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激光多普勒测速技术激光多普勒测速，简称LDV or LDA ，通常是用来进行流体速度的测量，所以也简称LD 。
多普勒频移由于观察者和被观察者之间有相对运动，使观察者接收到的光波频率发生变化的现象，称Doppler 频移。
例如，一个光源相对于观察者以速度v 运动，速度v与光源到观察者联线（即光传播方向）之间的夹角是θ，而光源发出频率为0ν的光波，在观察者看来，由于存在着相对运动，观察者接收到的光频率为：21/2102(1)/(1cos )v v ccννθ=--0(1cos )v cνθ+其中，c 是光在介质中的传播速度，0/c c n =.在检测中，我们通常用一个位置固定的光源照射一个运动的粒子，用一个位置固定的探测器来接收运动粒子散射的光波来探测粒子的运动速度。
如图所示，粒子以速度v 运动，速度v与粒子和光源联线的夹角是1θ，光源频率为0ν，则在粒子看来所接收的频率是 21/21012(1)/(1cos )v vc cννθ=-- 探测器与粒子联线和粒子速度v21/22122(1)/(1cos )v v ccννθ=--考虑到粒子速度比光速小得多，则可以求得散射光的多普勒频移的表达式为：2012(1(cos cos ))v cννθθ++频率检测多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量20D ννν=-，即可求得物体的运动速度。
但是，由于光的频率太高，迄今尚无直接测量光频率的可能，故而通常采用光混频技术，用混频后的差频信号来获取多普勒频移量。
设一束待测的散射光的频率为'ν，而另一束参考光的频率为ν，光探测器分别接收到它们的电场（振幅）强度为：QQS1011cos(2')E E t πνϕ=+ 2022cos(2)E E t πνϕ=+将两束光在探测器表面处混频后，得到的合成电场强度为：12011022cos(2')cos(2)E E E E t E t πνϕπνϕ=+=+++光强度为22122011022222201102201021222220110220102120102()(cos(2')cos(2))cos (2')cos (2))2cos(2')cos(2)cos (2')cos (2))cos(2('))co I E E E E t E t E t E t E E t t E t E t E E t E E πνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπννϕϕ==+=+++=++++++=++++++++12s(2('))t πννϕϕ-+-实际测得的是光强度的时间平均值222010*********cos(2('))22I E E E E E t πννϕϕ<>=<>=++-+-在光探测器上输出的电流值是22010********()()cos(2('))2i t k E E kE E t πννϕϕ=++-+-其中，k 是电流转换系数，是一个确定的比例常数。
激光多普勒效应在测速技术上的应用1842 年，奥地利科学家Doppler Christian Johann 首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler 频移。
1905 年，爱因斯坦证明了在光波中也存在多普勒效应。
1960 年，第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。
Ye h 和Cummins 在1964 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速(LDV)。
多普勒效应是LDV 测速方法实现的理论基石。
任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化。
奥地利科学家多普勒(Doppler)于1842 年首次研究了这个现象：当观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。
爱因斯坦1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。
1964 年Ye h 和Cummins 首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。
激光多普勒测速(LDV, Laser Doppler Velocimeter) 技术是一种非接触式测量技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系)得到流体或者固体的运动速度。
它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米)，获得分辨率为20～100 微米的极高的测量精度。
从原理上讲，LDV 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。
（仅供参考）激光多普勒效应及其应⽤激光多普勒效应及其应⽤摘要:本⽂介绍了激光多普勒效应的基本原理和应⽤,主要内容包括多普勒频移,光学差拍原理,参考光技术及差动多普勒技术光学系统和有关多普勒信号处理,最后介绍了激光多普勒技术的⼀些空⽓动⼒学,⽣物学等⽅⾯的应⽤,主要有速度剖⾯和湍流强度剖⾯的测量,风速测量,⽣物学的显微测量等;另外还简单介绍了⼀些激光多普勒技术的发展前景.关键词:激光；多普勒效应；多普勒频移；光学差拍；应⽤多普勒效应是1842年澳⼤利亚物理学家观察⽊星卫星运动时发现光波频率偏移⽽确定的⼀种效应．由于以往光源为多频且相⼲性差，因此多普勒效应并没有得到实际应⽤．1960年世界上第⼀台激光器的问世，使⼈们得到理想单频光源。
