激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1 緒論1.1課題研究的背景及研究意義自上世紀(jì)60年代末， 激光多普勒測(cè)速（ laser dopper velocimeter ，ldv）技術(shù)末出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的檢測(cè)手段1，伴隨著近現(xiàn)代激光技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是因其所具有的非接觸測(cè)量2，高分辨率，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快以及高測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)，使激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)被應(yīng)用于科研和工業(yè)領(lǐng)域。目前，在科研領(lǐng)域，激光多普勒技術(shù)已廣泛的應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物學(xué)、航空、航天、機(jī)械和醫(yī)學(xué)，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的速度測(cè)量和其他有關(guān)測(cè)量也有其成功運(yùn)用的范例。激光測(cè)速技術(shù)發(fā)展至今已有40年歷史。1.1.1多普勒測(cè)速

2、的發(fā)展歷史1842年奧地利科學(xué)家doppler,christian johann 首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，由于波源，接收器，傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使頻率發(fā)生變化，即產(chǎn)生多普勒頻移。早在1905年愛因斯坦就證明了在光波中也存在多普勒效應(yīng)。自1964年y.ych 和 h.z.cummins首次實(shí)現(xiàn)了用激光多普勒頻移原理測(cè)量水的流速以來(lái)3，激光多普勒測(cè)速技術(shù)獲得飛速的發(fā)展。起初的光學(xué)裝置比較簡(jiǎn)單，光學(xué)性能和效率不高，調(diào)準(zhǔn)不方便；信號(hào)處理方面大多采用頻譜分析儀4，這樣就不能得到瞬時(shí)速度。隨著光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理器方面的發(fā)展，首先是集成光學(xué)單元的出現(xiàn)，使光路結(jié)構(gòu)大為緊湊，調(diào)準(zhǔn)也方便多了，因而有可能

3、發(fā)展更加復(fù)雜和高效率的光學(xué)系統(tǒng)，光束擴(kuò)展、空間濾波、偏振分離、光學(xué)頻移等現(xiàn)代技術(shù)相繼應(yīng)用到激光測(cè)速儀中，并成為系列化產(chǎn)品不可缺少的一部分。其發(fā)展大體可分為三個(gè)階段：上世紀(jì)七十年代前后，是激光測(cè)速發(fā)展的初期。這個(gè)時(shí)期的光學(xué)裝置都比較簡(jiǎn)單，用各種元件拼搭而成，光學(xué)性能和效率不高，使用調(diào)準(zhǔn)也不方便。各種外差檢測(cè)模式都在被采用和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，頻移技術(shù)雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但由于器件的效率不高和增加了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以得到推廣。從八十年代開始，激光多普勒測(cè)速應(yīng)用得到迅速發(fā)展，有關(guān)流動(dòng)研究的論文急劇增加，這一時(shí)期明顯的標(biāo)志是1982年首次在里斯本召開的“激光技術(shù)在流體力學(xué)中的應(yīng)用國(guó)際討論會(huì)”，該國(guó)際會(huì)議每?jī)赡暾匍_

4、一次。發(fā)表的論文中70%都是應(yīng)用研究成果，遍及剪切流、內(nèi)流、兩相流、分離流，燃燒、棒束間流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械，固體測(cè)速和測(cè)長(zhǎng)等各領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些自行研制的儀器，雖然都處于實(shí)驗(yàn)階段，但為推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。隨著對(duì)湍流動(dòng)態(tài)流動(dòng)研究的深入，給多普勒測(cè)速技術(shù)提出了新的問(wèn)題，這就是所謂的多普勒頻率的不確定性問(wèn)題。它主要影響到湍流的測(cè)量精度?，F(xiàn)在對(duì)多普勒頻率加寬的因素已基本清楚，同時(shí)提出了一些修正方法。但是，在大多數(shù)場(chǎng)合，它一般不是測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題。在信號(hào)處理方面，頻率跟蹤器、計(jì)數(shù)式處理器5以及光子相關(guān)器件都陸續(xù)成為產(chǎn)品并被投入市場(chǎng)，它們同集成式光學(xué)系統(tǒng)一起成為研究復(fù)雜流體的有用工具。如果說(shuō)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展給

5、計(jì)算流體力學(xué)發(fā)展創(chuàng)造了物質(zhì)條件，那么，現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展則開創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的新局面，并為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的正確性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而激光測(cè)速就其發(fā)展速度或是應(yīng)用范圍都名列前茅。八十年代末九十年代初，半導(dǎo)體激光器被用在激光多普勒測(cè)速儀上，使得激光多普勒測(cè)速儀向小型化發(fā)展，發(fā)展了自混頻效應(yīng)激光多普勒測(cè)速方法6。而后，又發(fā)展了雙自混頻技術(shù)，但精度始終不高，徘徊在1%左右，無(wú)法滿足高精度測(cè)量的需求。這個(gè)時(shí)期ldv的另一個(gè)重大進(jìn)展是相位多普勒測(cè)速技術(shù)。球形粒子對(duì)兩束相交光束散射時(shí)，在周圍光場(chǎng)形成明暗相間的干涉條紋：當(dāng)利用兩個(gè)探測(cè)器接收多普勒信號(hào)時(shí)，兩路信號(hào)之間存在一定相位差，與粒子的大小成正比，具體地說(shuō)

