激光多普勒測(cè)振技術(shù)的分析探究概要

激光多普勒測(cè)振技術(shù)的分析探究摘要：本文對(duì)激光多普勒測(cè)振技術(shù)從理論上進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和部分計(jì)算，研究各種測(cè)振方案，并對(duì)各測(cè)量方案進(jìn)行系統(tǒng)的比較分析和研究。另外特別對(duì)差動(dòng)式激光多普勒信號(hào)測(cè)振原理進(jìn)行理論研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光多普勒測(cè)振原理的驗(yàn)證。分析研究了差動(dòng)式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)，并對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化進(jìn)行分析，有效提高了系統(tǒng)信噪比和信號(hào)檢測(cè)靈的敏度。另外對(duì)信號(hào)的處理系統(tǒng)進(jìn)行理論分析，并且就如何較小系統(tǒng)誤差進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞：振動(dòng)測(cè)量；頻移；激光多普勒效應(yīng)；信號(hào)檢測(cè)目錄引言 11.非接觸式測(cè)量方法的探究 11.1相干測(cè)量 11.1.1全息法 11.1.2激光散斑干涉法 31.1.3激光多普勒技術(shù) 41.2論文研究的主要內(nèi)容 42.激光多普勒技術(shù)的理論分析 52.1激光多普勒頻移 52.2幾種多普勒測(cè)量技術(shù)的比較 62.2.1參考光束型激光多普勒測(cè)量 62.2.2雙散射光束型多普勒測(cè)量 72.2.3單光束型多普勒測(cè)量 82.3振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量 93.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 113.1光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 113.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇 123.3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案 123.3.1光強(qiáng)對(duì)信噪比的影響 123.3.2兩束光的空間位置對(duì)信噪比的影響 123.3.3提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度 134.誤差分析 135.總結(jié)與展望 14參考文獻(xiàn) 15引言?shī)W地利的科學(xué)家多普勒（Doppler）首先在聲音學(xué)中發(fā)現(xiàn)了波的頻移現(xiàn)象，即通過(guò)波源、散射體和接收體三者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)改變所接收到的任意形式波的頻率。后來(lái)，人們又在光學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，當(dāng)單色光照射到一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的物體上被散射時(shí)，觀察者接收到的該散射光的頻率（與原激光相比）將產(chǎn)生頻率的偏移，該頻率偏移量的大小與物體的運(yùn)動(dòng)方向、速度、入射光的方向QUOTE以及觀察者的位置有關(guān)，可表示為：。假如和c已知，那么我們只要測(cè)出頻率變化值就能夠計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度。我們把用這種原理進(jìn)行測(cè)速的方法稱(chēng)之為多普勒測(cè)速技術(shù)。圖1-1隨著激光的問(wèn)世，葉（）和庫(kù)明斯（）[1]于1964年首次利用激光多普勒技術(shù)在水流中觀察微粒散射光的頻移現(xiàn)象，并算出了水流的流動(dòng)速度，證實(shí)了該技術(shù)在測(cè)流動(dòng)速度方面的應(yīng)用。如今激光測(cè)速已經(jīng)可以測(cè)量風(fēng)場(chǎng)、邊界層流以及噴氣過(guò)程等。伴隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，尤其是在軍事工程等高精技術(shù)領(lǐng)域，高速運(yùn)動(dòng)參數(shù)的檢測(cè)是一項(xiàng)迫切需求的具有特殊意義的檢測(cè)技術(shù)。為滿(mǎn)足現(xiàn)代測(cè)試計(jì)量技術(shù)的高效率、損傷小、精度高等要求，人們對(duì)測(cè)量技術(shù)的高靈敏度、非接觸、智能化提出了更高的要求[2][3][4]。