激光多普勒测速技术发展及应用漫谈（1）

仪器信息网讯 2020年 12月1日23时11分，嫦娥五号探测器稳稳软着陆在月球，落月过程中，中国科学院上海技术物理研究所研制的激光测距测速敏感器发挥着重要作用，该多普勒激光测速精度可达0.1米/秒，将三个方向的多普勒激光测速的结果反馈给导航系统，确保航天器着陆更平稳。据悉，这也是多普勒激光测速技术首次在太空导航上得到应用。

嫦娥五号激光测距测速敏感器和激光三维成像敏感器

激光多普勒测速是什么？激光多普勒测速仪发展史又是怎样？本期，我们邀请北京航天光新科技有限公司 CEO 杨开健分享激光多普勒测速技术发展及应用。

杨开健 北京航天光新科技有限公司 创始人兼CEO

1.激光多普勒测速仪原理

激光多普勒测速仪基于光学多普勒效应利用多普勒频移实现对物体线速度的非接触测量。

多普勒效应(Doppler effect)主要内容为：当声源与接收器(或观察者)之间存在相对运动时，使得接收器(或观察者)收到的声音频率，和声源发出的声音频率不同(出现频差)的现象。接收器接收的频率和声源发出的声波频率之间的差值就叫多普勒频率，其大小同声源与接收器之间的相对运动速度的大小、方向有关。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波。当然光波也具有多普勒效应。

如图所示，激光多普勒测速仪出射的激光束入射到运动物体上，部分散射光仪器接收。由于仪器相对于物体有一定的运动速度，根据多普勒效应可知，仪器接收到散射光的频率与出射激光的频率不同，分别是和，这里指仪器出射激光的频率，指多普勒频率。多普勒频率与物体的运动速度有关，通过探测多普勒频率即可计算出物体的运动速度。

激光多普勒测速仪原理示意图

2.激光多普勒测速仪发展史——解决不同时代用户的需求痛点

1964年Yeh和Commins首次观察水流中粒子的散射光频移，并证实了可利用激光多普勒频移技术来确定流动速度，Foreman和George，Golesfecion和Kreid，Pike，Huffaker等人进一步论述了多普勒技术原理、特点及其应用，使该项技术初步得以实用化，不仅可以测量液体流速，还可以测量气体的流速。

70年代是激光多普勒技术发展最为活跃的一个时期，Durst和Whitelaw提出的集成光单元有了进一步的发展，使得该系统的光路结构更为紧凑。光束扩展、偏振分离、频率分离、光学移频等近代光学技术在激光多普勒技术中得到了广泛的应用，信号处理采用了计数处理、光子相关及其它一些方法使激光多普勒技术测量范围更广泛，它的精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等优点得到了长足的发展。1975年在丹麦首都哥本哈根举行的“激光多普勒测速国际讨论会”标志着这一技术的成熟。

80年代，激光多普勒技术进入了实际应用的新阶段，它在无干扰的液体和气体测量中成为一种非常有用的工具。可应用于各种复杂流动的测试，如：湍流、剪切流、管道内流、分离流、边界层流等。随着大量实际工程、机械测试的需要，目前，固态表面的激光多普勒技术也越来越受到重视：A. E. Smart，C. J. Moore等把该项技术应用到航空发动机的研究上;清华大学利用激光多普勒技术分析磁头的运行姿态溯；美、德开始激光光栅多普勒测量的研究，由光栅衍射主极大光束形成的多普勒信号，具有信噪比高、抗干扰能力强等优点，可用于各种机械的振动测量，但使用时须将光栅和测量目标相连接，限制了它的适用范围；F. Durst和M. Zare提出了PDA(相位多普勒)技术；他们研究发现，球形粒子对两束相交光束散射，会在周围光场形成明暗相间的干涉条纹。当用两个探测器接收多普勒信号时，两路信号之间存在的相位差与粒子大小成呈线性关系。这一技术被广泛应用于粒子大小的测量中，目前也被用于折射率的测量中；天津大学进行将激光多普勒技术用于固体表面面内位移远距离测量研究。

3.从应用有限到技术逐渐商品化

激光多普勒技术虽被证明是一种非常有用的技术，但它的仪器化产品在过去相当一段时期内受气体激光器体积庞大、信号处理技术相对落后的限制，在机械工业和大型工程领域的实际应用比较有限。

近年来，许多微光学元件己经商品化，激光二极管的应用也为实现仪器小型化提供了便利条件，微小透镜取代了传统的透镜。计算机和数字信号处理技术的结合增大了振动量测量和分析的实时性和自动化程度，信号时域波形分析法、函数分析法、调和分析法等技术的成熟大大提高了测量的准确性和实用性。特别是随着传感技术和信息技术的发展，产生了一些新的测量方法，将多传感数据实时综合处理及分析变为可能，信号处理过程实现了信息化和综合化。半导体技术使得信号处理器体积减小的同时可靠性得到大大增强。这些技术的涌现，使得激光多普勒技术向着小型化、数字化、多维化、实用化、商品化等方向发展。

目前，世界上许多国家已经有成熟的激光多普勒测速产品，如美国、德国、英国、丹麦、瑞典、新加坡等。应用于工业测量领域的光路结构大部分是双光束差动结构，该结构具有易对准、接收口径大等优点。该技术已经可以在钢铁、有色金属的轧机生产线的在线测量，或者用在线缆、造纸、印刷等行业的生产线的速度测量和长度累计。

补充：

国内激光多普勒技术研究现状

据公开资料表明，国内目前从事激光多普勒技术研究的单位越来越多，清华大学、中国科学技术大学、大连理工大学、电子科技大学、国防科技大学、中国科学院上海技术物理研究所等单位都展开了激光多普勒测速技术研究。本网根据相关资料整理如下：

（图源网络公开整理）

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