基于多普勒效应的激光速度传感器研究

翁俊杰，金 健，王俊卓

（江苏大学 机械学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

激光干涉法是常用的且对于近距离测量具有较高精度的测距方法，其通过实现不同频率的两束单色光产生干涉实现距离测量，该测距方法应用于军事、工业生产以及大学实验教学中[1]。应用迈克尔逊干涉法测量距离的实验中，若将其中一个反射镜连接在运动物体之上，当物体运动时，其产生的干涉条纹将出现汇聚和散开的变化，该光学变化通过后续连接的光电探测器转换为电信号，经过处理后在示波器上记录下波形，结合多普勒效应后，能够通过波形计算出物体的运动速度。

1 测速原理

1.1 迈克尔逊干涉仪测位移原理

迈克尔逊干涉仪整体结构主要包含激光器、分光镜、反射镜、光电二极管部分。反射镜分为可动的反射镜和固定的反射镜。如图1所示，激光器S射出一道激光光束，在经过分光镜G后，光束分为50%光能的两束光束，分别在可动反射镜M1和固定反射镜M2上发生反射并返回到分光镜G，这两束光的一部分经过分光镜后会聚，经过光阑到达光电二极管，由于存在光程差，两束光会发生干涉，从而产生明暗相间的干涉条纹。

图1 迈克尔逊干涉仪原理

当图1中的可动反射镜M1移动距离L时，光束的光程也会因此增加2L，于是在光电二极管中产生的暗条纹数和移动过程中的波长数N相等，即：由式（1）可知，可通过对移过视场的干涉条纹计数而得到可动反光镜移动的距离。

1.2 多普勒测速原理

多普勒效应是运用多普勒频移得到运动速度[2]。当可动反射镜M2以速度v朝向光源方向运动时，其反射光的频率f1与光源频率f0的关系为：

式（2）在的v＜＜C前提下成立，并且当移动速度v与光速C方向不平行时，可以通过平行分量计算。再次运用该理论，可以得到光电二极管所接收到的光频率f2与反射光频率f1的关系为：

式（3）结合式（2），便可以得到收到光频率f2与光源频率f0的关系为：

实验中将该光线与固定反射镜M2的反射光会聚，由于M2固定，其频率不发生变化，两光线频差较小，会聚时出现拍频干涉现象，产生的多普勒频移f3为：

式（5）即多普勒频移f'与可动反射镜M1移动速度v的关系，通过得到多普勒频移值，能够计算出运动速度[3]。而要得到多普勒频移f3，可以通过光的强度叠加来得到。应用振动叠加原理，可以分别表示频率为f'和f''的两列光波：

式（6—7）中，A1和A2分别为两束光在光接面上的振幅，φ1、φ2为初位相。两束光在接收面会聚，其合成的强度为：

式（8）中的两项分别是直流和交流分量，当连接运动物体的可动反射镜M1以速度v运动时，在光电检测器端的输出频率即为多普勒频移的余弦量，通过这样的关系能够得到多普勒频移，接着用式（5）得到可动反射镜M1的运动速度，即被测运动物体的运动速度。

1.3 外差干涉改进原理

当射向可动反射镜和固定反射镜的激光频率相等时，能够测得被测物移动速度，即用零差干涉实现速度测量[4]。通过对装置进行改进，通过双频激光器或者声光调制器，实现外差干涉。此时两个干涉臂之间存在频差，加入声光调制器后得到的频差通常较大，频差能够达到20 MHz以上。得到的频率具有较好的稳定性，能够克服光强波动产生的直流漂移影响，能够使激光功率噪声减少，因此能够在对速度较快、精度要求较高的情况下使用，也能够在测量速度的过程中，实现对被测物与被动方向进行判断。

声光调制器（AOM），基于布拉格衍射原理（如图2所示），能够调制光束偏转、强度和频率。

图2 布拉格衍射

布拉格衍射的发生需要高声波频率以及较大的声光作用强度，需要光束与声波波面按照一定角度斜入射。该衍射有0级和±1级衍射，衍射光线的能量更加集中，能够在出射角的频率和相位上实现入射光和超声波的相加和相减，从而实现对频率和相位的调制。

激光外差干涉因其具有上述的诸多优点，多应用于现场振动的检测，其原理如图3所示，假设He-Ne激光器发出的激光频率为v0，光束通过声光调制器变成频率分别为v0和（v0+v'）的两束光，其中v'为声光调制器的调制频率。频率为v0的光束通过分束器和透镜会聚在震动的被测物体上发生散射，散射光达到光电接收器作为测量光束，其光频为（v0+Δv），Δv为被测物震动产生的多普勒频移。另一束频率为（v0+v'）的光经过分束器后，由反射镜反射至光电接收器作为参考光束。

图3 激光外差测振原理

测量光束和参考光束在接收器会合成的拍频光束为：

若要满足外差干涉的副载波要求则需要v'＞3Δv～5Δv。后续混频器会将经过光电接收器转换后的拍频信号与频率为的v0信号进行混频，从而解调得到多普勒频移，多普勒频移因被测物的震动而发生随时间的变化，该变化由频率跟踪器记录下来，即检测得到被测物震动状况。

外差干涉法相较于零差干涉法虽然搭建复杂程度更高，但能够满足操作测量过程中对于速度控制的苛刻要求，也能够解决光电器件对于高频光信号难以接收转换的问题，对于速度测量精度更高，受干扰更小。

2 实验操作

测试过程主要包括：搭建和调试实验装置；获得干涉条纹；通过光电元件将光信号转换为电信号，接着对电信号进行处理，实现位移量的测量。

搭建装置过程中，使用光具组导轨，保证激光器和分光镜以及可动反射镜处于同一直线，且保持在合适的高度。因为选用了分光棱镜，故要保证不动反射镜处于棱镜的正确边向，搭建装置应当保证激光器发射光线能垂直射向分光镜，垂直照射到可动反射镜上。微调激光器支架以及固定反射镜位置角度，使反射光点重合，能够在观测端看到干涉条纹出现，如图4所示。

图4 干涉图样

通过移动可动反射镜M1能够看到干涉条纹向中心汇聚或者散开，即调试完成，用光电二极管代替观测屏，将变化的光信号转为电信号，并通过放大电路连接示波器，通过调节示波器的时间增益，能够得到范围时间内的电信号波形。移动连接可动反射镜M1的被测物，使其移动速度接近匀速，对显示信号进行傅里叶变换处理，在处理后得到的频谱图上找到最大频率即为所需要的多普勒频移f'，代入式（5）得到的速度v即为被测物的移动速度。

外差改进则需要在本来结构上外加声光调制器部分进行频率的调制，通过混频器将经过光电接收器转换后的拍频信号与频率为v0的信号进行混频，得到的多普勒频移通过频率跟踪器记录。要注意的是，因为被测物体多为漫反射体，需要在实验中改善返回光的波面，测量光线要尽可能会聚，从而有利于对返回光的收集和对返回光波面的改善。

3 结语

激光干涉法测速具有较高的精度，能够对小范围运动、振动等进行测量。目前，在国内应用迈克尔逊干涉仪装置原理进行激光测速，不仅可以进行物理测量研究，还多应用于实际生产，如内燃机进气管道表面的速度检测、振动膜片的速度检测、旋转机械转轴的轨道分析，以及对不能连接地震式的传感器的机器零件的速度检测等。迈克尔逊干涉仪的基本结构是许多现代干涉仪的基础，其包含的原理、调试的过程和操作在光学仪器中有一定的代表性。