常用的振動(dòng)測(cè)量方式有壓電式、電容式、激光多普勒方式等。其中的激光多普勒技術(shù)憑借其特有的非接觸等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，已能測(cè)量超音速?lài)姎饬鞯乃俣?并在噴氣過(guò)程、燃燒過(guò)程中,為燃?xì)廨啓C(jī)、氣缸、原子能反應(yīng)堆等方面的設(shè)計(jì)研究中為其提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果[3][4]。1.非接觸式測(cè)量方法的探究1.1相干測(cè)量1.1.1全息法光學(xué)全息干涉計(jì)量技術(shù)憑借它對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)干擾，可直觀的測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)迅速在全息應(yīng)用領(lǐng)域占有了一席之地。我們知道光學(xué)全息的基本原始是波前記錄與波前再現(xiàn)，實(shí)際上也是光波的干涉和衍射的結(jié)果。全息干涉計(jì)量作為全息應(yīng)用的一個(gè)重要方面，它的基礎(chǔ)是波前比較，我們常用的有單次曝光法，二次曝光法和平均時(shí)間法[5]。圖1-2在具體實(shí)驗(yàn)時(shí)我們選用光折變晶體作為記錄材料，以避免因傳統(tǒng)記錄材料在復(fù)位是會(huì)產(chǎn)生偏差而帶來(lái)的復(fù)雜操作和測(cè)試誤差。其典型的光路圖見(jiàn)圖1-3，圖1-4所示：圖1-3圖1-4全息干涉術(shù)的特點(diǎn)：全息干涉原理就是把物體發(fā)出的特有的光波的全部信息都以干涉條紋的形式記錄在介質(zhì)中，根據(jù)衍射原理可以重現(xiàn)原始物光波，我們?cè)儆霉庹丈淙D時(shí)就可以得到原物體的三維圖。這種方法還可以很方便的在任意方向上對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行立體干涉測(cè)量。1.1.2激光散斑干涉法當(dāng)激光束投射到粗糙的光學(xué)物件表面時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)出特殊的斑點(diǎn)狀圖樣。當(dāng)照射物的表面發(fā)生形變時(shí)，產(chǎn)生的干涉條紋也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。反之，如若已知因物體形變而產(chǎn)生的干涉條紋的變化大小，我們就可以推算出物體的變化大小。圖1-5激光散斑圖上圖1-5示列舉的是一個(gè)激光散斑應(yīng)用實(shí)例。我們把其中由反射鏡反射的光看成參考光。參考光和物體的散射光經(jīng)過(guò)透鏡后在觀察面形成明顯的干涉圖樣。在兩束光重疊的區(qū)域，散斑上會(huì)出現(xiàn)有明顯起伏變化的亮暗條紋。如果物體沿圖1-5中方向移動(dòng)微小位移，那么兩個(gè)光場(chǎng)間的相位差改變，即：（1-1）當(dāng)（取整數(shù)）時(shí)，散斑條紋會(huì)發(fā)生亮暗反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，散斑條紋與時(shí)相同。顯然，散斑條紋會(huì)隨著物體沿圖1-5所示方向的緩慢移動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)移動(dòng)，這就是測(cè)振技術(shù)的基本的振動(dòng)模式。如今，數(shù)字散斑干涉法已經(jīng)進(jìn)入了廣泛實(shí)踐階段，采用Computer和等工具代替人眼和照相機(jī)，充分利用計(jì)算機(jī)和CCD的優(yōu)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，使得測(cè)量程序更加方便快捷，檢測(cè)效率提高。散斑計(jì)測(cè)振技術(shù)較其它方法可以有效提高測(cè)量的靈敏度，它主要在降低系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、相干性和底片的分辨率的諸多要求方面表現(xiàn)出了很大的優(yōu)越性。但是該技術(shù)所測(cè)的振幅范圍小較，使它的應(yīng)用有了很大的局限性。1.1.3激光多普勒技術(shù)在1842年，物理學(xué)家Doppler發(fā)現(xiàn)：當(dāng)波源和接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么接收器接收到的由該波源發(fā)出的特定的波的頻率會(huì)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。后來(lái)人們?yōu)榱思o(jì)念他，就命名這種效應(yīng)為多普勒頻移效應(yīng)。該效應(yīng)的一般式可寫(xiě)成：其中--波源頻率，--探測(cè)器接收到的頻率，--波在介質(zhì)中的傳播速度，、分別表示波源及探測(cè)器速度，、分別是、與探測(cè)器到波源連線(xiàn)的夾角。