儀器信息網(wǎng)訊 2020年?12月1日23時(shí)11分，嫦娥五號(hào)探測(cè)器穩(wěn)穩(wěn)軟著陸在月球，落月過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的激光測(cè)距測(cè)速敏感器發(fā)揮著重要作用，該多普勒激光測(cè)速精度可達(dá)0.1米/秒，將三個(gè)方向的多普勒激光測(cè)速的結(jié)果反饋給導(dǎo)航系統(tǒng)，確保航天器著陸更平穩(wěn)。據(jù)悉，這也是多普勒激光測(cè)速技術(shù)首次在太空導(dǎo)航上得到應(yīng)用。

嫦娥五號(hào)激光測(cè)距測(cè)速敏感器和激光三維成像敏感器

激光多普勒測(cè)速是什么？激光多普勒測(cè)速儀發(fā)展史又是怎樣？本期，我們邀請(qǐng)北京航天光新科技有限公司 CEO 楊開健分享激光多普勒測(cè)速技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用。

楊開健?北京航天光新科技有限公司?創(chuàng)始人兼CEO?

1.激光多普勒測(cè)速儀原理

激光多普勒測(cè)速儀基于光學(xué)多普勒效應(yīng)利用多普勒頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)物體線速度的非接觸測(cè)量。

多普勒效應(yīng)(Doppler effect)主要內(nèi)容為：當(dāng)聲源與接收器(或觀察者)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使得接收器(或觀察者)收到的聲音頻率，和聲源發(fā)出的聲音頻率不同(出現(xiàn)頻差)的現(xiàn)象。接收器接收的頻率和聲源發(fā)出的聲波頻率之間的差值就叫多普勒頻率，其大小同聲源與接收器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小、方向有關(guān)。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括電磁波。當(dāng)然光波也具有多普勒效應(yīng)。

如圖所示，激光多普勒測(cè)速儀出射的激光束入射到運(yùn)動(dòng)物體上，部分散射光儀器接收。由于儀器相對(duì)于物體有一定的運(yùn)動(dòng)速度，根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，儀器接收到散射光的頻率與出射激光的頻率不同，分別是和，這里指儀器出射激光的頻率，指多普勒頻率。多普勒頻率與物體的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，通過(guò)探測(cè)多普勒頻率即可計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度。

激光多普勒測(cè)速儀原理示意圖

2.激光多普勒測(cè)速儀發(fā)展史——解決不同時(shí)代用戶的需求痛點(diǎn)

1964年Yeh和Commins首次觀察水流中粒子的散射光頻移，并證實(shí)了可利用激光多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定流動(dòng)速度，F(xiàn)oreman和George，Golesfecion和Kreid，Pike，Huffaker等人進(jìn)一步論述了多普勒技術(shù)原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用，使該項(xiàng)技術(shù)初步得以實(shí)用化，不僅可以測(cè)量液體流速，還可以測(cè)量氣體的流速。

70年代是激光多普勒技術(shù)發(fā)展最為活躍的一個(gè)時(shí)期，Durst和Whitelaw提出的集成光單元有了進(jìn)一步的發(fā)展，使得該系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)更為緊湊。光束擴(kuò)展、偏振分離、頻率分離、光學(xué)移頻等近代光學(xué)技術(shù)在激光多普勒技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，信號(hào)處理采用了計(jì)數(shù)處理、光子相關(guān)及其它一些方法使激光多普勒技術(shù)測(cè)量范圍更廣泛，它的精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。1975年在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e行的“激光多普勒測(cè)速國(guó)際討論會(huì)”標(biāo)志著這一技術(shù)的成熟。

