激光多普勒测速技术具有非接触、无磨损、精度高等优点, 被广泛应用于工业、航海、航天等领域的高精度速度、加速度、长度测量。双光束激光多普勒测速技术作为其中的一个分支, 具有结构简单、抗干扰强的特点。为提升双光束激光多普勒测速技术的测量精度, 搭建一种测量圆周转动线速度的轴对称型双光束激光多普勒系统, 采用高速响应的探测器观测差频信号。当目标的线速度为1 596.6 mm/s时, 激光多普勒差频信号理论值是0.975 MHz, 测量角度为0°, 实验观测到的差频信号是1.013 MHz, 与理论值相比误差约为3.8%; 进而变换观测器的不同角度位置, 测量得到的多普勒频移和0°的频移误差在0.8%以内。结果表明, 该测量系统能够测量到运动物体的多普勒频移信号, 同时更改双光束激光多普勒测速的观测器角度, 不影响测量结果。该实验系统为后续进一步进行激光多普勒测速技术的研发打下了良好的基础。

为了给车式载体提供更准确的高程信息,提出了基于激光多普勒测速仪与惯性导航系统进行组合构建车载高程计的方案。利用激光多普勒测速仪与惯性导航系统分别测量车式载体的速度和姿态角,并结合初始点的高程解算得到待测点的高程。阐述了系统的结构和基本原理,并进行了车载实验。理论分析和实验结果表明：所设计的激光测速仪测量精度优于测量值的0.285%,将其与惯性导航系统进行组合测量某一地点高程信息是切实可行的。

为了解决航天器操纵旋转套筒内螺纹的自动检测问题, 特别是在内螺纹件表面有油污与锈蚀时, 单纯地利用光学图像检测的方法很难更好地解决问题, 利用平流气体吹向内螺纹, 从而形成了映射着内螺纹形貌的湍流输出, 然后利用多普勒激光测量内螺纹的湍流特性。研究了内螺纹气体湍流的拉伸与压缩过程的数据特性, 利用箱线图的方法处理内螺纹湍流数据, 建立了内螺纹湍流箱线图的标准样板库, 将检测数据与标准样板对比检测,结果表明: 当异常值阈值设为7%时, 检测准确率为99.3%。气体湍流激光多普勒式检测内螺纹方法可行,克服了表面油污等难点,完全满足检测的要求。

利用差动激光多普勒探测法，研究了能够探测尾流中气泡和湍流分布的光学诊断方法。实验研究了模拟尾流场中运动气泡及湍流的后向散射光的多普勒频移谱特性。采用差动相干探测法获得了模拟尾流场的流速，测量值与实际流速误差小于1.5％。实验结果表明：相干光束夹角对散射光频移量具有明显影响，散射光多普勒频移量随两相干光夹角的增大而增大；气泡运动引起的频移主要集中在低频端，为一宽带谱；并且频移谱的宽度随气泡数密度的增大而增大。频谱的这一特征可作为舰船尾流识别的判据之一。

提出了一种基于气泡群后向散射光多普勒频移谱特性的舰船尾流检测方法。利用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法对尾流区运动气泡群后向散射激光多普勒频移谱进行了理论模拟，分析了气泡数密度和速率分布对后向散射光信号多普勒频移谱特性的影响。在此基础上，利用差动型激光多普勒探测方法，实验研究了模拟尾流气泡群后向散射光多普勒频移谱特性，实验结果与理论模拟基本符合。研究表明，随着尾流中气泡数密度和速率分布范围的增大，后向散射光信号的多普勒频移谱的幅度、截止频移也随之增大。这证明了激光后向散射多普勒频移谱特性分析法可作为一种有效的尾流检测方法。

针对用电活性聚合物(EAP)薄膜制造柔性智能器件提出的理论模型和性能要求, 采用一种铁电高分子聚合物薄膜制作了柔性结构器件, 建立了它的动力学方程、振动行为模型及其机电性能描述。研究了预张力-抗弯刚度、驱动电压、器件几何参数对柔性薄膜器件性能的影响。提出了柔性薄膜器件在预张力和抗弯刚度共同作用下的振动行为模型及其特征化描述, 用数值模拟和有限元仿真研究了杨氏模量及预张力-刚度比对柔性薄膜结构振动行为的影响, 基于有限元模型与激光多普勒技术模拟和实测了EAP薄膜柔性结构的模态振型。此外, 基于压电激励-激光拾振方法研究了驱动电压及器件几何尺寸对EAP薄膜柔性结构动态响应特性的影响。实验结果验证了激光多普勒技术用于EAP薄膜智能器件测试的有效性, 揭示了EAP薄膜柔性结构器件的工作机理及动态性能, 1 V驱动电压可产生精密位移21.6 nm。本文为研究EAP薄膜器件提供了理论基础和实验依据。

激光的广泛应用已经扩展到流体力学领域,如激光多普勒测流速,而加速度的量也与流体的动力学过程密切相关。提出了一种测量微管中流体加速度的新方法。搭建双光束干涉平台,在光路中引入微流管道,通过流体力学公式的推导,得出液流微弱加速度的产生与表式。微流发生时,采集实验数据并对其作信号处理与时频分析,得到信号频率随时间线性变化的关系。时频曲线的斜率即反应了加速度的信息。

提出一种基于激光多普勒技术和光学外差原理对高速回转机械进行扭振测量的新方法，分析了工作原理，推导出光路部分的数学模型，并通过实验分别验证了测量方法的可行性和准确性。高相干激光投射到转轴同一个截面上2点，反射光的多普勒频移正比于转轴转速，通过光学配置，使前后两个时刻的多普勒频移光信号在光探测器上发生光学混频，光电流拍差正比于转轴在两个时刻的速度差，控制两个时刻时间差很小，直接得到角加速度。与其他激光多普勒扭振测量方法相比，该方法直接测量转动角加速度，在保证测量精度的前提下，提高了扭转振动测量的实时性，极大地扩展了扭振测量的动态范围，对大型回转机械运行状态监测和故障诊断具有重要意义。

应用基于激光多普勒技术的微小形变分析方法,并引入数字锁相技术,成功实现了PZT(Pb(Zr,Ti)O3)铁电薄膜的压电性能测试.对商用压电陶瓷在小信号激励下的压电性能测试表明,数字锁相技术的引入能有效抑制系统噪声,并提高激光多普勒系统的位移检测分辨率,使其达到皮米量级.此外,研究了用溶胶-凝胶技术和溶胶-电雾化技术制备得到的PZT薄膜的电压-位移曲线和压电位移"蝴蝶线",实验结果表明:在5 V直流偏置下测得两种方法制备得到的PZT薄膜的d33压电系数分别为218.7 pC/N和215.8 pC/N,相应的标准偏差分别为12.7和28.6.

提出了一种差动式可辨向激光多普勒扭转振动测试仪，计算并分析了激光多普勒技术的双相检测和矩形光栅的衍射光强分布。采用相位光栅作为光学混频器件，提高了测量的信噪比并充分地利用了光能。实验表明，该系统能有效地实现旋转轴可辨向扭转振动的测量，并可获得较高的精度。