根據(jù)光波紅（光源與觀察者相靠近時(shí)，光波被壓縮，波長(zhǎng)變短，頻率變高）、藍(lán)移（光源與觀察者相遠(yuǎn)離時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低）的程度即頻移值，可以算出光源與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度[6]。如今，激光多普勒效應(yīng)除了用于最初的流體流速的測(cè)量外，在風(fēng)速測(cè)量、振動(dòng)、微小位移測(cè)量、聲光通信、遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域也有了廣泛的應(yīng)用。激光多普勒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：1．屬于非接觸式測(cè)量。不會(huì)對(duì)被測(cè)速度場(chǎng)產(chǎn)生干擾，利用激光的高度相干性，可對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量。2．測(cè)量精度高，可以達(dá)到—。它的裝置安裝后不用經(jīng)常校準(zhǔn)，這樣一來(lái)它的機(jī)械磨損就很小了。3．空間QUOTE分辨率較高，可以對(duì)微體積內(nèi)的流速進(jìn)行測(cè)量。目前該技術(shù)對(duì)深度幾十微米，直徑十幾微米的物體進(jìn)行測(cè)量。在醫(yī)學(xué)上，已應(yīng)用到了微細(xì)血管中的血液流速測(cè)定。4．測(cè)量范圍廣，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快?，F(xiàn)如今，測(cè)速范圍可從低的百分之幾毫米每秒至高的每秒幾個(gè)馬赫。5．方向的靈敏度高，能夠做到多維測(cè)量。激光多普勒測(cè)速方法憑借它所特有的優(yōu)勢(shì)，受到了人們大力的推廣。在使用這種方法進(jìn)行測(cè)速時(shí)，被測(cè)體表面狀況會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大影響，另外對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)探頭的性能也有較高的要求等，這些因素在很大程度上限制了它的推廣。1.2論文研究的主要內(nèi)容通過(guò)激光多普勒測(cè)振技術(shù)的理論分析探究，基于差動(dòng)式的激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)對(duì)激光多普勒信號(hào)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的分析和探究，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光多普勒測(cè)振原理的驗(yàn)證和光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化。主要內(nèi)容如下：從理論上分析各種測(cè)振方案，并對(duì)各方案進(jìn)行系統(tǒng)的比較，分析和探究。特別就激光多普勒測(cè)振技術(shù)進(jìn)行分析探究，從理論上進(jìn)行掌握。分析探究差動(dòng)式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)，分析并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，就如何提高系統(tǒng)信噪比，提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行探究。分析信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)一步做誤差分析?？偨Y(jié)，了解該領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀以及它的發(fā)展趨勢(shì)。2.激光多普勒技術(shù)的理論分析2.1激光多普勒頻移在前面我們已經(jīng)知道當(dāng)光源向觀察者移動(dòng)時(shí)，光波被壓縮，波長(zhǎng)變得短，頻率變高（光波紅）、當(dāng)光源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，波長(zhǎng)增長(zhǎng)，頻率降低（藍(lán)移）。下文在假定光源相對(duì)于觀察者靜止的條件下進(jìn)行分析研究。我們把這種情況看作是首先由從光源到運(yùn)動(dòng)的物體，再?gòu)挠晌矬w到接收器的雙Doppler頻移情況。圖2-1移動(dòng)物體P的多普勒頻移分析圖見(jiàn)圖2-1中所示，從光從發(fā)出頻率為v，被物體散射，在點(diǎn)接收散射光。運(yùn)用和分別表示動(dòng)方向與和的角度大小。