1、基于雙頻激光多普勒法測生物血流速 學號：04095077 姓名：劉雨林 班級：040951班【摘要】本文設計了基于光纖結構流體速度測量裝置，利用雙頻激光器作為光源，采用光纖代替傳統的光路，采用光纖分束器實現分光，采用制冷的雪崩光電二極管(APD)為探測器，來建成一個多普勒高精度測速系統。利用一種新的雙頻激光多普勒測速方法：同偏振的雙頻激光器作為光源,，并用兩個線偏振光同時傳感物體的速度,，可以大大提高最高可測量速度。可以實現對高速運動的血細胞速度的高精度測量。【關鍵詞】 激光多普勒測速;流體流速； 雙頻激光器; 高速度; 偏振。【引言】光技術作為一種新興的科學技術,正在迅速發展,已達到較高的實

2、用水平。由于激光具有強度大、單色性好、相干性好、方向性強等特性,而被廣泛地用于許多科學技術領域。激光在生物科學和醫學領域得到了廣泛的應用,用這種方法可以測量生物體的血液流速。從60年代激光出現以后，人們就開始考慮如何利用激光的單色性好和定向性好的特點來完成非接觸的速度測量問題。1964年楊(YEN)和古明斯(Cumnis)首先利用激光的多普勒頻移測定了水層流的分布，從而為激光多普勒技術的發展揭開了序幕1。它的主要優點是空間分辨率高和光束無擾動流體，屬于一種無干擾流場測量技術。多普勒效應是指產生波的振源和接收波的探測器處于相對運動狀態下出現的探測器接收到的信號頻率與振源的頻率存在差值的現象。激光

3、多普勒法測速是利用光學多普勒效應通過檢測流體中跟隨流體一起運動的微小顆粒的散射光對流體速度進行測量的測速技術2。傳統的測量方法，如熱線熱膜流速計、畢托管、壓電探頭、機械流速儀、電磁流速計等自發明以來為流動領域的研究和發展起了極大的促進作用，但是這些測量方法是接觸式的，必須把探頭插入流場。對流場有較大干擾影響測量的真實性和可靠性。激光多普勒測速技術(LDA)，是用于流體科學實驗的主要方法之一，對于研究流體力學中基礎理論所涉及的重大問題。提供了一個有效的實驗段它的主要優點是空間分辨率高和光束無擾動流動屬于一種無干擾流場測量技術。對生物血管的湍流的研究，激光多普勒技術的空間分辨率高，并且具有跟蹤快速

4、變化速度的能力，且可非直接接觸。結合生物學顯微測量，LDA技術可用于研究生物系統狹窄流道內的流動分布，把LDA和顯微鏡結合，對于生物學顯微測量來說是一項很方便實用的測試技術。LDA技術發展趨勢為3：(1)集成化，即集成光學組合件代替離散的光學元件；(2)光纖化，即用大功率光學纖維代替部分光學傳送部件，使體積大幅度縮小，重量減輕，機動性、靈活性、可靠性提高。(3)智能化，即排除了人為因素的限制，確保了測量的有效性和正確性。同時提高了自動化程度。(4)精確化，即利用現代的數字信號處理技術，改善了系統的信號處理能力，并且在設計思想上有了一系列根本性突破。(5)利用全部光散射模式，即利用了幾何散射理論

5、，又利用了米氏散射理論。(6)測量范圍擴大到亞微米范圍甚至納米范圍。激光多普勒測量方法能非常容易的實現實時在線測量。激光多普勒信號的測量范圍非常的廣，對環境的適應能力強，受環境影響小。隨著光電子的快速發展，激光多普勒測量儀器越來越朝著便攜式、堅固耐用和小型化的商用方向發展。3、目前已有的單頻激光多普勒測速儀, 光路調節難度大, 存頻率的直流漂移, 受環境影響嚴重, 抗干擾能力差的缺點, 并且信號處理比較復雜, 應用受到很大的限制。已有的外差式雙頻激光測速儀采用外差干涉測量原理, 是交流測量系統, 不存在單頻激光多普勒測速儀的頻率直流漂移問題, 具有信號噪聲小, 抗干擾能力強的優點。但是，外差式

6、雙頻激光測速儀的最大測量速度受限于雙頻激光器的頻差，最高測速一般在1000mm / s以下 4- 5 。它們均無法滿足對更高速運動物體進行速度測量的需求。為了實現對更高速運動物體的速度測量，利用新的雙頻激光多普勒測速方法，可以對高速運動物體的速度進行高精度測量。【多普勒測速原理】多普勒效應是指產生波的振源和接收波的探測器處于相對運動狀態下出現的探測器接收到的信號頻率與振源的頻率存在差值的現象。愛因斯坦1905年在他的狹義相對論中指出，光波也具有類似的多普勒效應6。只要物體會散射光線，就可以利用多普勒效應來測量其速度。1964年Yeh和Cummins首次觀察到了水流中粒子的散射光頻移，證實了可利

