1、基于双频激光多普勒法测生物血流速学号：04095077 姓名：刘雨林 班级：040951 班【摘要】本文设计了基于光纤结构流体速度测量装置，利用双频激光器作为光源，采用光纤代替传统的光路，采用光纤分束器实现分光，采用制冷的雪崩光电二极管(APD)为探测器，来建成一个多普勒高精度测速系统。利用一种新的双频激光多普勒测速方法：同偏振的双频激光器作为光源,，并用两个线偏振光同时传感物体的速度, ，可以大大提高最高可测量速度。可以实现对高速运动的血细胞速度的高精度测量。【关键词】 激光多普勒测速;流体流速； 双频激光器; 高速度; 偏振。【引言】光技术作为一种新兴的科学技术,正在迅速发展, 已达到较高
2、的实用水平。由于激光具有强度大、单色性好、相干性好、方向性强等特性,而被广泛地用于许多科学技术领域。激光在生物科学和医学领域得到了广泛的应用,用这种方法可以测量生物体的血液流速。从 60 年代激光出现以后，人们就开始考虑如何利用激光的单色性好和定向性好的特点来完成非接触的速度测量问题。1964 年杨(YEN)和古明斯 (Cumnis)首先利用激光的多普勒频移测定了水层流的分布，从而为激光多普勒技术的发展揭开了序幕1。它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流体，属于一种无干扰流场测量技术。多普勒效应是指产生波的振源和接收波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的信号频率与振源的频率存在差值
3、的现象。激光多普勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速度进行测量的测速技术2。传统的测量方法，如热线热膜流速计、毕托管、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等自发明以来为流动领域的研究和发展起了极大的促进作用，但是这些测量方法是接触式的，必须把探头插入流场。对流场有较大干扰影响测量的真实性和可靠性。激光多普勒测速技术(LDA)，是用于流体科学实验的主要方法之一，对于研究流体力学中基础理论所涉及的重大问题。提供了一个有效的实验段它的主要优点是空间分辨率高和光束无扰动流动属于一种无干扰流场测量技术。对生物血管的湍流的研究，激光多普勒技术的空间分辨率高，并且
4、具有跟踪快速变化速度的能力，且可非直接接触。结合生物学显微测量，LDA 技术可用于研究生物系统狭窄流道内的流动分布，把 LDA 和显微镜结合，对于生物学显微测量来说是一项很方便实用的测试技术。LDA 技术发展趋势为3：(1)集成化，即集成光学组合件代替离散的光学元件；(2)光纤化，即用大功率光学纤维代替部分光学传送部件，使体积大幅度缩小，重量减轻，机动性、灵活性、可靠性提高。(3) 智能化，即排除了人为因素的限制，确保了测量的有效性和正确性。同时提高了自动化程度。(4)精确化，即利用现代的数字信号处理技术，改善了系统的信号处理能力，并且在设计思想上有了一系列根本性突破。(5)利用全部光散射模式
5、，即利用了几何散射理论，又利用了米氏散射理论。(6)测量范围扩大到亚微米范围甚至纳米范围。激光多普勒测量方法能非常容易的实现实时在线测量。激光多普勒信号的测量范围非常的广，对环境的适应能力强，受环境影响小。随着光电子的快速发展，激光多普勒测量仪器越来越朝着便携式、坚固耐用和小型化的商用方向发展。3、目前已有的单频激光多普勒测速仪, 光路调节难度大 , 存频率的直流漂移, 受环境影响严重, 抗干扰能力差的缺点, 并且信号处理比较复杂, 应用受到很大的限制。已有的外差式双频激光测速仪采用外差干涉测量原理, 是交流测量系统, 不存在单频激光多普勒测速仪的频率直流漂移问题, 具有信号噪声小, 抗干扰能
6、力强的优点。但是，外差式双频激光测速仪的最大测量速度受限于双频激光器的频差，最高测速一般在 1000mm / s 以下 4- 5 。它们均无法满足对更高速运动物体进行速度测量的需求。为了实现对更高速运动物体的速度测量，利用新的双频激光多普勒测速方法，可以对高速运动物体的速度进行高精度测量。【多普勒测速原理】多普勒效应是指产生波的振源和接收波的探测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的信号频率与振源的频率存在差值的现象。爱因斯坦 1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应6。只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。1964 年 Yeh 和 Cummins 首次