點(diǎn)所接收到的頻率可用方程表示為：（2-1）該光束在點(diǎn)又被發(fā)射出來(lái)后，在點(diǎn)接收，頻率為，則其方程表示為：（2-2）因?yàn)閳D2-1中的大小是由接收器位置來(lái)決定的。所以：（2-3）考慮到<<，在對(duì)展開(kāi)后忽略除一次項(xiàng)外的所有項(xiàng)，則有：（2-4）對(duì)上式進(jìn)行三角變換運(yùn)算后可以得到：（2-5）根據(jù)圖2-1可知有：（2-6）且有（2-7）--速度和之間的夾角，--和所形成的角的角平分線(xiàn)，向量--散射向量的方向。將式（2-7），（2-8）代入（2-5）式可得：（2-8）普勒頻移。上（2-9）式也可由波長(zhǎng)表示為：（2-9）2.2幾種多普勒測(cè)量技術(shù)的比較2.2.1參考光束型激光多普勒測(cè)量光路見(jiàn)圖2-2,經(jīng)半透半反鏡把激光器發(fā)出一束光分成兩束強(qiáng)度相等的光,一束光沿原方向返回,最后入射到雪崩二極管,作為參考光；另一束入射到運(yùn)動(dòng)粒子上,在所有散射光中部分沿原方向返回，最后被雪崩二極管接收,作為信號(hào)光。最后信號(hào)光和參考光在光敏面上混合，我們可以從混頻中獲得記錄了運(yùn)動(dòng)物體參數(shù)的頻移信號(hào)。圖2-2參考光束型Doppler測(cè)速儀結(jié)構(gòu)圖在這種測(cè)量方法中，我們首先要把激光分成兩條光強(qiáng)度不等的光束，以保證散射光的光強(qiáng)和參考光的光強(qiáng)盡可能相等。其次我們要通過(guò)移動(dòng)全反鏡的位置來(lái)調(diào)節(jié)兩光束的光程差，使該差值小于LASER的相干長(zhǎng)度。另外為得到較高的信噪比和良好的多普勒信號(hào)，我們還應(yīng)保證入射參考光的光強(qiáng)遠(yuǎn)小于產(chǎn)生信號(hào)光的光強(qiáng)。一般而言，如果用光電倍增管做探測(cè)器，參考光和散射光的強(qiáng)度比應(yīng)以為佳；若使用光電二極管，則此時(shí)應(yīng)以高強(qiáng)度的參考光為宜，因?yàn)檫@種情況下低光強(qiáng)時(shí)放大器將是噪聲限制的主要因素[7]。參考光束測(cè)量系統(tǒng)，只有轉(zhuǎn)時(shí)滿(mǎn)足準(zhǔn)直好的要求，才能在對(duì)信號(hào)光束和參考光束進(jìn)行拍頻時(shí)得到較高的拍頻頻率，輸出較強(qiáng)的信號(hào)。另外，在該系統(tǒng)中，一般要在接收透鏡前放置一個(gè)孔徑光闌，用于限制在接收散射光時(shí)由小立體角引起其頻譜的加寬，提高測(cè)量的精度。2.2.2雙散射光束型多普勒測(cè)量又稱(chēng)之為差動(dòng)型系統(tǒng)。與參考光模式相比，差動(dòng)型系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在信號(hào)與接收方向無(wú)關(guān)和探測(cè)器孔徑的尺寸無(wú)明顯限制等。此類(lèi)光路若是將光學(xué)發(fā)射頭和接收頭分放在散射體的兩邊，稱(chēng)之為前向雙散射光路；反之，若是放在散射體同側(cè)則稱(chēng)之為后向雙散射光路。圖2-3介于此光路的信號(hào)與光電探測(cè)器的方向無(wú)關(guān)，能夠在任意方向進(jìn)行信號(hào)接收。所以，在對(duì)固體速度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，一般采用差動(dòng)型測(cè)量系統(tǒng)而不用參考光系統(tǒng)[13]。另外為充分接收散射光的光能量，我們還可使用較大口徑的接收透鏡，這樣可有效地提高信號(hào)信噪比。該系統(tǒng)中只要滿(mǎn)足兩束光完全相交就行，所以其光路調(diào)整相對(duì)簡(jiǎn)單。2.2.3單光束型多普勒測(cè)量單光束型激光多普勒測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為光束是先合后分，這一點(diǎn)與雙散射光束型恰好相反。入射激光經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡后就在測(cè)量點(diǎn)上聚焦，而后被測(cè)量點(diǎn)上的同一微粒散射向兩個(gè)不同方向，如圖2-4示光路圖，最后兩束散射光線(xiàn)經(jīng)會(huì)聚透鏡在一點(diǎn)上重合并發(fā)生干涉，最后照射到光探測(cè)器。該系統(tǒng)見(jiàn)圖2-4所示：圖2-4單光束光路在該類(lèi)光路系統(tǒng)中，要控制散射光的接收孔的徑角，徑角過(guò)大的話(huà)則會(huì)引起頻譜較大幅度的加寬。各類(lèi)光路系統(tǒng)按照散射光的接收方向分類(lèi)都可以分為前、后向散射接收兩大類(lèi)。定義在2.2.2中已有介紹。通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn)，采用前向散射光路能夠很容易得獲得高信噪比的多普勒信號(hào)。