播發(fā)沒有嚴格的要求，特別適合于測量。1.測量原理測量原理利用了某些物質(zhì)的選擇吸收特性，把多普勒頻移轉(zhuǎn)換成光的強度，通過視頻相機拍攝后進行處理，獲得全場的速度信息，從而實現(xiàn)全場、實時的三維測量。 一般工作在f1-f2線性段，帶寬約為600MHz。如頻率為fi激光對該物質(zhì)透過率為T0，穿過流體后的多普勒頻移為fD，由于不同頻率對應(yīng)不同的透過率，透過率發(fā)生T的變化，這樣把頻率變化轉(zhuǎn)化為光強的大小。分子蒸氣或蒸氣，有很多吸收線能匹配現(xiàn)有的激光頻率。氬離子激光的514.5 nm譜線在碘吸收線的近旁，YAG激光倍頻后的532.0 nm 譜線與碘及嗅

9、相配。將分子蒸氣灌注在一個密封容器中，并保持恒溫，如把緩沖氣體加進分子蒸氣室中，可增加吸收區(qū)以擴寬頻率范圍。由于從不同方向入射于分子蒸氣的光線互不干擾，故可對整個視場各點同時進行測量。用一臺視頻相機(如CCD攝像機)對被光屏照明的物面進行拍攝，記錄由該物面散射并透過鑒頻器后的光線；視頻信號采集后送入計算機進行分析處理，得到實時的全場定量速度值。使用三個放于不同位置的記錄裝置進行記錄123123111DDDfffVUKVUKVUK可測量空間任意點的三維速度信息2. 測量裝置測量裝置由視頻相機分辨率決定，視頻相機的每一個像素與光屏中的一個測量點對應(yīng)，這些點是一個被光屏厚度及相機成像分辨力決定的微小

10、體積元，測量速度是這些微體積元中粒子的平均速度；用變焦鏡頭可改變觀察范圍及空間分辨力。在裝置中附加一個視頻相機，把未經(jīng)鑒頻器的“背景光”記錄下來作為參考像，測得的信號光強與參考光強進行相除比較，來消除屏照明及各區(qū)域粒子散射強度不均勻造成的影響。為消除光源波長漂移，要求激光的譜線窄、單模、穩(wěn)頻，鑒頻器放在恒溫室內(nèi)。1) 設(shè)變焦鏡頭像平面上某點的光強為 I濾光片6的透射率為TF，鑒頻器5的透射率為T(f)CCD1路的光強為：CCD2路的光強為： sIRICCD的光強-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)為ccd1sccd2RV= aI T(f)V= aI TF F ccd1ccd2V= T(f)V則CCD1和2的輸出電壓

11、分別為參考信號與測量信號相除比較后的信號若鑒頻器吸收特性曲線的線性區(qū)斜率為K，則鑒頻器的透過率可表示為( )()()ssDT fT ffT fKf于是有( )()()()( )()ssssDsDRRsVfVfT ffT fKfVfVf( )()1( )()sssDRRsVfVffK VfVf即測量過程中，只要實時記錄兩視頻相機輸出信號的比值，便可求得任一時刻的多普勒頻移fD。u由于兩CCD要求像面完全重合，光程應(yīng)該盡量一致。u測量為CCD1與CCD2輸出電壓的比值，因此兩CCD參數(shù)盡量一致，其物理參數(shù)盡量一致的同時，曝光時間、采樣間隔應(yīng)嚴格同步。u由于求頻率是由鑒頻器的特性決定, 鑒頻器應(yīng)該恒

12、壓、恒溫措施。工件外形尺寸測量，主要是激光掃描測量直徑是1972年公司發(fā)展起來的一種技術(shù)，有人稱之為，有人稱之為一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑一、轉(zhuǎn)鏡掃描測徑用，并由放在線材對面的光電接收器接收，所以光電接收器輸出的是一個方波脈沖，。1.掃描測徑原理 設(shè)晶體的振蕩頻率為v，電機轉(zhuǎn)速為n，多面體的面數(shù)為N，透鏡焦距為f，通光孔徑為D，被測件掃描的平均次數(shù)為m，則電機轉(zhuǎn)動的角速度 =2n線速度: V=f *2=4n f 一個計數(shù)脈沖對應(yīng)的間距為: =V/v =4 n f/v d直徑對應(yīng)的脈沖數(shù): A=d/ = dv/4 n f 所以: d=4 n f A/v從公式上看: v越大,分辨率越高, f 越小分辨率越高

