激光多普勒测速与光纤陀螺仪技术

"光纤陀螺-激光多普勒测速" 光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的精密仪器，主要用于测量角度和角加速度。它的基本结构是将一段光纤绕成特定直径和圈数的环状，通过计算光在光纤内往返传播的光程差来探测旋转或线性运动。光程差的表达式为，其中是光纤的长度，是光纤的直径，是光纤绕成的圈数。为了提高测角精度，通常会增大光纤陀螺仪的直径或增加圈数。 实用的环形激光测角系统常采用光纤陀螺仪，如图6-39所示，它利用了光在顺时针和逆时针方向传播时因旋转而产生的相位差来确定角度变化。这种技术在航空航天、导航系统、军事设备以及精密仪器中有着广泛的应用，因为它能提供高精度、低漂移和快速响应的角速度测量。 接下来我们转向激光多普勒测速，这是一种利用激光的多普勒效应来测量流体速度的技术。激光多普勒测速的工作原理是：发射一束单色激光照射到随流体运动的微粒上，通过分析散射光相对于入射光的频率偏移（多普勒频移）来确定流体的速度。当光源静止且流体中的微粒以速度运动时，微粒接收到的光频率会改变。这个频率变化在静止的接收器上观察到，通过差频法可以准确测量出多普勒频移。 差频法测速分为两种类型：参考光束型多普勒测速和双散射光束型多普勒测速。参考光束型测速方法如图6-32所示，它检测散射光和入射光之间的频率差异，即多普勒频移。而双散射光束型则是通过检测两束散射光之间的频差（多普勒频差）来实现测速。 在参考光束型多普勒测速中，散射光和参考光的电矢量瞬时值相混合，合成光强与合成电矢量的模平方成正比。这包括四个项，其中包含了相位差引起的指数因子，这些因子与散射光和参考光的频率差有关。通过分析这些项的变化，可以精确计算出流体的速度。 激光多普勒测速技术在流体力学、风洞实验、燃烧研究、工业过程控制等领域有重要应用，能够无接触地测量高速、湍流等复杂流动条件下的流体速度。这种技术的精度高、动态范围大，且不受流体光学性质的影响，使得它成为现代科学研究和工程实践中不可或缺的工具。