前向散射光路的缺點(diǎn)體現(xiàn)在：被測(cè)流體必須能通光，在進(jìn)行流體測(cè)量時(shí)測(cè)量點(diǎn)必須不斷改變，光束發(fā)送系統(tǒng)和它對(duì)應(yīng)的接收系統(tǒng)必須保證同步移動(dòng)。另外我們每測(cè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)就必須對(duì)光路進(jìn)行一次調(diào)整以保證測(cè)點(diǎn)的像始終能在接收的小孔光闌上成像，如此做很費(fèi)事[8]。而后向接受（接收散射微粒向后散射的光）則有效的避免了這一缺點(diǎn)。通過(guò)上面的比較分析我們可以發(fā)現(xiàn)，參考光束型測(cè)速系統(tǒng)中有一束光并不經(jīng)過(guò)多普勒頻移，從而有效地減少了計(jì)算量和光路調(diào)節(jié)的程序。這種方法經(jīng)常在縱向多普勒測(cè)量中被采用。我們可以的出這樣的分析結(jié)果：下文分析探究的測(cè)振系統(tǒng)采用參考光后向散射的方法進(jìn)行測(cè)量（具體光路見(jiàn)第三章），選取震動(dòng)平面，信號(hào)光垂直入射，垂直反射，這樣做有效的減少了散射角對(duì)測(cè)量精度和信噪比的影響，同時(shí)光路的搭建也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了得到較高的信噪比和良好的多普勒信號(hào)我們必須根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)條件來(lái)調(diào)整兩束光合適的光強(qiáng)比例。其大概的設(shè)計(jì)圖如下圖2-5所示：圖2-5單光束參考光路圖2.3振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量上文介紹了運(yùn)動(dòng)散射體的激光多普勒頻移，在此基礎(chǔ)上我們將對(duì)激光多普勒測(cè)振技術(shù)進(jìn)行理論分析。根據(jù)式（2-9）可知：我們可以由多普勒頻移量算出被測(cè)物體運(yùn)動(dòng)的速度。我們現(xiàn)有的光電探測(cè)器都無(wú)法直接測(cè)得過(guò)高頻率的光頻變化，而光學(xué)差拍技術(shù)在這一點(diǎn)上就顯示出了它的優(yōu)越性。設(shè)散射光與參考光頻率分別為，它們?cè)诠馓綔y(cè)器表面形成的電場(chǎng)強(qiáng)度：（2-10）（2-11）式中：--兩束光的振幅；、--兩束光的初始位相。兩束光混頻后對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)：（2-12）又已知混頻后形成的電場(chǎng)強(qiáng)度的平方正比于光強(qiáng)度，故有：（2-13）（2-14）式中：兩束光的初始相位差。如兩光相干（它們初始相位相同），則表示一個(gè)常數(shù)。如果兩束頻率相同的光照射被測(cè)物體，稱(chēng)之為零差干涉。顯然當(dāng)物體靜止時(shí)，，輸出直流光電信號(hào)。如果兩束非相干光射到物體上，不管物體運(yùn)動(dòng)速度是否為為零，兩束光混頻后輸出頻率為的信號(hào)，表現(xiàn)為交流信號(hào)，我們稱(chēng)之為外差干涉。前者不能判定被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)方向。后者不但可以判別其運(yùn)動(dòng)的方向，還可以用外差技術(shù)來(lái)抑制噪聲[9]。本節(jié)主要是對(duì)基于后向散射的外差式參考光的差動(dòng)式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行理論分析探究。由激光源發(fā)出的光束經(jīng)偏振分束鏡分為參考光、頻率為和散射光Ⅱ、頻率為，被測(cè)物體以速度運(yùn)動(dòng)，當(dāng)散射光照射到運(yùn)動(dòng)的物體表面時(shí)將發(fā)生垂直反射，則顯然有入射角與散射角均為度，由式（2-9）可知：（2-15）由式（2-14）可知，在接收器上接收到的信號(hào)頻率可以表示為：（2-16）由式（2-13）可以知道多普勒頻移與入射方向和接收方向都沒(méi)關(guān)系，因此一般采用較大口徑的接收，從而提高接收信號(hào)質(zhì)量。我們可用方程表示做簡(jiǎn)諧振動(dòng)[25]的物體的位移、速度為：位移：（2-17）（2-18）上（2-17），（2-18）式中--振動(dòng)的頻率，--振幅。在不計(jì)初始相位的條件下，其角頻率表示為：（2-19）上式表示一個(gè)由物體振動(dòng)速度調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)，它們兩者相互關(guān)系見(jiàn)圖2-6所示[10]。圖2-6信號(hào)波形和兩者對(duì)應(yīng)關(guān)系圖3.