激光测速仪工作原理

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）欢迎广大业内人士分享更多科学技术干货内容，请投稿至liuld@instrument.com.cn

■位于广深高速上的测速电子眼，未看到检测合格标志，有的生锈，有的损坏。 广东省审计厅日前披露的“问题电子眼”（故障率高及部分处罚认定与事实不符）引起车主广泛关注，按照国家下发的《强制检定的工作计量器具和检定周期明细表》规定，测速仪的检定周期为一年。那广东部分地区的电子眼“瞎拍”是谁的过错呢？到底电子眼会不会都送检呢？记者从广东省质监局网站发现，两年来该网站仅公开237台电子眼测速仪的送检报告。截至2011年底，全省在用的“电子眼”设备共9682套（台），237台不及总数3%。 公安部：一年强检一次加贴标志 2007年国家公安部下发的《关于规范使用道路交通技术监控设备的通知》中也规定，各地公安机关交通管理部门应当定期对监控设备进行维护、保养，建立监控设备管理档案，定期将列入国家强制检定目录的在用监控设备委托法定检定机构检定。未依法检定、逾期未检定或者检定不合格的监控设备，不得继续使用。此外，法律还规定检定合格后的测速设备，需由检测机构对下发给国家统一的检定证书、检定合格证或者设备上加盖检定合格印。对此，《广州市强制检定工作计量器具管理办法》也作出了详细要求，检定不合格的、不具备制造计量器具许可证CMC标志或首次强制检定CV标志的测速设备，一律不得投入使用。 广东：两年公开报告只有237台 那么，广东测速仪到底有没有依法进行定期检测？昨日下午，记者在广东省质监局的信息网站上找到了三份《依法申请强制检定工作计量器具检定结果公布情况表》，其中一份于2011年9月发布，其余两份分别为今年5月末和6月末发布，三份公布均未标明检测时间。 据今年的两份检定结果显示，全省各个地区共有121台测速设备进行了检定，检测机构为广东省计量科学研究院，检测结果全部合格，有效期至明年5月。其中，广州市内进行检测的测速仪只有4台，均为机动车超速自动监测系统的定点测速仪器，使用单位为市公安局交警支队番禺大队。此外，省内其他地区进行检定的检测仪也并不多，其中中山市最多为36台，梅州、云浮等地只有一两台；东莞、深圳等交通大市更是“榜上无名”。 在2011年发布的检定结果中，受检测速仪也只有116台，结果也全部合格，检定有效期均为今年8月到9月，即将面临过期。其中，广州市仅有25台，佛山有43台，韶关有24台，省内其他地区的也都寥寥无几，深圳、肇庆等多个珠三角城市的检定数据再次缺席。 至去年底，全省在用的“电子眼”设备共9682套（台），公布检测报告的237台不及总数3%。 析因：广东管理规定未细化 在公安部发布《关于规范使用道路交通技术监控设备的通知》后，我国各个省份根据通知，发布了当地的道路交通技术监控设备管理规定。其中，江苏、贵州、辽宁省的相关管理文件中，均规定了各级公安机关必须建立监控设备管理档案，登记编号、使用时间、类型，设置地点和检定合格情况等信息，并向有关部门报备。 相比之下，记者通过网站查询并未发现广东省曾发布类似管理规定，只在2006年发布了一份《公安机关使用交通技术监控设备查处道路交通安全违法行为的规定》。该规定只粗略地提到监控设备需具备合格资质与定期送检，并未提及设立设备管理档案及信息公开，且定期送检的时间也是个未知数。 记者在前日和昨日联系了广东省质监局咨询广东对道路交通技术监控设备监管的相关规定，但省质监局的联系人表示正在请示，记者至昨晚截稿时尚未得到答复。 电子眼怎么管 各地差异大 同样都是对于电子眼等交通电子监控设备的定期送检管理办法，东莞、佛山、中山却各有各的区别，其中佛山交警和交管部门甚至回应“不归我管”。省审计厅公布的“问题电子眼”（故障率高及部分处罚认定与事实不符）产生原因，由此可见一斑——记者昨日调查发现，虽然公安部和国家相关部门对道路交通技术监控设备的维护、监管早有明文规定要求强制检测，合格后才能继续使用。但相对国内其他省份，广东省的地方法规却存在未对送检时间、送检方式、备案等关键词进行细化的情况，各地标准存在巨大差异。 ●佛山 市交警称电子眼由各区管 昨日下午，针对佛山市电子眼分布及日常维护情况，佛山交警支队相关负责人称，目前佛山的电子眼由各区负责，市交警没有统一管理，也没有统计数据，“具体的你要去问各区”。