13、2.轉(zhuǎn)鏡掃描測徑儀的組成由三部分組成數(shù)字顯示裝置可以顯示被測件直徑的絕對值或偏差值。電源部分包括氦氖激光電源和同步電機專用電源。透鏡的通光范圍要根據(jù)測量范圍、被測件的振動幅度以及測量范圍、被測件的振動幅度以及中心位置的可能移動范圍中心位置的可能移動范圍選定。同時為了形成較好的平行光掃描，希望光學系統(tǒng)的盡可能，但是焦距太大會使測頭的體積增加，一般相對孔徑取。被測件20mm以下，通光孔徑D=50mm，透鏡焦距200300mm測量頭由激光器、同步電機、多面體反射鏡、光學系統(tǒng)和光電接收器等組成一個整體。轉(zhuǎn)鏡掃描側(cè)徑儀通常用于直徑較大的線材直徑測量，可測直徑為0.530 mm。儀器可以設(shè)計成同時測量水平

14、、垂直兩個方向的直徑，以便獲得被測件的橢圓度。3.大直徑的測量轉(zhuǎn)鏡激光掃描法的測量范圍受到透鏡尺寸的限制，可采用相對測量法擴大測量直徑。測定直徑范圍 110mm180mm，測定誤差為3040m二、音叉掃描測徑二、音叉掃描測徑 對于線徑在0.5mm以下的物體，由于線徑小，掃描區(qū)間窄，掃描鏡不需要大幅度的轉(zhuǎn)動，因此可以采用音叉或電流計等作為鏡偏轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置。掃描光點是非勻速的正弦振動，需要一附加的和音叉振動同位相的正弦波參考信號。利用光束掃描刀口時的脈沖信號，檢測出音叉正弦振動的位相，并控制一信號發(fā)生器產(chǎn)生與音叉振動同位相的參考正弦波信號；光束掃過標準線的信號用作控制音叉振幅，使之穩(wěn)定。設(shè)掃描光點的

15、運動方程為:tASsin0光點在掃描方向橫切細線兩側(cè)的時間為t1和t2，坐標為S1和S2，則20210121sinsintAStASSSd如果參考信號的運動方程為:tVVsin0在t1和t2時所截取的電壓分別是020202010101sinsinASVtVVASVtVV音叉掃描測徑方法適合于測量線徑的金屬絲或光導纖維，(當絲無橫向運動時可達500m左右)，測量精度為。電壓差:ddVVAddAVSSAVVVV0000210021或測頭體積小，由于采用音叉掃描，可以長期連續(xù)工作，使用壽命長，動態(tài)精度好。三、掃描鏡電流計測徑三、掃描鏡電流計測徑鏡偏轉(zhuǎn)由驅(qū)動電流控制，驅(qū)動電流操縱掃描鏡電流計，電流計的

16、基本掃描作用是把恒定的角速度轉(zhuǎn)換成掃描平面內(nèi)的恒定線速度。適合于各種光導纖維或金屬細絲的線徑測量，精度1%以內(nèi)以恒定角速度轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過一個微小角度（3）后迅速返回到它的起始位置。光點掃過纖維時得到相應(yīng)的脈沖信號寬度與線徑成近似線性關(guān)系四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)四、位相調(diào)制掃描測量技術(shù)影響激光掃描測量精度的主要因素： 工件邊緣的衍射現(xiàn)象工件邊緣的衍射現(xiàn)象衍射使被測工件的邊界模糊，用時間脈沖計數(shù)時，必然引入誤差，使前述的光點掃描測量精度限制在0.01 mm。位相調(diào)制掃描測量技術(shù)采用空間調(diào)制光束來掃描工件，通過測量位相，而不是測時間來獲得被測件的尺寸，測量精度可達1 m，適合于各種高溫、高壓下做非接觸

17、高精度現(xiàn)場測量。設(shè)PBS分開的兩束光的光強相等，則掃描光、之間的光強I1,I2.I3，有如下關(guān)系:若Pockels調(diào)制器的振蕩頻率為，由圖6-18可知，光束+是(I1+I3) (1 + sin t)。而光束的方程是I2(1-sin t)。對任意時刻，調(diào)制掃描光束的表達式為31231;IIIIItIIIIIIITsin2313211當光束與工件相遇時為a區(qū)，掃描光束掃過工件后為a區(qū)2當工件邊緣開始擋住光束或時，這時為b區(qū)和b區(qū)3當工件邊緣開始擋住光束到全部擋住光束時2和3 的信號正好相差321IIIIIaatIIIIIbsin2121tIIIdsin11工件尺寸由相位突變點來決定，可獲得很高的測

18、量精度常用的測距技術(shù):利用電磁波探測目標的電子設(shè)備；發(fā)射電磁波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發(fā)射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。測量實際是測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差；測量是利用天線的尖銳方位波束測量；測量靠窄的仰角波束測量；根據(jù)仰角和距離就能計算出目標高度；測量是雷達根據(jù)自身和目標之間有相對運動產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)原理。 遠距離(幾千米)測量的技術(shù):原理和雷達類似，具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠定向傳播等特點。指的是無導軌測距短程:合成波長 半導體激光調(diào)頻測距一、激光相位測距一、激光相位測距(一)激光相位測距原理 光從A點傳播