光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)上文的我們對(duì)外差式光路與零差式的優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析，掌握了各種測(cè)試方法的原理和方法。并就各種測(cè)試方法的適用范圍做了系統(tǒng)的規(guī)劃。本章對(duì)結(jié)合散射光束型多普勒測(cè)試方法和外差式光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，分析和探究適用于振動(dòng)測(cè)量的差動(dòng)型后向散射的參考光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的了解掌握與進(jìn)一步的優(yōu)化。3.1光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理的光路圖見(jiàn)圖3-1。采用偏振輸出的激光器作為光源，發(fā)射的激光通過(guò)偏振分束鏡后分為兩束，其中一束作為信號(hào)光，經(jīng)過(guò)偏振分束鏡、波片、單透鏡，射向被測(cè)物體，散射后沿原光路返回。因?yàn)樯⑸涔庖?jīng)過(guò)兩次波片，偏振方向偏轉(zhuǎn)90度，則會(huì)使得在偏振分束鏡中反射，再調(diào)整波片的光軸方向，使信號(hào)光經(jīng)過(guò)該波片后，將偏振方向變成垂直并且在透過(guò)分光棱鏡后使兩光匯合、通過(guò)孔徑光闌射入光電探測(cè)器。另一束光則是作為參考光，經(jīng)五角棱鏡反射后，在聲光移頻器中加入聲光頻移、再經(jīng)過(guò)分束鏡和孔徑光闌，最后射入光電探測(cè)器。兩束光疊加后，最后通過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)行預(yù)放大，并通過(guò)示波器顯示以便觀察。被測(cè)物體可用一個(gè)小喇叭，表面磨平且與平臺(tái)垂直，粗略觀察其產(chǎn)生的多普勒頻移。實(shí)驗(yàn)中為了保證散射光強(qiáng)盡量的大一些，被測(cè)物體則不能的放置的過(guò)遠(yuǎn)。圖3-1實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)物圖見(jiàn)如圖3-2所示：圖3-2實(shí)驗(yàn)室搭建的實(shí)物圖3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇1.激光器（一般包括諧振腔、泵浦激勵(lì)源和工作物質(zhì)）2.偏振分束鏡（大多用來(lái)比較振動(dòng)方向互相垂直的兩束偏振光強(qiáng)度或是偏振光干涉系統(tǒng)）3.波片（又叫相位延遲器，它能使偏振光的兩個(gè)相互垂直的先偏振光之間產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的相位延遲，從而改變光的偏振態(tài)）4.頻移器件（常見(jiàn)的有電光器件、旋轉(zhuǎn)光柵和聲光器件）5.光電探測(cè)器（常用有光電三極管和光電倍增管等）6.示波器3.3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案分析上面的實(shí)驗(yàn)后的信號(hào)圖發(fā)現(xiàn)我們不難得到在我們得到的多普勒信號(hào)中的噪聲很大，原因可能是沒(méi)有做好信號(hào)光和參考光的光強(qiáng)控制，信號(hào)光在經(jīng)多次反射后光強(qiáng)會(huì)有所減弱，沒(méi)有形成明顯的拍頻；光斑直徑過(guò)大，該系統(tǒng)中噪聲源過(guò)多，激光沒(méi)有做好準(zhǔn)直等原因。信噪比作為衡量該系統(tǒng)質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，下面就光路中幾個(gè)對(duì)信號(hào)信噪比影響較大的因素做分析：3.3.1光強(qiáng)對(duì)信噪比的影響實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們一般是通過(guò)衰減片組來(lái)控制參考光強(qiáng)，使參考光強(qiáng)與信號(hào)光強(qiáng)的比值約為。3.3.2兩束光的空間位置對(duì)信噪比的影響假設(shè)參考光和信號(hào)光不平行，兩條光束在光電探測(cè)器光敏面上的波失夾角為，如圖3-3所示：

