激光多普勒速度计测量技术及应用

有两种类型的激光速度计，它们分别是激光多普勒速度计和激光多普勒风力计。激光多普勒速度计测量辐射发出与辐射返回之间的频移，如图1.30所示。这种方法对于协同目标的测量是最好的，但这不是严格必要条件。

图1.30 激光多普勒速度计

向外辐射的光波长为λ₁，但当它被以速度v移动的反射镜反射回来时，波长的增长或缩短由速度v{λ₁/c}决定。例如反射镜面的速度为v，光波传输的速度为c，距离为λ₁，因此多普勒移动波长为

λ₂=λ₁[1+v/c]

当两个波在探测器上会合时，如果是两个波的波峰相遇，这表明两个波的相位相同，就会相互增强。

[λ₁/（λ₁-λ₂）]λ₂

这是拍波长，因此拍频率为

[c（λ₁-λ₂）]/（λ₁λ₂）

现在

λ₂=λ₁[1+v/c]

因此拍频率为

f_beat=[c（λ₁v/c）]/（λ₁λ₂）=v/λ₂

光脉冲飞行的时间也记录了飞行距离，该技术可以比较容易地应用到军事领域。这些仪器可以测量高速落锤和其他设备的移动速度，或者结合时间和速度可以测量移动物体的长度。不同的是它具有一个三角形的激光器，如图1.31所示，由于三角形是旋转的，因此一个方向的光路旋转与其他方向的光路旋转相比，光路长度是不同的。在探测镜上可以探测到一个拍频率，因此这个装置是一个陀螺仪，它不能被倾倒。当前它被安装在许多飞机和导弹上。(www.xing528.com)

图1.31 激光陀螺仪

采用光纤陀螺仪（FCG）代替三角形的激光陀螺仪可以获得更长的光程长度，因此可以得到更精确的测量结果。光纤陀螺仪具有尺寸小、结构坚固、重量轻和免维护的优点。它的基本结构如图1.32所示，它是基于Sagnac相干仪的原理进行运作^[19]。

图1.32 光纤陀螺仪

ΔL为光程长度增量，由N圈光纤旋转造成的光程长度增量为

ΔL=光程长度×（速度增量/光速）=（2πr）{（2rω）/c}N这将可以得到一个ΔL[2π/λ]的相移，小到10^-7rad的相移都可以被测量到。为了确保两个相反的旋转光束跟随完全相同的路径，这些光纤必须实现单模偏振。

光纤陀螺仪的应用数量正在快速增长。自从1987年开始，在东京周围，大约500000辆的尼桑（Nissan）和丰田（Toyota）车安装了汽车导航系统，这个系统使用了CD ROM地图、计算机信息显示和基于激光陀螺仪的推算定位导航系统，尽管这个系统正在被基于卫星的全球定位系统（GPS）所取代，它可以作为商业飞行器中的陀螺地平仪。一个典型的激光陀螺仪系统具有四个线圈，每个旋转轴用一个，多余的一个作为交叉检验^[20]。

重型加速运动设备使用激光陀螺仪是非常理想的，诸如导弹、自控机车、遥控的农业喷洒和在危险区域内的车辆。在地下区域内使用陀螺仪也非常理想，在这些区域内卫星不起作用，并且磁性振动会对罗盘产生干涉作用。

图1.33 激光多普勒风速计原理图

激光多普勒风速计的原理（LDA）如图1.33所示，这个设备是研究流体流动现象的标准设备。在流动气流中，分离的光束在流动气流中的点上再相遇，这个点就可被分析。在这个点，相干光束将形成杨氏条纹，如图1.33所示，在那里两束光的相位是相同的或者是相反的。如果微粒透过条纹，它们将反射光束（为了获得较好的信号，这个系统需要一些烟或者尘土），这个信号通过光电倍增器进行探测。信号中的频率可以通过快速傅里叶变换（FFT）进行分析，还分析出条纹表面的颗粒速度，分析包括速度变更和紊流。整个分析不会对流体流动产生任何干扰，并且可以进行远程测量。例如可以测量正在运行的柴油发动机内的流体流动。由于这种方法只能测量一个方向的速度矢量，为了同时测量二维的速度矢量，需要使用一个双色系统。通过分析返回信号的精确频率，多普勒频移将表征沿光轴方向的速度，因此这个仪器能够同时测量三维速度矢量。