80年代，激光多普勒技術(shù)進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用的新階段，它在無(wú)干擾的液體和氣體測(cè)量中成為一種非常有用的工具?？蓱?yīng)用于各種復(fù)雜流動(dòng)的測(cè)試，如：湍流、剪切流、管道內(nèi)流、分離流、邊界層流等。隨著大量實(shí)際工程、機(jī)械測(cè)試的需要，目前，固態(tài)表面的激光多普勒技術(shù)也越來(lái)越受到重視：A. E. Smart，C. J. Moore等把該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究上;清華大學(xué)利用激光多普勒技術(shù)分析磁頭的運(yùn)行姿態(tài)溯；美、德開始激光光柵多普勒測(cè)量的研究，由光柵衍射主極大光束形成的多普勒信號(hào)，具有信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于各種機(jī)械的振動(dòng)測(cè)量，但使用時(shí)須將光柵和測(cè)量目標(biāo)相連接，限制了它的適用范圍；F. Durst和M. Zare提出了PDA(相位多普勒)技術(shù)；他們研究發(fā)現(xiàn)，球形粒子對(duì)兩束相交光束散射，會(huì)在周圍光場(chǎng)形成明暗相間的干涉條紋。當(dāng)用兩個(gè)探測(cè)器接收多普勒信號(hào)時(shí)，兩路信號(hào)之間存在的相位差與粒子大小成呈線性關(guān)系。這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于粒子大小的測(cè)量中，目前也被用于折射率的測(cè)量中；天津大學(xué)進(jìn)行將激光多普勒技術(shù)用于固體表面面內(nèi)位移遠(yuǎn)距離測(cè)量研究。

3.從應(yīng)用有限到技術(shù)逐漸商品化

激光多普勒技術(shù)雖被證明是一種非常有用的技術(shù)，但它的儀器化產(chǎn)品在過(guò)去相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)受氣體激光器體積龐大、信號(hào)處理技術(shù)相對(duì)落后的限制，在機(jī)械工業(yè)和大型工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用比較有限。

近年來(lái)，許多微光學(xué)元件己經(jīng)商品化，激光二極管的應(yīng)用也為實(shí)現(xiàn)儀器小型化提供了便利條件，微小透鏡取代了傳統(tǒng)的透鏡。計(jì)算機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的結(jié)合增大了振動(dòng)量測(cè)量和分析的實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度，信號(hào)時(shí)域波形分析法、函數(shù)分析法、調(diào)和分析法等技術(shù)的成熟大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。特別是隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的測(cè)量方法，將多傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)綜合處理及分析變?yōu)榭赡埽盘?hào)處理過(guò)程實(shí)現(xiàn)了信息化和綜合化。半導(dǎo)體技術(shù)使得信號(hào)處理器體積減小的同時(shí)可靠性得到大大增強(qiáng)。這些技術(shù)的涌現(xiàn)，使得激光多普勒技術(shù)向著小型化、數(shù)字化、多維化、實(shí)用化、商品化等方向發(fā)展。

目前，世界上許多國(guó)家已經(jīng)有成熟的激光多普勒測(cè)速產(chǎn)品，如美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、丹麥、瑞典、新加坡等。應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的光路結(jié)構(gòu)大部分是雙光束差動(dòng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有易對(duì)準(zhǔn)、接收口徑大等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)已經(jīng)可以在鋼鐵、有色金屬的軋機(jī)生產(chǎn)線的在線測(cè)量，或者用在線纜、造紙、印刷等行業(yè)的生產(chǎn)線的速度測(cè)量和長(zhǎng)度累計(jì)。

補(bǔ)充：

國(guó)內(nèi)激光多普勒技術(shù)研究現(xiàn)狀

據(jù)公開資料表明，國(guó)內(nèi)目前從事激光多普勒技術(shù)研究的單位越來(lái)越多，清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)、電子科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所等單位都展開了激光多普勒測(cè)速技術(shù)研究。本網(wǎng)根據(jù)相關(guān)資料整理如下：

（圖源網(wǎng)絡(luò)公開整理）

歡迎廣大業(yè)內(nèi)人士分享更多科學(xué)技術(shù)干貨內(nèi)容，請(qǐng)投稿至liuld@instrument.com.cn