摘 要 随着科学技术的迅猛发展，各种高科技广泛用于生产及生活中，航空、机械、国防、军事等方面的发展，都需要对各种物体运动过程进行遥测，对测量结果进行动态参数分析，包括速度、位移、形变、故障诊断、噪声等方面。使用激光多普勒对动态参数进行精确测量，不能仅能控制生产成本，提高效率，更能提前预测故障，消除隐患，保证机械设备及人身安全，极具使用价值。
【关键词】激光多普勒 远距离测量 动态参数
多普勒效应是奥地利的一位名叫多普勒的数学家及物理学家偶然发现的，当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉；相反，当声源靠近观测者时，声波的波长减小，音频变高。音频变化与观察侧同声源的距离有关，此现象即为多普勒效应。其被广泛用于科学技术多个领域，例如：多普勒雷达、多普勒B超、多普勒计程仪等。激光多普勒具有精度高、频带宽、测量范围广等特点，同时其不受环境条件和温度影响，能跟上任何快速运动的目标，能同时测量速度大小及方向，具备抗电磁干扰，易于遥测等优点，广泛用于动态参数的测量中。
1 激光多普勒技术发展现状
1964年，Yeh和Commins两人首次对水流中粒子的频移进行观察之后，证实激光多普勒技术能判定液体流动速度，随后，更多人对多普勒技术原理、特点进一步论述，才将该项技术运用到实际中来，测量液体流速的基础上进一步发展，最终研究出测量气体流速的技术。70年代，激光多普勒技术进入一个全面发展的黄金时期，Durst和Whitelaw提出的集成关单元在科研工作者的进一步研究中，光路结构更为紧凑。随后，多普勒技术的使用范围不断拓展，光束拓展、频率分离及光学移频等技术广泛用于激光多普勒技术中，采用计数方式对信号进行处理，其具备精度高、动态响应快、测量范围广等优点，使得其发展前景更为广阔。丹麦于1975年在其首都举行的“激光多普勒测速国际讨论会”，标志着该项技术已得到广泛运用。
上世纪80年代以后，激光多普勒技术处于稳步发展阶段。激光多普勒测速在流体力学中的研究较早，根据市场结构的变化，在实际工程及机械测试中的需求越来越大，流体检测的范围逐渐扩大，并且取得满意的效果。
近年来，科研工作者将研究重心放在固体目标的运功速度、加速度、位移的遥测方面，并取得一定进展。美国研制出扫描式多普勒振动计，使用扫描仪能测量二维速度，分析能流；意大利在此基础上进一步深入研究，研制出光道纤维式多普勒振动计。使用激光多普勒技术对固体目标的位移进行遥测难度很大，涉及激光测量、信息处理、信号检测等方面，与物理学和机械学相关。对固体目标进行多普勒检测，从被测物体表面散射光中获取信号，经过光的散射作用后，信号较弱，信噪比低。80年代，美国和德国对激光光栅多普勒着手研究，其光栅衍射主极大光束形成信号，因此，信号较强、抗干扰能力也很强，在机械位移测量中效果显著，但其存在一定的弊端，实际使用时，光栅与测量目标相互连接，使用范围受到一定的限制。随后，该项技术用于航空发动机中，对测量目标的位移速度、形变、故障诊断、噪声等方面遥测，使得航空技术取得进一步发展。
激光多普勒技术对人类影响甚大，其意义深远，但其仪器化产品过去技术有限，信号处理技术相对落后，其发展前景不太乐观，尤其在机械工业及大型工程领域无法全面投入使用。近年来，市场上微光学元件此起披伏，具备价廉、使用寿命长、高效率等优点，在通信、军事、医疗仪器等领域使用广泛。这些技术的涌现，推动激光多普勒测速仪向着小型化、实用化、商品化及数字化方向发展，为人类生产和生活提供便利。
2 声光控制鉴别测量物运动方向
激光多普勒检测速度主要是鉴别的速度方向。大小相同，但运动方向不一致的物体，其多普勒差拍频率几乎相同，频率不会因为速度符号的变化产生任何影响。目前方向鉴别方式一般采用双相检测、高频相位解调及光学频移等方法。
