激光多普勒测速是在20世纪70年代建立起来的。由于激光的高相干性和高能量，对流体运动速度的测量具有高空间分辨率、动态响应快、高线性度、测量精度高及范围大等优点。由于激光多普勒测速仪大多数用在流动测量方面，也称它为激光多普勒风速仪（laser doppler anemometer；LDA）。

当流场中的一个运动粒子被光照射时，由于多普勒效应，粒子向空间散射的光波频率会携带粒子运动速度的信息。当这个散射光被空间的某个光电检测器接收时，由于粒子与检测器之间的相对运动，检测器所接收到的光波会再次产生多普勒频移。因此，如果能测量接收到的散射光频率的变化，就可以计算出粒子运动的速度。在流场中，流体分子本身的散射光很弱，为了检测到足够的散射光强，必须在流体中散播适当尺寸和浓度的微粒作为示踪粒子。可是这个示踪粒子的尺寸又不能太大，因为只有当示踪粒子的尺寸足够小时，它才能很好地跟随流体流动，而这时测量到粒子运动的速度就等于测量到流体的运动速度。激光多普勒测速仪就是利用激光的高能量密度，选择微小的能跟随流体流动的示踪粒子来准确地测量流体运动速度。

激光多普勒测速仪通常由激光器、入射光学单元、散射光接收单元、多普勒信号处理器和数据处理系统组成。由于很难直接测量散射光频率的变化，所以一般采用光学外差法来检测光波中多普勒频率的变化，这一技术也被称为激光差动多普勒技术。在激光多普勒测速仪中有三种常用的外差检测模式，即参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。典型的LDV多采用双光束-双散射模式。激光器发出的光经分束器后变成两束平行的激光束，这两束激光束经透镜聚焦在束腰附近相交，形成一个测量区域。当一个待测粒子通过该测量区域时，两束入射光分别被粒子散射并在光电探测器表面混频而产生多普勒拍频信号。这一拍频信号的频率与粒子运动速度在两入射光束所构成平面上，且与垂直于光轴方向的分量成正比，可以通过测定多普勒拍频信号得到流体在垂直于光轴方向的速度分量。

为了消除激光多普勒信号基底频谱的影响以便测量频率接近于零的多普勒信号，同时提高抗干扰能力和信噪比，通常在分束器后的两束入射光路中插入两个频移器件，比如钼酸铅制成的声光调制器或铌酸锂晶体制成的电光调制器，使原来两束入射光之间产生一个预设的频差。这样当粒子运动时，其产生的多普勒频移就会叠加在这个预设频率上，使多普勒频率的相对带宽不是那么大，便于使用高通滤波滤除低频基底噪声。同时，由于采用了频移技术，可以同时测量流动速度的大小和方向。

早期的LDV信号处理技术有频谱分析仪、频率跟踪器、计数器、滤波器组、光子相关器、数字相关器和数字傅里叶变换器等。随着计算机技术尤其是微处理器软硬件的发展，近代LDV多采用数字傅里叶变换器来测量多普勒频率和估计信噪比，在很低信噪比的情况下仍能获得较好的测量精度。采用近代光-电子学和微处理器技术的LDV系统，可以比较容易地实现二维、三维等流动的测量，并获得各种复杂流动结构的定量信息，并提供100 千赫兹以上的高采样率。

根据斯托克斯定律，微粒在流场中的流动跟随性与流体的黏性系数成正比而与粒子直径的平方成反比。因此，要使粒子的流动跟随性好，除了粒子的密度要尽量等于流体的密度外，粒子的直径要尽可能小。尤其在测量湍流的情况下更为重要。而根据米氏散射理论，微米级粒子的散射光的光强与粒子直径的平方成正比。因此，要根据流体的黏性系数来正确选择粒子的大小，便在流体跟随性和足够的测量信噪比之间取得平衡。在空气中使用1微米左右的粒子，而在水中使用10微米大小的粒子，通常对10千赫兹以下的湍流脉动能很好跟随。常用的示踪粒子有碳化硅、尼龙、聚苯乙烯、二氧化钛以及玻璃球等。为了进一步增强散射光强，也常采用在空心玻璃球表面镀金属的方法。

为了能测量多维流动，可使用双色激光多光束系统配合频移技术。例如将使用氩离子激光器的蓝光（488纳米）和绿光（514纳米）两根谱线分成三束，其中一束为蓝绿混合光作为公共光束，另外两束通过滤光片分为蓝光和绿光。把这三束光按一定角度汇聚在束腰处形成测量区域，当粒子通过此区域时，三束入射光分别被粒子散射。通过色分离器使蓝绿光分别在不同的光电探测器表面混频而产生两维多普勒拍频信号，从而测量互相垂直方向的二维速度信息。应用类似的方法，采用双色激光五束频移系统，可以构成三维激光多普勒测速仪。