圖3-3兩束非平行光的分析模型我們?cè)趯?duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后不難發(fā)，現(xiàn)當(dāng)處在范圍內(nèi)時(shí)，多普勒電流會(huì)因兩束光的夾角變大而迅速減小[11]。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中調(diào)整光路時(shí)，應(yīng)盡量保證兩束光能夠平行射出，以保證有較高的多普勒電流從而獲得較強(qiáng)的多普勒信號(hào)。3.3.3提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度各種噪聲的總和從本質(zhì)上決定了測(cè)量的精確度和測(cè)量的靈敏度，以前我們對(duì)低于噪聲的信號(hào)是沒(méi)辦法進(jìn)行測(cè)量的。因此如何有效地降低各種噪聲的水平成為后來(lái)人們研究的關(guān)鍵。后來(lái)人們結(jié)合了物理學(xué)、電子學(xué)、信息論和數(shù)學(xué)等科學(xué)，把被噪聲覆蓋的弱信息從噪聲中提取出來(lái)并進(jìn)行測(cè)量。從而使人們可以對(duì)低于測(cè)量系統(tǒng)噪聲水平的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。4.誤差分析通過(guò)前面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的分析與探究我們知道，這個(gè)系統(tǒng)包括光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光電接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)前面對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，前面的整個(gè)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)在提高信號(hào)的接收質(zhì)量及增大信噪比兩方面已有了明顯改進(jìn)。光束在經(jīng)過(guò)第一個(gè)系統(tǒng)后，產(chǎn)生的帶有包被測(cè)物體信息的拍頻信號(hào)會(huì)光電接收轉(zhuǎn)換系統(tǒng)接收，并送入下一級(jí)信號(hào)的處理單元，由示波器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)的變化情況，計(jì)算測(cè)試結(jié)果。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地等硬件條件的限制，激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)與理論值肯定存在一定的差異，在數(shù)值上表現(xiàn)為誤差。誤差是不可避免的，一切測(cè)量都存在隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。由上一章的分析可知，產(chǎn)生的誤差主要取決于參考光與信號(hào)光強(qiáng)度與平行度、激光器輸出的穩(wěn)定性、多普勒頻譜增寬等等。參考光與信號(hào)光強(qiáng)度由第三章分析可知，為提高信號(hào)信噪比，參考光與信號(hào)光的光強(qiáng)比值應(yīng)為10:1，所以在具體實(shí)驗(yàn)中應(yīng)選用比例光強(qiáng)分光器，對(duì)兩束光的光強(qiáng)做以調(diào)整。參考光與信號(hào)光的平行度通過(guò)前面的分析我們知道，在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們要對(duì)分光晶體、反射鏡的位置時(shí)刻調(diào)整，以保證兩束光能夠平行出射多普勒頻譜增寬在實(shí)際測(cè)量時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)并不能得到理想狀態(tài)下的固定單一的多普勒拍頻，探測(cè)器給出的多普勒頻譜拍頻比理想狀態(tài)下頻譜的要寬。渡越時(shí)間、速度梯度、探測(cè)器孔徑等的增寬和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)都可能照成這中情況的發(fā)生。例如我們都知道的，在實(shí)驗(yàn)中我們可以通過(guò)減小激光光板的尺寸來(lái)控制速度梯度的增寬。4.各種不確定度因素的合成[10]我們?cè)诜治鲆粋€(gè)系統(tǒng)的總體誤差時(shí)，我們通常使用平均的方法。假設(shè)每一個(gè)過(guò)程相互獨(dú)立且有統(tǒng)一的誤差精度，各種不確定因素都認(rèn)為其滿(mǎn)足高斯分布，則可以寫(xiě)出系統(tǒng)總的不確定度為：5.總結(jié)與展望我們對(duì)根據(jù)航天、航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)測(cè)試的特殊性需要而提出的一種基于激光多普勒外差干涉原理的激光測(cè)振系統(tǒng)的分析與探究，學(xué)習(xí)了其實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離、非接觸和高精度的測(cè)振技術(shù)，對(duì)如何提高系統(tǒng)信噪比和系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行分析和研究。