7、观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速。我们考虑一个以速度 M 运动的光源。其光波的传播方向为向着观察者，光源原本与观察者的距离为 G（t） ，当光源运动时，光波从光源到观察者的空间距离被压缩到（C-Uw）L 那么静止观察者所记录到的光源的波长就变为：1=（C-UL）VV1=V（1-1CUL ）其中 c 为光速，入为波长，V 为频率。1 为观察到的波长，U1 为观察到的频率。【系统设计】采用双频激光器为光源，来建成一个基于双频激光器的多普勒测速系统。该激光器采用短程吸收技术, 采用 1W 的 808 nm 的 LD 抽运各向异性的晶体微片 Nd:YVO4,，获得
8、同偏振双频激光输出。激光器发出的光经分束器 BS 分为两束光。反射光作为参考光，反射回来的光携带有多普勒频移，作为测量光，将测量光和参考光用同一光电探测器( A lpha las UPD -200- SP)接收, 光电探测器输出的拍频信号。因为散射光的能量小，非常所以光能的收集采用大口径的透镜，将散射光会聚在探测器上，探测器采用雪崩光电管(APD)，PD 输出的信号经过放大器进入到模数转换器，通过数据处理环节，得出液体的流速信息，再输出显示。系统结构如图 1 所示 注：图 1 -中激光器为双频激光器1、光源模块：全固态半外腔双频激光器，采用输出为同偏振的线偏振光的双频激光器作为光源, 并使这两
9、个线偏振光同时传感速度信息 , 具有更高的光强利用率和信噪比, 可以有效提高测速上限, 扩大测速范围。双频激光多普勒测速方法的原理如图 2 所示。双频激光器发出光的频率为 f1 和 f2, 二者为偏振方向相同的线偏振光, 频差 V= V1 -V2 。输出光经分束器 BS 分为两束光。一束反射光由光电探测器 D1接收, 测得的拍频信号 fD1 作为参考信号。另一束透射光照射到以速度 u 运动的待测物体上 ,经待测物体反射后 , 具有多普勒频移的反射光由光电探测器 D2 接收, 测得的拍频信号 fD2 作为测量信号。探测器 D1 测得的参考信号的频率为:fD1 = |V1 - V2 | = V (
10、 2)探测器 D2 探测到的测量信号频率为:fD 2 = V( 1+2uc） ( 3)参考信号 fD 1 和测量信号 fD2 的频率差 f s 正比于待测速度 u, 可表示为:fs = v2uc ( 4)于是, 待测物体的速度可表示为:u =(f s2v） c ( 5)图 2-新的双频激光测速方法原理图由式( 4)可知, f s 正比于双频激光器的频差 V。相邻纵模的频率差的绝对稳定度优于激光器单一纵模的频率绝对稳定度, 因此这种测量方法具有比用单频激光器测速更高的测量稳定度。通过计算式( 4)可知, 当待测物体速度 u 很高时, fs 仍较小。即使采用同样频差的双频激光器作为光源, 这种新方
11、法的测速上限远远高于双频激光测速仪的测速上限。例如当采用频差为 4 MH z 的中心波长为 1064 nm 的双频激光器作为光源时, 已有的外差式双频激光测速仪的最高测速只有 2. 128 m / s, 而采用新的方法的最高测速则能达到 1000 m / s 以上。相对于已有激光多普勒测速仪, 这种新的双频激光测速方法具有以下优点: 1、具有很高的测速上限；2、 具有较高的测量稳定度。2、分光器：在该分束器的双折射率光纤的纤芯上含有长周期光纤光栅；另一光纤的纤芯上亦含有长周期光纤光栅与长周期光纤光栅相配套；两个光纤的包层相紧贴；该光纤上的长周期光纤光栅与另一光纤上的长周期光纤光栅相距一定的距离
12、，且两根光纤拉直后固定在一条型板上；该带有光纤的条型板被封装在圆管中。该分束器与常见的晶体偏振分束器相比，具有插入损耗小、体积小、波长选择性好隔离度高、背向反射小、成本低、易于制作的优点。实现分光比从 5：95 到 50：50 的调节。3、耦合模块：采用大口径的两级耦合模块，以保证一方面能尽可能多得收集光信号，一方面可以将光信号很好的耦合到光纤中。因为探测器和光纤是一体的。一级耦合采用大口径的透镜，二级耦合采用变径光纤，变径光纤的末端集成有探测器。数据处理模块：采用DSP 作数据处理，来进行高通滤波，傅立叶变换等运算。信号处理采用自差频率跟踪，它具有多种优点，可以将变频振荡器控制得尽可能地接近
13、信号频率。中频信号实际上可以等于零，这种形式的跟踪器的优点是可以在比湍流时间尺度更长的时间内直接对振荡器频率计数，得到平均的多普勒频率，在这种工作模式下，即使因为脱落周期太长而不能跟随流动中的脉动，也能合理地得到可靠的平均频率值。要改变反馈回路的积分时间也很方便。这是一种很有用的装置，它可以在反馈中使用很宽的带宽以获得最快的响应，并且在跟踪失锁时能够很快恢复，当信噪比很差时，也可以使用窄的带宽来提高性能。算法采用频率跟踪算法。4、探测室模块：根据空间试验的要求，选用轻质、高透明的探测室。光纤激光器所发出的光线通过温度调谐的可变能量光纤分束器，分为两束；待测液体流透过轻质，高透明的探测室；散射光