7、用多普勒頻移技術來確定流動速。我們考慮一個以速度M運動的光源。其光波的傳播方向為向著觀察者，光源原本與觀察者的距離為G（t），當光源運動時，光波從光源到觀察者的空間距離被壓縮到（C-U·w）L那么靜止觀察者所記錄到的光源的波長就變為：1=（C-U·L）VV1=V（1-1C·U·L）其中c為光速，入為波長，V為頻率。1為觀察到的波長，U1為觀察到的頻率。【系統設計】采用雙頻激光器為光源，來建成一個基于雙頻激光器的多普勒測速系統。該激光器采用短程吸收技術, 采用1W 的808 nm 的LD 抽運各向異性的晶體微片Nd:YVO4,，獲得同偏振雙頻激光輸出。激光

8、器發出的光經分束器BS 分為兩束光。反射光作為參考光，反射回來的光攜帶有多普勒頻移，作為測量光，將測量光和參考光用同一光電探測器( A lpha las UPD -200- SP)接收, 光電探測器輸出的拍頻信號。因為散射光的能量小，非常所以光能的收集采用大口徑的透鏡，將散射光會聚在探測器上，探測器采用雪崩光電管(APD)，PD輸出的信號經過放大器進入到模數轉換器，通過數據處理環節，得出液體的流速信息，再輸出顯示。系統結構如圖1所示 注：圖1 -中激光器為雙頻激光器1、光源模塊：全固態半外腔雙頻激光器，采用輸出為同偏振的線偏振光的雙頻激光器作為光源, 并使這兩個線偏振光同時傳感速度信息, 具有

9、更高的光強利用率和信噪比, 可以有效提高測速上限, 擴大測速范圍。雙頻激光多普勒測速方法的原理如圖2所示。雙頻激光器發出光的頻率為f1 和f2, 二者為偏振方向相同的線偏振光, 頻差V= V1 -V2 。輸出光經分束器BS分為兩束光。一束反射光由光電探測器D1接收, 測得的拍頻信號fD1作為參考信號。另一束透射光照射到以速度u 運動的待測物體上,經待測物體反射后, 具有多普勒頻移的反射光由光電探測器D2接收, 測得的拍頻信號fD2作為測量信號。探測器D1測得的參考信號的頻率為:fD1 = |V1 - V2 | = V ( 2)探測器D2探測到的測量信號頻率為:fD 2 = V( 1+2uc）

10、( 3)參考信號fD 1和測量信號fD2的頻率差f s 正比于待測速度u, 可表示為:fs = v·2uc ( 4)于是, 待測物體的速度可表示為:u =(f s2v）· c ( 5)圖2-新的雙頻激光測速方法原理圖由式( 4)可知, f s 正比于雙頻激光器的頻差V。相鄰縱模的頻率差的絕對穩定度優于激光器單一縱模的頻率絕對穩定度, 因此這種測量方法具有比用單頻激光器測速更高的測量穩定度。通過計算式( 4)可知, 當待測物體速度u 很高時, fs 仍較小。即使采用同樣頻差的雙頻激光器作為光源, 這種新方法的測速上限遠遠高于雙頻激光測速儀的測速上限。例如當采用頻差為4 MH

11、z 的中心波長為1064 nm的雙頻激光器作為光源時, 已有的外差式雙頻激光測速儀的最高測速只有2. 128 m / s, 而采用新的方法的最高測速則能達到1000 m / s以上。相對于已有激光多普勒測速儀, 這種新的雙頻激光測速方法具有以下優點: 1、具有很高的測速上限；2、 具有較高的測量穩定度。2、分光器：在該分束器的雙折射率光纖的纖芯上含有長周期光纖光柵；另一光纖的纖芯上亦含有長周期光纖光柵與長周期光纖光柵相配套；兩個光纖的包層相緊貼；該光纖上的長周期光纖光柵與另一光纖上的長周期光纖光柵相距一定的距離，且兩根光纖拉直后固定在一條型板上；該帶有光纖的條型板被封裝在圓管中。該分束器與常見

12、的晶體偏振分束器相比，具有插入損耗小、體積小、波長選擇性好隔離度高、背向反射小、成本低、易于制作的優點。實現分光比從5：95到50：50的調節。3、耦合模塊：采用大口徑的兩級耦合模塊，以保證一方面能盡可能多得收集光信號，一方面可以將光信號很好的耦合到光纖中。因為探測器和光纖是一體的。一級耦合采用大口徑的透鏡，二級耦合采用變徑光纖，變徑光纖的末端集成有探測器。數據處理模塊：采用DSP作數據處理，來進行高通濾波，傅立葉變換等運算。信號處理采用自差頻率跟蹤，它具有多種優點，可以將變頻振蕩器控制得盡可能地接近信號頻率。中頻信號實際上可以等于零，這種形式的跟蹤器的優點是可以在比湍流時間尺度更長的時間內直