记者致电佛山市交通局，得到的回应也是电子眼不属于他们管理。 记者随后搜索佛山交警及佛山市交通局的官网，均未找到有关电子眼的相关资料。据了解，2009年3月底，佛山交警正式向社会公布佛山一环、高速公路及五区道路共242个电子眼监控点分布位置。截至去年底，南海区也增添至158套“电子警察”。 ●中山 测速电子眼需每年检一次 中山市交警支队有关负责人表示，按照有关规定，中山市电子监控设备送检分两种情况：一种是测速性（包括固定测速与移动测速）的电子警察，安装投用前，要经过省质量技术监督部门的检测，合格后才能投用，以后每年检测一次，若合格的，需在电子警察设备上张贴合格证标签，有效期为一年；若不合格的，便不能再执法，须调试至正常状态后，才可以执法。检测费用是由道路交通管理方自己掏钱，具体为每一个车道1600元。 另外一种情况是安装在红绿灯口，抓拍机动车辆是否冲红灯，即证据性的电子警察，须在安装前，具备公安部产品质量监测合格证，否则不予安装。但是，只要有合格证，便不需每年检测一次。 相关负责人称，除前不久一台电子警察设备在安装前，就被质量技术监督部门发现有问题，要求其调试好后才能启用外，中山每年的例行检测，都没有检测出什么问题。 据了解，中山市目前有智能电子警察300余套，至二期电子警察安装完毕后，全市电子警察总数将达到366套。 ●东莞 以检定合格报告为准 东莞市交警支队负责人称，根据相关规定，东莞市电子警察检定周期为一年。依法进行周期检定后，检定部门将出具检定合格报告，交警部门以该报告为依据确认摄像头是否符合使用标准。至于是否在摄像头上粘贴检定合格标志，市民无法直观看到。对于检定出的不合格的测速仪，将不得用于道路执法，其所出具的数据也不能作为执法证据使用。 东莞交警支队宣传科还表示，东莞严格按照省公安厅有关规定要求执行。在抓拍时设定上浮值为10公里，对驾驶机动车辆超过道路限速值10公里以内的，实施警告教育，不进行罚款。例如限速80公里/小时的路段，实际抓拍值为90公里/小时以上才予以罚款。 据了解，目前东莞市（包括镇）共有1051套摄像头，市区范围（包括东城、南城、莞城、万江共四个区）全部统一由市财政出资建设，镇街统一由镇财政出资建设。交警部门按相关法律法规对全市电子眼监控系统进行管理、维护。 省公安厅交管局召开紧急会议要求：全面摸查“问题电子眼” 命令各地交警部门上报，称如果发现问题一定向社会公布处理结果 新快报前日昨日接连报道广东省存在“问题电子眼”，引发社会各界强烈关注。昨日下午，广东省公安厅交通管理局正式回应本报：该局领导高度重视“问题电子眼”事件，已责成相关人员组织调查，发现问题后着手解决，并将向媒体通报处理结果。 广东省交管局有关人士昨日致电本报记者时称：“省交管局局长在新快报等媒体对广东‘问题电子眼’情况进行报道后，高度重视此事，并于7月25日召集相关负责人召开紧急会议，会议要求马上进行‘问题电子眼’情况的摸查处理。”据了解，广东省公安厅目前正积极请求发布“问题电子眼”审计数据的省审计厅协助调查，并命令全省各地市交警部门上报“问题电子眼”相关情况。 有关人士称，广东省公安厅将妥善处理此事，发现问题绝不姑息，相关处理结果一定会通过媒体向社会通报。 广州曾规定测速仪无首次强检标志不得使用，但记者所见—— 巡城查看数十电子眼 没一个贴有检测标志 记者昨日驱车在广深高速、广园快速路、广州市内环路等路段巡城查看了数十个电子眼，发现有的电子眼设备已经生锈损坏，在可视范围内所见电子眼，记者均未发现贴有任何检测合格标志。记者查阅相关文件了解到，广州市1996年发布的《广州市强制检定工作计量器具管理办法》中就有规定，测速仪无制造计量器具许可证CMC标志或首次强制检定CV标志的不得使用。 广深高速电子眼多生锈损坏 记者昨日驱车从中山大道环城高速入口进入广深高速公路后，发现设置在花基中央的第一个电子眼在K8 500至K8 600路段之间，记者仔细观察发现，这个电子眼的两个“玻璃眼”（监控设备通过此处拍摄）已被砸碎；距离此处约一公里，在K9 700至K9 800路段之间，记者又发现了第二个标识为“广州交警39”的电子眼，该电子外箱锈迹斑斑；在K11 000处的“广州交警33”号电子眼与其他两处稍有不同，该电子眼的外箱除了生锈外，记者甚至未找到锁箱子的钥匙眼，也未见加锁。 