确定拍频正负时一般需要使用双相检测，将干涉信号复现于两个通道中，相位差呈90度，哪个通道的相位领先即可获得所需的方向信息，此种方法的使用前提是，两个通道都能准确收到散射光。散射体表面粗糙，则其光线去偏作用强，最好将起偏器利用到散射光路中。
高频相位解调方法的操作原理是：将微小的高频相位叠加到信号里，参考光路中放置一个具备振动功能的反射镜，反射镜依靠压电传感器驱动，对比控制反射运动的电压与高频信号，鉴别物体方向
光学频移是其中最常用的鉴别技术，在外差装置中将参考光频移，其优点为：接收通道只需一个；不受散射去偏作用影响。常使用的频移器件为旋转光栅、电光器件及声光器件。
3 激光多普勒信号的预处理
3.1 内部电子噪声
噪声是除去真实信息检测之外所得值，被称为有害信号。广义噪声一般被分为两位：一是干扰，另一种即为噪声。干扰是非测量系统引发的噪声，由外界的影响造成，可能来自宇宙，也可能是人为器件所致，最常见的是市电的干扰以及其周围强电的外部器件。不少干扰存在一定的规律，可以通过屏蔽、电源净化器等方式削弱。狭义噪声的定义是：被测对象或传感器带来的噪音，此类噪音不能彻底排除，只能设法控制在最小范围内。
3.1.1 热噪声
热噪声是1928年约翰逊首次发现的，因此又被称为“约翰逊噪声”。电子器件一般都会电传导载流子，一旦温度满足条件，载流子都会做无规则运动。但载流子受热运动影响，定向流动起伏不定，器件的热噪声电流由此形成。器件即使处于开路状态，热运动也会存在，并且不断在其中产生噪声。热噪声电压有效值为：
VN=（kTRΔf）
公式中，k表示玻耳兹曼常数，T表示绝对温度，R表示器件电阻，Δf表示系统的频带宽度。热噪声电流有效值为：
IN=
热噪声与系统允许通过的电信号频带宽度的平方根成正比，宽带越宽，噪声越大。热噪声会出现各种不一样的频率，最低频和最高频幅度无差别，保持一致。
3.1.2散粒噪声
进入探测器的光强宏观上处于稳定状态，但从光的量子特性方面考量得知，即使测量时间相同，进入探测器的光子数不一致，测量过程中中就会产生散粒噪声。光电传感器光电转换时，量子效率存在一定的问题。量子效率虽是一种平均值，其也构成一种散粒噪声。各种散粒噪声都属于白噪声，需遵守的规律为：
IN= （2el平Δf ）
VN=（2el平ΔfR2 ）
公式中l平表示平均转换电流，e表示电子电量，VN表示噪声电压。
3.1.3 低频噪声
产生低频噪声原因较复杂，与材料表面状态机PN结的漏电流因素有关。材料表面污染损伤，其晶体受到损害，金属离子沉积等都会对低频噪声产生影响。闪烁噪声的控制公式为：
IN=
公式中，A表示实验常数，a表示系数在1～2之间，β表示系数在1.0～1.35之间。一般β值取1，因此，低噪声又称1/f噪声。其与工作频率呈反比，工作频率越高，1/f噪声越小。
3.2 环境干扰噪声
外部干扰源是产生噪音的主要原因，其通过一定途径将噪声带入信号检测电路，通过电路对检测系统形成干扰。通常情况下，干扰噪声源功率大于检测电路中的有用信号大，噪音经过耦合途径后，功率减弱。外部干扰问题一般都与磁场耦合有关，通过导线串入。干扰噪声来源广泛，可能与电噪声有关，其通过磁场或者直接在电气连接的过程中耦合到电路中。
电力线噪声：工业化发展不断推动工业电气化进程，使得工频电源使用范围广泛，随处可见，由此带来的电力线干扰问题无可避免。电力线干扰噪声在尖峰脉冲和电网电压波动时表现突出。
电气设备噪声：电气设备处于工作状态时，必然会产生工频电磁场，开关环节更会产生尖峰脉冲，此外，有些电气设备不要要外力作用，自身就会产生放电干扰，弧光放电机辉光放电就是其中的典型。
射频噪声：随着互联网的普遍化，射频噪声越来越严重，并且波及范围很广。射频噪声大多为调制电磁波，检测设备中的传输导线，能不同程度地接收射频噪声，被视作接收天线。
