激光检测技术在应用中的优势和发展

激光技术应用广泛，如激光机械加工、激光检测、激光通信和激光立体电影等。利用激光检测技术可以测量长度、位移、速度、冲击、振动等各种参数。

1.激光测量长度

精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的重要技术。现代长度计量很多都是利用光波的干涉现象来进行的，而计量的精确度主要取决于光的单色性好坏。激光是理想的光源，激光不但亮度好、方向性极好，比单色光源(氪-86 灯)还纯10 万倍，测量范围大且测量精度高。由光学原理知，某单色光的最大可测长度L 与该单色光源波长λ 及其谱线宽度δ 间的关系为

氪-86 参数：λ=605.7 nm，谱线宽度δ =0.000 47 nm，可测量最大长度L =38.5 cm。若要测长1m 的物体，就得分段测量，这就降低了测量精度。若用氦氖气体激光器所产生的激光(λ=632.8 nm)，由于它的谱线宽度小于10 -9 nm，最大可测长度几十千米，工程测量中一般均用于数米以内的测长工作，因此测量精度可在0.1 μm 之内。

2.激光测距与激光雷达

激光测距基本原理与无线电雷达一样，是将激光对准目标发出以后，测量它返回的时间。从发出到接收反射回来的信号往返总时间为t，则从发信号点到目标的时间为t/2，光的传播速度为c(c=3 ×108 m/s)，待测距离为

激光的方向性、高单色性和高功率，对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精确性至关重要，因此以激光作为光源的测距仪受到重视，很多产品都以红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器、砷化镓激光器作为测距仪的光源。

在激光测距仪基础上，进一步发展出了激光雷达技术，目前民用产品以64 线和32 线激光雷达为主，激光雷达能测出目标距离、方位、运动速度和加速度等参量。激光雷达在国防军事领域、汽车无人驾驶和辅助驾驶领域应用广泛。

3.激光测速

利用激光测速也是激光测量中一个较为重要的方面，用得较多的是激光多普勒流速计，它可以测量风洞气流速度、火箭燃料的速度、飞行器喷射气流的速度、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。

激光多普勒流速计的基本原理：当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率和入射光相比较就会产生正比于流体速度的偏移，如果我们把散射光的频率偏移测量出来，就可以得到流体的速度。图3-19 所示为激光多普勒流速计原理图。

图3-19 激光多普勒流速计原理图

1—激光器；2—聚焦透镜；3，4—接收透镜；5—平面镜；6—分光镜；7—光电倍增管；8—测量管道；9—粒子

激光多普勒流速计包括光学系统和多普勒信号处理装置两大部分。激光器1 发射出单色平行光，经聚焦透镜2 聚焦到被测流体区域内。由于流体中有运动粒子，一些光被散射，散射光(信号光)频率与未散射光(参比光)之间发生频移。散射光由接收透镜4 收集和对准，未散射光通过流体由透镜3 对准，并由平面镜5 和分光镜6 重合到散射光上，两束光在光电倍增管中进行混频后输出一个交流信号。该信号输入到频率跟踪器内进行处理，获得与多普勒频率fd 相应模拟信号。从测得的fd 值，即可得到运动粒子的速度值，从而获得流体的速度。(www.xing528.com)

4.激光测量高冲击过程

高冲击计量基准动态测试多采用激光多普勒干涉技术。激光多普勒效应是指：当单频的激光光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或者反射并由固定的探测器接收时，也可以观察到这一现象，这就是激光多普勒效应，其频率的变化称作多普勒频移。多普勒频移和物体运动速度关系如下：

高冲击激光干涉绝对测量方法主要有两类：一是测量轴向运动的单光束迈克尔逊干涉方法；二是测量垂直运动(切向)的双光束差动式干涉方法。高冲击速度高、弹靶碰撞瞬间扰动大，采用差动式光栅激光干涉方法较合适。差动式光栅激光干涉测量原理图如图3-20所示，激光器发出的光束被分光镜分为两束，从不同方向聚焦于测量合作目标面(即光栅表面)上，两光束的夹角由所采用衍射光栅的级数确定。根据光栅运动方程可知，光栅运动时每一级衍射光均产生一定的多普勒频移，频移量大小与光栅常数、衍射级数等有关，依据激光干涉理论和光栅方程可得到如下关系：

图3-20 差动式光栅激光干涉测量原理图

式中，d 为光栅常数；m1 、m2 为两路干涉光束所对应的光栅衍射级。

对于给定光栅，确定光路所采用的衍射级后，速度v 直接与多普勒频移Δf 成简单的线性关系，通过测量频率就可以得到光栅的运动速度。采用这种原理和方法实现高速测量，相比较散射粒子测速方式，信号质量高，信噪比高，而且信号连续，是高速高冲击测试的理想方法。

本方法的数据量大，多普勒信号宽带滤波若采用有限冲击响应加时窗的卷积滤波，则运算量太大，因此设计零相位递归数字宽带滤波器，运算量小很多且无相位失真。针对多普勒信号解调，采用零相位数字希尔伯特变换解调多普勒相位。普通数字微分方法是无限带宽的，高频干扰和噪声将严重影响微分运算；本项目拟采用有限带宽的数字微分方法，可以有效抑制干扰和噪声。

多普勒信号可用下式近似表示：

式中，A(t)为多普勒幅值；B(t)为多普勒信号低频漂移；Noise(t)为信号噪声。

高速高冲击激光多普勒信号处理包括多普勒信号滤波和多普勒相位解调。前者是滤除叠加在信号上的高频噪声和低频漂移，尽可能保证相位解调的可靠性与准确性；后者是根据解调的多普勒信号相位计算冲击位移。多普勒信号的处理必须保证是零相移或者线性相移，采用如图3-21 所示的处理流程。

图3-21 数据处理流程图