6、，是與散射點(diǎn)的曲率半徑有關(guān)，隨后，這一發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用于粒子大小的測(cè)量中，即相位多普勒法（pda）。1.1.2 多普勒測(cè)速的發(fā)展趨勢(shì)激光多普勒技術(shù)本身還在發(fā)展，如多維系統(tǒng)（主要是三維），光線傳輸技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的出現(xiàn)把ldv 技術(shù)推向更高的水平，使調(diào)整更加簡(jiǎn)單、方便。此外，半導(dǎo)體激光器，光纖激光器和雪崩光電二極管的應(yīng)用以及光纖微刻器件集成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖ldv，該系統(tǒng)采用光纖來(lái)傳輸光束，這包括在入射光系統(tǒng)中將激光器光源的光束傳輸?shù)綔y(cè)量點(diǎn)，在散射光系統(tǒng)中將接收到的散射光傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器。這樣就可以使入射光單元和接收光單元與相對(duì)體積較大的分光裝置或光電轉(zhuǎn)換器分開，將體積盡

7、可能地做得小巧牢固，便于移動(dòng)測(cè)量位置和應(yīng)用于各種有特殊要求的場(chǎng)合。這就有利于激光多普勒測(cè)速儀向小型化發(fā)展，使多普勒測(cè)速系統(tǒng)能夠走出實(shí)驗(yàn)室，更多的應(yīng)用于工業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始考慮采用數(shù)字信號(hào)處理的方法對(duì)ldv信號(hào)進(jìn)行分析：首先對(duì)光電探測(cè)器輸出的多普勒信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換器得到離散的多普勒信號(hào)序列，利用dsp對(duì)信號(hào)序列進(jìn)行運(yùn)算處理，提取多普勒信號(hào)頻率。這種方法與現(xiàn)有的各種的各種模擬信號(hào)處理方法相比較具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾性。其系統(tǒng)可以在通用計(jì)算機(jī)上開發(fā)，實(shí)現(xiàn)容易，成本低，而且數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算可以方便地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改（通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d

8、即可實(shí)現(xiàn)）。另外，數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算單純地基于加法和乘法。這使得它具有穩(wěn)定的處理性能。90年代以來(lái)，rgbrown等介紹了“小型固態(tài)光子相關(guān)激光多普勒測(cè)速儀”snichinest等人研制了“小型激光二極管多普勒測(cè)速儀”；schnidt . stork等人發(fā)明了衍射分束器。ross采用參考光和差動(dòng)光路相結(jié)合的辦法提出了一種ldy三維測(cè)量的新方法，在保持結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點(diǎn)上，提高了信噪比，空間分辨率和測(cè)量精度也達(dá)到了工程要求。為了彌補(bǔ)ldv單點(diǎn)測(cè)量的不足，出現(xiàn)了多點(diǎn)ldv系統(tǒng)，但由于其光路系統(tǒng)太復(fù)雜，推廣受到限制。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的全場(chǎng)多普勒測(cè)速(dopplerglobal velomet

9、ry，dgv)技術(shù)可以說(shuō)是ldv用于多點(diǎn)測(cè)量的突破性進(jìn)展。它將散射光的多普勒頻移信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)信息，從而可以用傳統(tǒng)的圖像處理方法來(lái)得到一個(gè)平面場(chǎng)中微粒的三維速度信息。受頻率分辨率的限制，目前這一技術(shù)比較適用于中高速流暢的測(cè)量，但是可以預(yù)期，隨著科技水平的不斷提高，dgv技術(shù)也必將在新世紀(jì)中得到更大的發(fā)展和應(yīng)用。在采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的ldv系統(tǒng)中，多普勒信號(hào)的處理是至關(guān)重要的。這是因?yàn)閘dv系統(tǒng)中的光電探測(cè)器接收的是粒子散射光，其強(qiáng)度本身就比較微弱，而且信號(hào)還受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測(cè)器件噪聲、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子濃度等因素的影響。這就造成了激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的光電信號(hào)具有信號(hào)

