儀器信息網(wǎng)訊 2020年?12月1日23時11分，嫦娥五號探測器穩(wěn)穩(wěn)軟著陸在月球，落月過程中，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制的激光測距測速敏感器發(fā)揮著重要作用，該多普勒激光測速精度可達(dá)0.1米/秒，將三個方向的多普勒激光測速的結(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速技術(shù)首次在太空導(dǎo)航上得到應(yīng)用。

嫦娥五號激光測距測速敏感器和激光三維成像敏感器

激光多普勒測速是什么？激光多普勒測速儀發(fā)展史又是怎樣？本期，我們邀請北京航天光新科技有限公司 CEO 楊開健分享激光多普勒測速技術(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.激光多普勒測速儀原理

激光多普勒測速儀基于光學(xué)多普勒效應(yīng)利用多普勒頻移實現(xiàn)對物體線速度的非接觸測量。

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)之間存在相對運(yùn)動時，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運(yùn)動速度的大小、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，激光多普勒測速儀出射的激光束入射到運(yùn)動物體上，部分散射光儀器接收。由于儀器相對于物體有一定的運(yùn)動速度，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)動速度有關(guān)，通過探測多普勒頻率即可計算出物體的運(yùn)動速度。

激光多普勒測速儀原理示意圖

2.激光多普勒測速儀發(fā)展史——解決不同時代用戶的需求痛點

1964年Yeh和Commins首次觀察水流中粒子的散射光頻移，并證實了可利用激光多普勒頻移技術(shù)來確定流動速度，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、特點及其應(yīng)用，使該項技術(shù)初步得以實用化，不僅可以測量液體流速，還可以測量氣體的流速。

70年代是激光多普勒技術(shù)發(fā)展最為活躍的一個時期，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，信號處理采用了計數(shù)處理、光子相關(guān)及其它一些方法使激光多普勒技術(shù)測量范圍更廣泛，它的精度高、線性度好、動態(tài)響應(yīng)快、測量范圍大、非接觸測量等優(yōu)點得到了長足的發(fā)展。1975年在丹麥?zhǔn)锥几绫竟e行的“激光多普勒測速國際討論會”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)入了實際應(yīng)用的新階段，它在無干擾的液體和氣體測量中成為一種非常有用的工具?？蓱?yīng)用于各種復(fù)雜流動的測試，如：湍流、剪切流、管道內(nèi)流、分離流、邊界層流等。隨著大量實際工程、機(jī)械測試的需要，目前，固態(tài)表面的激光多普勒技術(shù)也越來越受到重視：A. E. Smart，C. J. Moore等把該項技術(shù)應(yīng)用到航空發(fā)動機(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量的研究，由光柵衍射主極大光束形成的多普勒信號，具有信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，可用于各種機(jī)械的振動測量，但使用時須將光柵和測量目標(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)，球形粒子對兩束相交光束散射，會在周圍光場形成明暗相間的干涉條紋。當(dāng)用兩個探測器接收多普勒信號時，兩路信號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)用于粒子大小的測量中，目前也被用于折射率的測量中；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)品在過去相當(dāng)一段時期內(nèi)受氣體激光器體積龐大、信號處理技術(shù)相對落后的限制，在機(jī)械工業(yè)和大型工程領(lǐng)域的實際應(yīng)用比較有限。

近年來，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。計算機(jī)和數(shù)字信號處理技術(shù)的結(jié)合增大了振動量測量和分析的實時性和自動化程度，信號時域波形分析法、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量的準(zhǔn)確性和實用性。特別是隨著傳感技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的測量方法，將多傳感數(shù)據(jù)實時綜合處理及分析變?yōu)榭赡埽盘柼幚磉^程實現(xiàn)了信息化和綜合化。半導(dǎo)體技術(shù)使得信號處理器體積減小的同時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、實用化、商品化等方向發(fā)展。

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

補(bǔ)充：

國內(nèi)激光多普勒技術(shù)研究現(xiàn)狀

據(jù)公開資料表明，國內(nèi)目前從事激光多普勒技術(shù)研究的單位越來越多，清華大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、大連理工大學(xué)、電子科技大學(xué)、國防科技大學(xué)、中國科學(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速技術(shù)研究。本網(wǎng)根據(jù)相關(guān)資料整理如下：

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