天体噪声：宇宙射线和太阳黑子的辐射作用，使得大气中天体造成无处不在。天体噪声频率很高，其他检测系统的频带范围远不及天体噪声，普通检测仪表不受其影响，
机械起源噪声：非电起源噪声主要是机械起源噪声，例如：电路板、导线，会通过某机电传感机理，形成噪声。机械运动转换为噪音主要是机械摩擦和压电效应。
4 激光多普勒效应远距离测量的动态参数
4.1 远距离目标物运动过程中多普勒信号特征
经检测，测量系统远距离运动时，需要满足的要求很多，根据系统要求，测量4.5m距离处，固体表面发生位移的参数，利用大口径望远镜将散光全部接收。固体表面一般不光滑，光源散射回来后聚光性不强，只有微瓦量级，因此，影响光电检测输出的多普勒信号，使其变弱，容易淹没在噪声中。为了提高信燥比，确保测量结果的准确性，需要进行滤波处理，将信号放大。
4.2 激光光源选择
一般讲激光器按照工作性质分为气体、液体、固体及半导体四种。He-Ne激光器的单色性号，频率稳定度高，方向性号，可用在精密计算中，远距离跟踪目标物，满足远距离动态参数的激光光源要求。
系统所用激光器是美国某公司设计出的He-Ne激光器，参数如表1所示。
4.3 光电检测器件
多普勒效应测量目标物运动速度时，光信号频率会不断变化，所需的速度信息就在变化频率中。利用微机收集信号，在数字信号的帮助下，对其进行处理，光信号在光电接收器的作用下转化成电信号。所使用的光电接收器灵敏度及反应度必须高，能满足量子效率、电流放大倍数及频率响应。光电倍增管、光电二极管及雪崩光电二极管三种光电接收器满足要求。
光电倍增管的最大优点是放大系统效率高，能清晰反应量子效应，且噪声较小。渡越时间一般在80ns左右，由此造成的对光脉冲响应时间一般上升15ns左右，对应的频率响应在80MHz之间。一般而言，光电倍增管对红光的灵敏度极差，光电倍增管的量子效率最高值在波长400nm左右，在He-Ne波长处最低。其体积很大，较费电，因此电源必须满足其供电要求。
光电二极管的量子效率极高，这是其最大优势，在632nm左右能达到70%，自身响应时间小于1ns，体积很小，用电要求不高，低压直流供电即可。光电二极管放大作用不太理想，散射光较弱时，输出较小，必须将其放大处理。目前市场上光电二极管放大器集成的器件，即使处于微弱信号状态下，低噪音问题也能解决。
雪崩光电二极利用倍增效应，放大低噪音的同时，还能获得良好的频率效应，但与光电倍增管一样，其体积很大，因此对电源的供电要求高，需要使用高压直流供电。
4.4 多普勒信号采集
采集数字信号难度系数较高，需要的辅助仪器专业化程度较高，离不开强大数据处理功能的计算机，数据呈现在计算机中，按照计算机的模式，使其转变成计算机方便处理的数字信号，提高计算结果精准性。
按照奈奎斯采样定律要求：对某模拟信号采样之后，能还原的信号频率较少，只有原来的一般，采样频率只有比输入信号最高频率高出两倍，采样信号才能恢复原始信号。本系统信号处于高速变化状态，采集卡存储深度必须满足其要求，存储时间需达几十毫秒以上。因此，选择的采集卡容量必须大。
4.5 滤波电路设计
4.5.1 有源滤波器设计
低频部分时，信号所受干扰较多，如电源、各种结线及光学系统等，无源滤波器的主要组成部位为：电感、电容和电阻，在低频范围内，电感尺寸及性能受限，滤波性能不太理想。
有源器件、电阻、电容构成的滤波器被称为有源滤波器，与无源滤波器，其具备更多优点，不仅设计简单，而且还能提高经济效益，其阻带衰减速度快，更适合低频部分的滤波。其电路图如图2所示。
其在1MHz处衰减为3dB，衰减幅度大于70 dB，波纹小于0.5 dB。
4.5.2 无源滤波器设计
系统高频部分的噪声主要由声光调制器的波串产生，在特点点噪声会达到最大值，所以，高频部分阻带衰减速度一般不会要求过快。有源元件宽带有限，因此，音频存在范围内才能使用有源滤波器，无源滤波器不受此限制，高频滤波一般通过无源滤波器实现。其电路图如图3所示。