19、到B點的相移可表示為)(22mmm光從A點傳播到B點所用時間為t，則A、B兩點之間的距離)(2mmfcctLu通過對光的強度進行調(diào)制來實現(xiàn)的為方便測量出相位變化，一般采用反射式)(2mmL實際上： 1. cos為2周期的函數(shù)， 不能直接測出m的變化量 2. 一般的檢相電路,只能檢出0-2之間的相位變化則)()(2mmLmmLs調(diào)制光波的波長是相位測距的一把相位測量技術(shù)只能測量出不足2 的相位尾數(shù) ，即只能確定余數(shù)m=/2 ，而不能確定相位的整周期數(shù)m。當距離小于Ls時，即m=0時，可確定距離如果被測距離較長，可降低調(diào)制頻率，滿足Ls L，但由于測相系統(tǒng)存在的測相誤差，增大Ls會使測距誤差增大。

20、22L為能實現(xiàn)長距高精度測量，可同時使用Ls不同的幾把光尺：最短的尺用于保證必要的測距，最長的尺用于保證測距儀的。目前，采用的測距技術(shù)主要有和（二）激光相位測距技術(shù)（1）直接測尺頻率）直接測尺頻率ssLcf2/由測尺量度Ls可得光尺的調(diào)制頻率測尺長度直接由測尺頻率決定直接測尺頻率一般應(yīng)用于短程測距，如GaAs半導體激光短程測距儀直接測距儀測程為100km，要求精度0.01m，若相位測量系統(tǒng)的精度為1%，則需三把光尺：MHzfkHzfkHzfmLmLmLssssss15,150,5 . 1,10,10,1032132135為相應(yīng)光的調(diào)制頻率分別（2）間接測尺頻率）間接測尺頻率(合成波長合成波長)

21、(111mmLLs)(222mmLLs)()()(21212121mmLmmmmLLLLLsssss式中：21212121212121,2/;,2121mmmmmmffffcffcLLLLLsssssssssss即通過測量fs1和fs2頻率的相位尾數(shù)并取其差值來間接測定相應(yīng)的差頻頻率的相位尾數(shù)。通常把fs1和fs2 稱為間接測尺頻率，而把差頻頻率稱為相當測尺頻率。（三）相位測量技術(shù)主控振蕩器1信號為)cos(1ssstAe發(fā)射后經(jīng)2L距離返回接收機，接收到的信號)cos(2ssstAe振蕩器2信號為)cos(111tCe將以上信號進行混頻，在混頻器輸出端分別得到差頻參考信號和測距信號)()(c

22、os11ssrtDe)()(cos11ssstEeu采用差頻測相技術(shù)差頻后得到的低頻信號進行相位比較，可采用平衡法測相，也可采用自動數(shù)字測相法。平衡法測相結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、價格低，但精度較低，常會有1520或更大的測相誤差。此外，有機械磨損，測相速度低，并難以實現(xiàn)信息處理。自動數(shù)字測相法測相速度高，測相過程自動化，便于實現(xiàn)信息處理，且測相精度高，可到24。用相位檢測電路測出這兩個混頻信號的相位差，通常選取測相的低頻頻率為幾千赫茲到幾十千赫茲。光源：GaAs系列紅外激光二極管調(diào)制頻率：f1=15MHz，f2=150kHz基準信號頻率：fI1=14.006MHz，fI2=146kHz既能保證大的

23、測量范圍，又能保證較高的絕對測量精度二、脈沖激光測距二、脈沖激光測距利用(一般可達兆瓦級)的特點，有的情況下，脈沖激光測量可達的測程。在進行幾公里的近程測距時，如果精度要求不高，即使不使用靶標，只利用被測目標對脈沖激光的取得反射信號，也可以進行測距。地形測量、戰(zhàn)術(shù)前沿測距、導彈運行軌道跟蹤，以及人造衛(wèi)星、地球到月球距離的測量等。由脈沖激光器發(fā)出一持續(xù)時間極短的脈沖激光回波回波:經(jīng)過待測距離L后射向被測目標，被反射回來的脈沖激光回波返回測距儀，由光電探測器接收，根據(jù)主波信號和回波信號之間的時間間隔，即激光脈沖從激光器到被測目標之間的往返時間t，就可算出待測目標的距離 L=ct/2 計算公式設(shè)計時時鐘的頻率為f0, 則測距時光往返的時間為: T=N/ f0 ，所以距離為: L=cN/2 f0所以脈沖激光測距的分辨率: PL=c/2 f0f0一般在幾百兆赫茲以內(nèi), c=3*108m/s所以脈沖激光測距的分辨率較低,一般為數(shù)米量級tctLc22u光速c的精度取決于大氣折射率n的測定，