激光多普勒频移测量技术简介

1.激光多普勒测量原理

式（2.42）及式（2.45）描述的系统只包含波源和观测者两个对象，因此只涉及单次多普勒频移。而在应用激光多普勒频移技术进行测量时，研究对象为运动物体对照射其上的光波的频移，该物理过程如图2.9所示。光源观察者相对静止，被测物体以速度υ0 运动（因此，P 点相对于S 点的速度为υ0，而Q 点相对于P 点的速度为-υ0），光源S 发出的频率为ν 的光波被物体P 所散射（或反射/衍射），在Q 处观察由物体P 散射（或反射/衍射）之后的光，P 点处观察到光频率为ν′，Q 点处观察到的光频率为ν″，因此这个过程涉及两次多普勒频移。其中，θ1为n1 与-υ0 的夹角，θ2 为n2 与υ0 的夹角。

图2.9　运动物体P 产生多普勒频移

根据式（2.42），P 点所观测到的频率方程为

Q 点接收到的光的频率方程为

因此，综合式（2.46）与式（2.47），Q 点处接收到的光的频率方程为

本式为采用光学多普勒频移技术测量运动物体运动速度时的常用方程。

如果忽略相对论效应（即令γ= 1）以及二阶小量，即可通过式（2.48）过渡得到经典的非相对论多普勒频移公式：

2.激光多普勒频移测量分类(www.xing528.com)

1）散射多普勒频移

运动物体散射会产生多普勒频移，多普勒频移的规律符合式（2.48）。其测量原理图即为图2.9，但其中角度θ1 与θ2 的选取并不是任意的，探测器的位置布置需要满足散射相关的物理定律以确保探测器能接收到散射光。

2）反射多普勒频移

运动物体的平面反射效应同样可以产生多普勒频移效应，但是利用此原理进行测量需要光源、反射面与探测器的位置关系满足光反射定律的约束。

3）衍射多普勒频移

利用衍射光栅在其自身平面内的运动能产生持久的衍射光多普勒频移。其多普勒频移符合式（2.48），但其中各个向量之间的角度还需要满足光栅方程，因此光源、光栅以及探测器的位置关系需要受到光栅方程的约束，如图2.10所示。

图2.10　光栅的多普勒频移效应

光栅常数为d 的衍射光栅在其自身平面内以速度υ0 运动，平面光波以θ1 入射，在θ2 角的方向上有一衍射波，入射光与衍射光之间需满足光栅方程，即

式中，m 为光栅的衍射级次。

综合考虑式（2.49）及式（2.50）可得光栅的衍射多普勒频移公式