14、通过一级耦合大口径的透镜，二级耦合采用光纤，光纤的末端集成有雪崩光电二极管(APD)探测器，这样就可以有效的减小振动对探测器端耦合效率的影响。APD 工作在制冷状态下致冷温度为零下 12，这样可以有效地减小 APD 的不稳定性对于定量测量所带来的影响。后续放大环节采用恒温低失调，低漂移固定增益放大器 AD624，放大倍数为 10、50、100 可软件设定，这样可以有效的解决放大电阻的散粒噪声所带来的问题。然后通过高速，高精度，低失调，模数转换器。采用 DSP 作数据处理，来进行高通滤波，傅立叶变换等运算。算法采用频率跟踪算法，数据输出到系统管理计算机中，最后进行数据整理。能进入计数器，这样计数
15、器在 t1t2 间隔内所计数值 Nn2，被保留一段时间，并由二进制转换为十进制，由驱动器驱动 LED 显示为十进数。反向积分时间 T2=t2-t1=N(12)Tc，UREF 为恒定电压，在 t1t2间内，积分器电压的变化量 Uo(t1-t2)为 U。(t1t2)=(-U/RC) N(12)Tc，即 Uo(t1t2)=(U/RC)N(12)Tc 由上述已知 t2 时刻积分器的输出电压 U。(t2) 为零，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/URE
16、F)2000。Nm(12)是 LED 数码块上显示的读数。它与 Ui 成线性关系。如(Uref/2000)=O1mv ，那么 N(12)的值就是被测电压 Ui的 01mv 的倍数。如(Uref/2000)=1mv，则 N(12)为 Ui 的毫伏数，此时 7107 的量程为 199mv。图上的 U。积分曲线是由两段斜率不同的直线组成的，因此又成为双斜率积分型 AD 转换器。从tt2 ，U。=0 开始，控制门 G 关闭，并触发计数器向外输出读数。使 S2 合上保持 U。=0，时间间隔为(t2t3)，在(t=ts)时，控制逻辑单元使 N 位计数器复零，使 S2 打开，S1 与 Ui 相连，积分器重新
17、开始积分。【双频激光多普勒测速实验】为了验证新的双频激光多普勒测速方法的可行性, 设计并搭建了双频激光多普勒测速系统, 实验装置如图3所示。激光器采用的是清华大学电子工程系研制的全固态半外腔双频激光器(Mode lHH -1064- 2- 100)。该激光器采用短程吸收技术, 采用1W 的808 nm 的LD 抽运各向异性的N d#YVO4 晶体微片, 获得同偏振双频激光输出。选用转速可调的砂轮(直径d = 75 mm, 转速: 0 12000 rpm )作为待测物体。以砂轮边沿上的点作为测试点, 来测定砂轮边沿上对应点的切线方向的速度。激光器发出的光经分束器BS 分为两束光。反射光作为参考光
18、, 透射光以入射角照射到砂轮边沿上。由砂轮反射回来的光携带有多普勒频移, 作为测量光, 将测量光和参考光用同一光电探测器( A lpha las UPD -200- SP)接收, 光电探测器输出的拍频信号经放大后, 送往数字示波器( YOKOGAWA DL9140)。用示波器观察到的信号波形如图4所示。根据示波器上观察到的波形, 可以得到f s 以及砂轮的旋转周期T。根据式( 5)及入射角度可以计算出砂轮上测试点处切线方向的速度为:U=（f s2vcos） c ( 6)测试点处切线方向的实际速度可以通过Uw =d /T 来计算。表1给出了速度测量的结果, 可以看出, 测量结果与砂轮实际运动速度
19、吻合较好, 测量误差在2% 以内。受目前的实验条件所限, 我们尚未对更高速度运动的物体进行测量。但已经进行测量的速度已经远高于已有双频激光多普勒测速仪可测的最大速度, 所得拍频信号仅几十赫兹( 102 H z), 远低于所用激光器两个频率之差( 108 H z) , 其可测速度还可以再提高4-5个数量级。因此, 新的双频激光多普勒测速方法可以实现对高速运动物体的速度测量。图3双频激光多普勒测速实验装置示意图表1-速度测量结果( v= 558MHZ,= 73 )f s /H z U/( m/s ) Uw/( ms) Relativeerror/%41. 1717 37.855 37.105 2.
20、043. 2110 39.730 39.270 1.245. 5239 41.856 42.454 1.447. 2813 43.472 43.633 0.348. 8998 44.960 45.751 1.750. 1253 46.087 46.657 1.2【结论】1、本文利用双频激光多普勒测速方法，利用同偏振的双频激光作为探测光源, 并用两个频率的光同时传感运动物体的多普勒频移, 可以大大提高可测量速度的上限，进行较高精度的测量。2、可以满足目前对生物体血管内的血流进行非接触、高精度测量的需求, 对于医疗科学具有光明的应用前景。【参考文献】1阎石数字电子技术基础M第四版，北京：高等教育出版社2何书森，何华斌实用数字电路原理与设计速成M福建科学技术出版社3模拟电子技术M西安：电子科技大学出版社4赵负图国内外传感器手册M辽宁科学技版社5闫聚群, 吴健, 高赛, 等. 高测速双频激光干涉仪及其性能检测J. 计量学报, 2005, 26( 1): 251- 253.6高赛, 殷纯永. 高测速双频激光干涉仪 J. 光学技术,2001, 27( 3) : 238- 239.