我又特別對(duì)信號(hào)的處理系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。在本論文中，我們通過(guò)了解激光多普勒測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，比較了幾種典型的測(cè)振方案，對(duì)差動(dòng)式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)方面的探究。我們完成了以下工作：研究各種測(cè)振方案，并對(duì)各測(cè)量方案進(jìn)行系統(tǒng)的比較、分析、研究。完成激光多普勒測(cè)振技術(shù)的分析探究，從理論上進(jìn)行掌握。完成了探究差動(dòng)式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)的分析，分析并對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，就如何提高系統(tǒng)信噪比，提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度進(jìn)行探究。分析了信號(hào)處理系統(tǒng)，進(jìn)一步完成了誤差分析。本課題所研究的激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)為簡(jiǎn)化系統(tǒng)，按照光學(xué)知識(shí)和各元件特性設(shè)計(jì)了適合多普勒測(cè)振原理的光路圖。由于條件的限制，系統(tǒng)所用的部件無(wú)法進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也沒(méi)有進(jìn)一步具體研究完善信號(hào)處理系統(tǒng)的電路，因此在后期工作會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)信號(hào)處理以及電路方面的學(xué)習(xí)，完善測(cè)振技術(shù)的研究。相比其他類(lèi)似技術(shù)，激光多普勒技術(shù)憑借它所擁有非接觸、無(wú)損傷、高精度、遠(yuǎn)距離大量程等優(yōu)點(diǎn)，所以自其出現(xiàn)以來(lái)，特別是八十年代后，它迅速成為現(xiàn)代科學(xué)、國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和人們生活生產(chǎn)中重要的新型檢測(cè)手段。例如美、德合作研究了激光光柵多普勒測(cè)量[12]，并運(yùn)用到了實(shí)際的機(jī)械振動(dòng)測(cè)量中。天津大學(xué)對(duì)固體表面面內(nèi)位移用激光多普勒技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量研究[13]。近年來(lái),由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，特別是半導(dǎo)體技術(shù)、光纖技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)在激光多普勒技術(shù)中的應(yīng)用，使得激光多普勒測(cè)速儀（）向著、數(shù)字化、多維化、小型化發(fā)展，并且更加迎合時(shí)代發(fā)展的需要和大眾的需求，更加注重其商業(yè)化和實(shí)用化的發(fā)展[21]。從而使激光多普勒技術(shù)真正走出了實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入了更廣泛深入的實(shí)踐階段?？傊す舛嗥绽占夹g(shù)，包含了激光技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)等尖端科學(xué)。可以說(shuō)，它的發(fā)展方向是許多當(dāng)今尖端學(xué)科的發(fā)展趨勢(shì)的代表之一。參考文獻(xiàn)：[1]YehY，CumminsHZ.LocalizedflowmeasurementswiththeHe-Nelaserspectrometer.Appl.Phys.Letter，1964[2]張峰，激光多普勒測(cè)量技術(shù)[J].上海；1984[3]王明泉，信號(hào)與系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2008[4]張才跟，鍋爐技術(shù)[M]，1984，3～19[5]蘇顯渝，李繼濤，信息光學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1999，111～117，150～156[6]趙康熊，激光應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1985[7]崔宇志，無(wú)線(xiàn)電的應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，1980[8]C.E.Riva,B.L.Petrig,R.D.ShonatandC.J.Pournara