其在100MHz处衰减为3dB，在110MHz处衰减至少20dB，波纹小于0.5 dB。
4.6 电路整体设计
电路使用的常规电源一般为+5v、-5v、+30v等。选用78L05及79L05两种隐压芯片，分别得到+5v和-5v电压，光电二极管是33V电压稳压之后得到的数值，为30V。在滤波单元加入电源，减小电源波动及噪声所产出的影响。经多普勒放大之后，电路原理图如图4所示。
4.7 电路抗干扰措施
外界因素对高频电路影响较大，例如电源噪声、空间的辐射机等等。如果不要将噪声妥善控制，高频电路则无法正常工作。系统中，存在多样电磁干扰，影响系统正常运行及测量结果的精准度。因此，在电路设计上，一般采取下列措减少干扰：
（1）磁珠和电容组成π形滤波电路之后，能将电源滤波，起到干扰作用。同时注意电源与地线之间需要接入电容。
（2）在电路中使用贴片元件，消除元件引脚处可能产生的干扰。
（3）尽量采用直线布线，需要转弯时，折成45°即可，减少高频信号向外发射次数。同时信号线走线时要注意间距，避免距离过近交叉干扰。
（4）加粗电源线宽度，减少环路电阻，使用电源性与地线走向方向一致，增强抗噪声能力。
（5）采用同轴电缆进行测量，注重阻抗匹配，用BNC、SMA等高频电路常用连接头。
5 结束语
综上所述，随着科学技术的发展，多普勒效应广泛用于航空、机械、国防、军事等方面，对人们生产及生活带来的影响重大。通过激光多普勒效应对目标物远距离测量时，其形变过程及动态参数是研究的重点，在此基础上，最终实现非接触式远距离测量动态参数。激光多普勒技术测量固体目标时，其返回的散射光，对其实行远距离高精度遥测相对较困难，其光信号不仅微弱，而且携带的噪声很大，干扰源很多，造成信号丢失，测量结果误差大。笔者围绕此类问题，从微弱信号中获取多普勒信号，从而有效提高信号强度，降低噪音，使得动态参数测量结果更全面、更精准。激光多普勒的应用空间很广，随着科研工作者的深入研究，其一定能在更多领域发挥重要作用。
参考文献
[1]王燕，陈家璧，庄松林等.激光多普勒效应的实验验证[J].激光技术，2010，34（2）：170-172.
[2]张晓琳，唐文彦，张春富等.基于激光多普勒效应的液体表面波探测研究[J].激光技术，2010，34（2）：210-213.
[3]贺少辉.基于激光多普勒效应的微电机转速测量系统[D].天津大学，2010.12（8）：12-13.
[4]杨鑫，余纲林，王侃等.次临界实验装置动态参数的Rossi-α测量方法研究[J]核动力工程，2011，32（5）：9-12.
[5]罗军.一种便携式发动机动态参数测量仪的研制[D].合肥工业大学，2012.02（3）：8-9.
[6]顾亚雄，何飞，钟成千等.激光多普勒效应非接触井深测量研究[J].仪表技术与传感器，2011，12（5）：82-85.
[7]吴婧.运动目标激光微多普勒效应的仿真与分类识别[D].烟台大学，2010.08（11）：12-13.
[8]胡金兵，陈家璧，李春霞等.多普勒效应和逆多普勒效应的对比研究[C].//长三角地区科技论坛激光分论坛暨上海市激光学会2011年学术年会论文集.2011.08（12）：117-121.
[9]刘友，杨晓涛，马修真等.基于激光多普勒测速的流场测试技术[J].激光与红外，2012，42（1）：18-21.
[10]邢园丁，邹虹，杨德猛等.零相位滤波器在基于激光多普勒效应的动态位移信号处理中的应用[J].电子测量技术，2009，32（6）：48-50.
作者简介
李森（1961-），男，黑龙江省龙江县人，硕士研究生学历。现为中山职业技术学院副教授。主要研究方向为应用电子技术。
作者单位
中山职业技术学院 广东省中山市 528404
相关热词搜索： 多普勒效应 测量 激光 参数 动态