13、接對振蕩器頻率計數，得到平均的多普勒頻率，在這種工作模式下，即使因為脫落周期太長而不能跟隨流動中的脈動，也能合理地得到可靠的平均頻率值。要改變反饋回路的積分時間也很方便。這是一種很有用的裝置，它可以在反饋中使用很寬的帶寬以獲得最快的響應，并且在跟蹤失鎖時能夠很快恢復，當信噪比很差時，也可以使用窄的帶寬來提高性能。算法采用頻率跟蹤算法。4、探測室模塊：根據空間試驗的要求，選用輕質、高透明的探測室。光纖激光器所發出的光線通過溫度調諧的可變能量光纖分束器，分為兩束；待測液體流透過輕質，高透明的探測室；散射光通過一級耦合大口徑的透鏡，二級耦合采用光纖，光纖的末端集成有雪崩光電二極管(APD)探測器，這

14、樣就可以有效的減小振動對探測器端耦合效率的影響。APD工作在制冷狀態下致冷溫度為零下12，這樣可以有效地減小APD的不穩定性對于定量測量所帶來的影響。后續放大環節采用恒溫低失調，低漂移固定增益放大器AD624，放大倍數為10、50、100可軟件設定，這樣可以有效的解決放大電阻的散粒噪聲所帶來的問題。然后通過高速，高精度，低失調，模數轉換器。采用DSP作數據處理，來進行高通濾波，傅立葉變換等運算。算法采用頻率跟蹤算法，數據輸出到系統管理計算機中，最后進行數據整理。 能進入計數器，這樣計數器在t1t2間隔內所計數值Nn2，被保留一段時間，并由二進制轉換為十進制，由驅動器驅動LED顯示為十進數。反向

15、積分時間T2=t2-t1=N(12)Tc，UREF為恒定電壓，在t1t2間內，積分器電壓的變化量Uo(t1-t2)為U。(t1t2)=(-U/RC)×N(12)Tc，即Uo(t1t2)=(U/RC)×N(12)Tc由上述已知t2時刻積分器的輸出電壓U。(t2)為零，又U。(t2)=U。(t1)+Uo(t1t2)=(-U/RC)×2000 T1+Uref/RC)×N(12)T2=0。整理得Ui=(UREF2000)×N(12)，即N(12)=(Ui/UREF)×2000。Nm(12)是LED數碼塊上顯示的讀數。它與Ui成線性關系。如(U

16、ref/2000)=O1mv，那么N(12)的值就是被測電壓Ui的01mv的倍數。如(Uref/2000)=1mv，則N(12)為Ui的毫伏數，此時7107的量程為199mv。圖上的U。積分曲線是由兩段斜率不同的直線組成的，因此又成為雙斜率積分型AD轉換器。從tt2，U。=0開始，控制門G關閉，并觸發計數器向外輸出讀數。使S2合上保持U。=0，時間間隔為(t2t3)，在(t=ts)時，控制邏輯單元使N位計數器復零，使S2打開，S1與Ui相連，積分器重新開始積分。【雙頻激光多普勒測速實驗】為了驗證新的雙頻激光多普勒測速方法的可行性, 設計并搭建了雙頻激光多普勒測速系統, 實驗裝置如圖3所示。激光

17、器采用的是清華大學電子工程系研制的全固態半外腔雙頻激光器(Mode lHH -1064- 2- 100)。該激光器采用短程吸收技術, 采用1W 的808 nm 的LD 抽運各向異性的N d#YVO4 晶體微片, 獲得同偏振雙頻激光輸出。選用轉速可調的砂輪(直徑d = 75 mm, 轉速: 0 12000 rpm )作為待測物體。以砂輪邊沿上的點作為測試點, 來測定砂輪邊沿上對應點的切線方向的速度。激光器發出的光經分束器BS 分為兩束光。反射光作為參考光, 透射光以入射角照射到砂輪邊沿上。由砂輪反射回來的光攜帶有多普勒頻移, 作為測量光, 將測量光和參考光用同一光電探測器( A lpha las

18、 UPD -200- SP)接收, 光電探測器輸出的拍頻信號經放大后, 送往數字示波器( YOKOGAWA DL9140)。用示波器觀察到的信號波形如圖4所示。根據示波器上觀察到的波形, 可以得到f s 以及砂輪的旋轉周期T。根據式( 5)及入射角度可以計算出砂輪上測試點處切線方向的速度為:U=（f s2vcos）·c ( 6)測試點處切線方向的實際速度可以通過Uw =d /T 來計算。表1給出了速度測量的結果, 可以看出, 測量結果與砂輪實際運動速度吻合較好, 測量誤差在2% 以內。受目前的實驗條件所限, 我們尚未對更高速度運動的物體進行測量。但已經進行測量的速度已經遠高于已有雙頻激光多普勒測速儀可測的最大速度, 所得拍頻信號僅幾十赫茲( < 102 H z), 遠低于所用激光器兩個頻率之差( 108 H z) , 其可測速度還可以再提高4-5個數量級。因此, 新的雙頻激光多普勒