LDV简介

激光多普勒测速仪
1 激光多普勒测速仪概念
激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种
仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。

由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风
速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV的。

示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。

因此它实际上测的是微粒的运动速
度，同流体的速度并不完全一样。

幸运的是，大多数的自然微粒（空
气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。

如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性
和LDV测量的要求。

《现代流体测试技术》第八章激光多普勒测速技术刘宝杰，于贤君2015年6月15日主要内容8.1关键背景8.2基本原理8.3 测量精度的影响因素8.4典型应用案例8.5思考题测速技术的分类测量技术激光多普勒测速仪（LDV）皮托管接触式非接触式气动探针热线风速仪粒子图像测速技术（PIV、SPIV）激光诱导荧光技术（LIF、PLIF ）DGV、MTV ……Laser Doppler Velocimeter简称LDV激光多普勒效应什么是多普勒效应?多普勒效应声波设光源O、运动微粒P和静止的光检测器S之间的相对位置如，粒子的运动速度为下图所示。

其中光源光波的频率为f Array则粒子接收到的光波频率为：当U << c时，上式可以非常近似地表示为：激光多普勒效应当静止的光检测器接收到微粒散射的光波时，其间同样存在多普勒效应，其频率为：粒子向四周散射的光的频率，就是其接受到光的频率：激光多普勒效应由以上两式可得：激光多普勒效应多普勒频移f D：激光多普勒测速仪（LDV/LDA）激光器入射光学单元被测流场收集光学单元信号采集和处理激光多普勒测速仪（LDV/LDA）1964年，Yeh和Cummins三个阶段：1964-1972年：发展阶段——平均速度测量1973-1978年：成熟阶段——湍流速度测量1979年-至今：应用发展阶段——计算机化8.2.2 示踪粒子8.2.3 信号采集和处理激光光源：氩（Ar）离子激光器：476.5nm、488nm、514.5nmLDV的光源能不能不用激光光源？定向性高亮度，高能量密度相干性8.2.2示踪粒子>>>跟得上>> 粒子的跟随性问题>> 粒子的光散射性问题>>> 看得见8.2.2示踪粒子>> 粒子的跟随性8.2.2示踪粒子湍流中粒子的跟随性水中粒子的跟随性>> 粒子的跟随性8.2.2示踪粒子湍流中粒子的跟随性空气中粒子的跟随性>> 粒子的跟随性8.2.2示踪粒子高速气流中粒子的跟随性可压流中粒子的阻力系数：为Knudsen数激波波前速度波后速度x(激波下游的距离),inch在超声速或高亚音速中理想的粒子直径应小于>> 粒子的跟随性mm8.2.2示踪粒子 粒子的直径粒子的密度粒子的形状除了流体的性质外，粒子对其跟随性的主要影响因素：>> 粒子的跟随性8.2.2示踪粒子1.散射光是由包括不同阶的球谐波组成的，它们是强度取决于两种介质的特性和粒子直径与光波波长的比值；米氏(G.Mie)散射理论：1908年2.当粒子直径远小于光波波长时，散射光强度分布如下图所示，这种散射称为瑞利(Rayleigh)散射；瑞利(Rayleigh)散射>> 粒子的光散射性8.2.2示踪粒子3.当粒子直径逐渐增大，散射光强度分布逐渐偏离对称，前向比后向散射更多的光线，这种效应称为米氏效应。

激光多普勒测速仪1 激光多普勒测速仪概念激光多普勒测速仪(LDV: Laser Doppler Velocimetry)，是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。

由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA)，或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV)的。

示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。

因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。

幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。

如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。

图1 德国elovis激光多普勒测速仪2 激光多普勒测速仪组成（1）激光器（2）入射光学单元（3）频移系统（4）接受光学单元（5）数据处理器3 激光多普勒测速仪基本原理仪器发射一定频率的超声波，由于多普勒效应的存在，当被测物体移动时（不管是靠近你还是远离你）反射回来波的频率发生变化，回收的频率是(声速±物体移动速度)/波长，由于和波长都可以事先测出来（声速会随温度变化有所变化，不过可以依靠数学修正），只要将回收的频率经过频率-电压转换后，与原始数据进行比较和计算后，就可以推断出被测物体的运动速度。

图2 激光多普勒测速仪基本原理图4 激光多普勒测速仪特点和应用1）激光多普勒测量仪应用多普勒频差效应的原理，结构紧凑、重量轻、容易安装操作、容易对光调校；2）激光多普勒测量仪可以在恒温，恒湿，防震的计量室内检定量块，量杆，刻尺和坐标测量机等。

3）激光多普勒测量仪既可以对几十米甚至上百米的大量程进行精密测量，也可以对手表零件等的微小运动进行精密测量；既可以对几何量如长度、角度、直线度、平行度、平面度、垂直度等进行测量，也可以用于特殊场合，诸如半导体光刻技术的微定位和计算机存储器上记录槽间距的测量等等。

飞秒激光原理飞秒激光是一种波长1053nm的神奇之光，它的种种优势已经成功应用于各个领域，眼科手术也不例外。

但是，飞秒激光到底是通过什么原理来矫正近视的呢?飞秒激光手术的原理有两个，一个是光传输原理，一个是光爆破原理。

首先，看看飞秒激光手术的光传输原理：手术前医生将患者的基本信息资料和手术数据输入电脑(包括激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离;角膜瓣的直径、蒂的大小和宽度;激光切削的能量等)。

手术中医生操作飞秒激光机，用锥镜将角膜固定，从而保持激光头到角膜组织中激光聚焦点的精确距离。

激光聚焦的深度，也就是锥镜镜片底部到激光聚焦点的距离，飞秒激光机按照医生设定的模式传输激光脉冲，在角膜上进行各种靶向切削。

简要地说，飞秒激光的光传输原理给我们印象最深的是光传输的精确定向性和精确定位性。

其次，再来看看飞秒激光手术的光爆破原理：激光脉冲聚焦到角膜组织中，产生光爆破;每一个脉冲的光爆破，产生一个微离子，每一个微离子，蒸发大约1微米的角膜组织;蒸发角膜组织产生扩展的水泡和CO2气泡，水泡和气泡被角膜组织吸收，角膜组织因此被分离。

电脑控制的光学传输系统产生成千上万的激光脉冲，成千上万的激光脉冲按照密集的等宽度等间距的篱笆墙式的光栅模式，在同一深度聚焦，产生光爆破，在角膜组织中形成一层微小直径的气泡，使角膜组织分离，形成相应的分离面，也就是飞秒激光的切削面。

LASIK手术中制作角膜瓣就是运用的这种切削模式形成水平的分离面和垂直面。

激光脉冲还可以在角膜组织中进行任何角度和任何范围的堆砌聚焦，形成角度不同，范围不同的组织分离，所以，飞秒激光可以在角膜移植手术和lasik手术中对角膜进行片状切削，制作精美的植片和角膜瓣;也可以在角膜基质环植入手术中对角膜进行点状雕琢，制作隧道。

以上是飞秒激光矫治近视眼手术的两大原理，正是它神奇的优势使得飞秒激光矫治近视效果更加卓越。