沿广深高速一直往深圳方向，此类“铁箱”式电子眼甚多，但生锈的情况较为普遍。 记者未见电子眼贴合格标志 记者昨日采访多位市民，他们认为，电子眼作为执法工具，本身质量是否合格至关重要，作为执法部门有责任定期送检，市民更有权利知道电子眼是否通过检测合格，相关部门有义务将检测合格的标志贴于明显位置。但记者昨日巡城的结果却差强人意。在广深高速公路上，记者所看到的电子眼在可视范围内均未发现贴有任何检测合格标志。在广园快速路上，记者通过长焦镜头拍摄了五山路段、瘦狗岭路段、金贵村等路段的电子眼，另外，记者还拍摄了内环路多个电子眼的照片，通过仔细查看，在电子眼机身外表，以及安装电子眼的支架上并未发现贴有任何检测合格的标志。 测速仪检定单位之一、省计量科学研究院有关人士透露： 抓拍冲红灯电子眼从未接到检定任务 据了解，珠三角地区的部分测速设备由深圳市中×科技股份有限公司供应。据该公司的一名销售人员魏某表示，目前珠三角内的测速仪主要以传统的地感线圈测速系统为主，价格大约为4万到5万元一套，包含同向两个车道的摄像头。另一种雷达测速系统则较昂贵，单价将近6万元，但由于性能较不稳定，使用率较低。 ●设备供应商：“未听说要贴合格标志” 魏某透露，据规定，测速仪每年都要由当地质监部门授权的检测机构进行检定；但并不需要当地公安部门送检，而是由工作人员现场对设备进行检验。检定合格后，检测机构需对业主出具合格证书，若不合格，会进行调试维修。他透露，两种测速仪的检定费用约为每套1200元到1300元，均由设备使用者、即当地的公安或交警部门支出。 至于电子眼必须张贴合格标志方能使用的规定一事，该公司广州分部的一名负责人许某却表示，其从业期间内，并未发现投入使用的测速仪器上标有法定标志，大部分只具备检测合格证书。 ●检测单位：目前只有测速仪会检定 另据规定，除了测速仪属国家强制检定项目外，其他监控设备也应当有公安部门定期进行维护、保养。可除了以上三份公布情况表外，记者未能发现任何关于其它监控设备的定期维护、检测公告。 据广东省计量科学研究院为省质监局授权的相关人员张某表示，该研究院为省质监局指定的测速仪检定单位之一，每年对设备进行检定后，向设备使用单位出具检定报告，并把检定情况向省质监局汇报。但对于具体检定数量、方法以及合格率，张某并未透露。 张某称，道路监控设备有许多分类，目前只有测速仪属于国家强制检定的工作计量器具，对于其他用于监控冲红灯、变线等违章现象的设备，该院从未接到相关检定任务。

粒子图像测速仪系统　　演讲人: 许荣川博士高级应用工程师　　KHOO Yong Chuan Mike PhD　　Senior Applications Engineer　　网上讲座: 2011年1月12日上午10点　　美国TSI公司非常荣幸的为您提供有关流体力学的网上讲座, 讲座将由来自TSI的技术专家用中文讲解。讲授涵盖广泛，包括初级，中级和高级水平的流体力学研究，有助您提高测试技术的水平，与此同时提供解决方案 寻求如何优化系统得到更可靠数据。　　这次的讲座也包括更多关于TSI精准仪器在流体研究中的应用(包括所有从基础流体研究到环境和生物医学)， 请踊跃参加网上讲座以得到更多相关讯息。　　讲座将会进行40分钟及预留15分钟答疑环节。　　这是TSI公司首次推出PIV系列中文网上讲座，以帮助您提高利用PIV系统测量流体速度的技术水平。 我们将于2011年1月12日上午10点开始第一个讲座，介绍PIV系统基本原理与利用Insight3G软件进行数据采集与分析的基本技巧。　　具体内容：PIV原理及PIV实验基本原则 Insight3G中PIV系统软硬件设置、图像校准、图像优化、示踪粒子浓度调整与△T参数优化。　　网上讲座是免费为您提供，如果您有兴趣参加, 请点击链接www.tsi.com/FMwebinars(英文注册)或http://www.instrument.com.cn/netshow/SH100732/guestbook.asp(中文注册)简单填写表格，并点击“发送”。我们将在一两天内发给您相关讲座的链接，以便您在方便的时间参加。　　讲师简介: 许荣川博士是TSI新加坡的高级应用工程师，他为东南亚包括澳大利亚，台湾及韩国等地的流体及粒子仪器用户提供应用解决方案和技术支持。他于1997年在英国拉夫伯勒大学获得机械工程学位并获全额奖学金完成其博士学位