20世纪70年代多普勒技术开始应⽤于医学等研究领域．1 多普勒效应1.1 声学多普勒效应当声源和接受器相对运动时，接受器所接受到的声信号频率与声源的频率有差别，这种效应称为声学多普勒效应．如图1所⽰，S 为声源，运动速度为v S ，运动⽅向与朝着接受器⽅向夹⾓为θS ，声波速度为v,R 为接受器,运动速度为v R ，运动⽅向与朝着声源的⽅向夹⾓为θR ，声源频率为f S ，接受信号频率为f R ，推算出：v v cos f f v v cos R R R S S Sθθ+=- (1-1) 多普勒频移：v cos v cos f f f f v v cos R R S S D R S S S Sθθθ+=-=- (1-2) 即声学多普勒频移公式．1.2 光学多普勒效应图1 声学多普勒效应原理图图3 移动源产⽣的多普勒频移当单频的激光光源与接受器相对运动时，接受器接受到的光频率与光源频率有差别，或者当光源固定，光波从运动的物体散射或反射并由固定的接受器接受时，也可以得到变化了的光频率信号，这就是光学多普勒效应.下⾯详细说明.2 激光多普勒效应由于⼀般运动体的运动速度远⼩于光速，由此⽽造成的多普勒频移相对于光频（3*1014Hz ）变化很⼩，⽽普通光源常有⽐f D ⼤的多的频带带宽，因此，⽆法根据频带的移动来测定f D ，⽽激光却是频带极窄的相⼲辐射源，以中等速度运动的物体所引起的激光多普勒与光频相⽐虽然仍很⼩,但与光源带宽相⽐则⼤的多,能够运⽤光外差技术检测出f D 的值，从⽽获得物体的运动信息，所以我们通常⽤激光作为光学多普勒效应的光源.2.1 多普勒频移2.1.1 多普勒频移的由来如图2所⽰P 点处观察者接受到的波运动．假设波源S 是静⽌的,观察者以速度v 在移动，波的速度为c ，波长为λ，如果P 离开S ⾜够远(和λ相⽐)，可把靠近P 点的波看作平⾯波．单位时间内P 朝着S ⽅向运动的距离为vcos θ，θ是速度向量和波运动⽅向之间的夹⾓．因此单位时间内⽐起P 点为静⽌时多拦截了v cos θλ个波.对于移动观察者感受的频率增加为：vcos v θλ?= (2-1)因c v λ=, v 是S 发射的频率或由静⽌观察者测量的频率,频率的相对变化为：vcos cv v θ?= (2-2) 这是基本的多普勒频移⽅程.2.1.2 移动源的多普勒频移在2.1.1中曾假设波运动的源是静⽌的,更普遍的情况是波源移动,⽽观察者向对于传播波运动的介质是静⽌的,这种情况下最简单的多普勒频移推导可由图3得到.现在来研究时刻t 相继两个波前上的⼀部分AB 和CD,它们分别是由波源S 1和S 2在时刻 t 1和t 2发射出来的,由此：S 1A=c(t-t 1)及S 2D=c(t-t 2) (2-3)其中c 是波运动的速度,相继两个波前之间在波源处的时间间隔当图2 移动观察者感受到的多普勒频移的说明图4 (a)相对运动中参考系之间的坐标变换(b)波源静⽌时坐标系中的平⾯波然是发送波运动时的周期，因⽽：211t t vτ-== (2-4) v 是波源处的频率,在此时间间隔内波源从S 1移动到S 2，因此：12s s v τ= (2-5)则观察到的波长，AB 和CD 的间隔为：1212'=AC =S A-S D-S S cos λθ (2-6)θ是S 1A 和波速⽮量v 之间的⾓度象.前述那样，离波源⾜够远处可把波前作为平⾯波来处理．利⽤⽅程(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)可得出．'=c -v cos λττθ (2-7)由于''c v λ=，v ’是接受到的频率,相对多普勒频移为：v cos 'c v 1cos cv v v v v θθ?-==- (2-8) 这个公式和(2-2)不同，虽然这两种情况中波源和观察者的相对运动是⼀样的.特别要注意的是，假如v>c ，移动波源的Δv 可变为⽆限⼤.对于移动观察者,这⼀点是不可能发⽣的，然⽽，当速度很⼩时，可把(2-8)式展成v/c 的幂级数：222v v cos cos c c v θθγ?=++ (2-9)该公式中的v/c 的⼀次项和式(2-2)⼀样,在这种近似中,频移只依赖于波源和观察者的相对速度,⽽与介质⽆关．2.1.3 相对论多普勒频移虽然我们承认声学中波动传播的介质，⽽这个概念对于光波来说是没有意义的，应该⽤相对论原理来处理这个问题。
激光多普勒测速技术原理及其应用作者：陈益萍来源：《电子世界》2013年第07期【摘要】激光多普勒测速仪（简称LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。
本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。
在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。
所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。
二十世纪六十年代，激光器得以发明。
激光的出现大力地促进了各个学科的发展。
由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。
伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。
激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应3.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。
激光多普勒测速实验教程
一、实验概述
激光多普勒测速实验是一种常用的测速方法，通过测量目标物体表面反射回来的激光光束频率变化，从而得出目标物体的速度。
本实验将介绍激光多普勒测速的原理、实验装置搭建、实验步骤及注意事项。
二、实验原理
激光多普勒效应是指当激光束照射到运动的物体表面时，反射回来的光束频率会因为物体运动而发生变化。
根据多普勒效应公式，可以得出：
$$f_r = f_0 \\cdot \\left(1 + \\frac{v}{c} \\cdot \\cos\\theta\\right)$$
其中，f r为接收到的激光频率，f0为激光发射频率，v为物体运动速度，c为光速，$\\theta$为激光与物体运动方向的夹角。
三、实验装置
该实验所需装置包括： - 激光发射器 - 激光接收器 - 反射镜 - 运动平台 - 计算机
四、实验步骤
1.将激光发射器和激光接收器固定在实验台上，使其间距一定。
2.在运动平台上放置反射镜，调整反射镜位置，使激光光束正好反射回
激光接收器。
3.启动激光发射器，发射激光光束照射到运动平台上的反射镜。
4.记录激光接收器接收到的频率数据，并测量反射镜在运动平台上的速
度。
5.利用多普勒效应公式计算出反射镜的运动速度，与实际测得的速度进
行对比。
五、注意事项
1.实验中需注意激光光束安全，避免直接照射眼睛。
2.反射镜位置调整需准确，确保激光正好反射回激光接收器。
3.实验过程中要小心操作，避免损坏实验装置。
通过本实验，可以深入了解激光多普勒测速的原理与应用，提高实验操作能力和理论水平。