10、弱、噪聲干擾大的特點(diǎn)，有時(shí)還伴有信號(hào)脫落(即信號(hào)不連續(xù))現(xiàn)象。并且多普勒信號(hào)的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級(jí)以上，當(dāng)速度較高時(shí)可達(dá)到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲。要從質(zhì)量這么差的高頻信號(hào)中盡可能地提取我們所需的信息，同時(shí)必須滿足實(shí)時(shí)性、精度、測(cè)速范圍的要求，這對(duì)ldv系統(tǒng)的信號(hào)處理部分無(wú)疑提如了很高的要求。目前，國(guó)際上的ldv信號(hào)處理系統(tǒng)的性能發(fā)展水平比較高，功能強(qiáng)、體積小、重量輕的數(shù)字瞬態(tài)采樣型信號(hào)處理系統(tǒng)已取代舊式系統(tǒng)，但其響應(yīng)速度較慢。隨著電路器水平的不斷進(jìn)步，fft運(yùn)算速度的提高7，使頻域內(nèi)的信號(hào)處理方法用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量或趨向?qū)崟r(shí)測(cè)量計(jì)劃。作為ldv系統(tǒng)的關(guān)鍵部分一信號(hào)處理部分，是ld

11、v系統(tǒng)性能指標(biāo)提高和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵技術(shù)，因此對(duì)于信號(hào)處理部分的研究應(yīng)成為ldv系統(tǒng)研究的重要組成。由于激光多普勒測(cè)速技術(shù)潛在的獨(dú)特功能，因而得以吸引各個(gè)學(xué)科的研究工作者去研究和解決這些問(wèn)題，對(duì)激光測(cè)速技術(shù)的光學(xué)部分和信號(hào)處理部分進(jìn)行創(chuàng)新性發(fā)展。ldv系統(tǒng)光路部分中激光器和光探測(cè)的技術(shù)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，ldv系統(tǒng)的信號(hào)處理部分仍是制約該激光多普勒測(cè)速技術(shù)小型化，輕質(zhì)化，以及實(shí)時(shí)性，動(dòng)態(tài)范圍等技術(shù)參數(shù)改進(jìn)的瓶頸，這正是我們從事對(duì)激光測(cè)速技術(shù)的信號(hào)處理部分研究的出發(fā)點(diǎn)和最終目標(biāo)。優(yōu)化多普勒信號(hào)處理方法，將數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)運(yùn)用于多普勒信號(hào)的分析處理，將有助于提高ldv測(cè)速系統(tǒng)的性能，為相關(guān)學(xué)科

12、的發(fā)展提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持；同時(shí)研究多普勒信號(hào)的處理方法也具有普遍意義，可以為其它類型信號(hào)分析與處理提供參考和借鑒，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、低功耗、實(shí)用性強(qiáng)的重要環(huán)節(jié)。1.1.3 本課題的研究意義激光器發(fā)出的激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度等特點(diǎn)，這就為激光多普勒測(cè)速提供了非常理想的光源。與其它測(cè)量手段相比，激光多普勒測(cè)速技術(shù)有下列優(yōu)點(diǎn)：1 它是非接觸測(cè)量，只需把激光束會(huì)聚到待測(cè)目標(biāo)或流體的指定點(diǎn)上即可，因而不會(huì)干擾待測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這在遠(yuǎn)距離目標(biāo)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量中有明顯的優(yōu)勢(shì)，還適合在高溫，高腐蝕，高濕度等惡劣環(huán)境下的測(cè)量。由于激光束可以被會(huì)聚成很小的光斑，所以空間分辨率極高，可測(cè)很小

13、體積中的速度。2 多普勒信號(hào)以光速傳播，響應(yīng)速度極快，只要配以快速光電接收器及信號(hào)處理器，是進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的理想方法。3 測(cè)量精度高是ldv的最大優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)0.025。4 量程大是其另一大優(yōu)點(diǎn)。多普勒頻移量與待測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度呈線性關(guān)系，是一個(gè)精確的物理公式。在很寬的速度范圍內(nèi)都不需要修正。目前已可在每秒幾毫米到每秒千米的寬廣速度范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)速。5 好的方向靈敏性，可測(cè)速度分量，也可進(jìn)行多維測(cè)量。目前已有一維，二維，三維的激光多普勒測(cè)速儀。由于ldv系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高，涉及光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)軟件和流體力學(xué)，我國(guó)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口來(lái)滿足科研和教學(xué)需要，花費(fèi)了大量外匯。激光多普勒技術(shù)測(cè)量粒子的運(yùn)動(dòng)速度是

14、十分有意義，它能使這一技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。例如冶金工業(yè)中鋼板和鋁板壓制和卷筒重的測(cè)量和控制，都可以采用多普勒技術(shù)。用激光測(cè)速計(jì)測(cè)定在軋制生產(chǎn)中高速行進(jìn)鋼板的移動(dòng)速度，不僅可以采用不接觸鋼板進(jìn)行測(cè)定的方式，而且鋼板移動(dòng)速度愈大其測(cè)量精度越高。對(duì)固體表面的速度測(cè)量以后，很容易得到位移(長(zhǎng)度)和加速度等參數(shù)。這些應(yīng)用需要速度測(cè)量有很高的精度，而且要求有較大的場(chǎng)深和動(dòng)態(tài)范圍。由于像鋼板、鋼坯等表面粗糙度不一，周圍環(huán)境惡劣，這就對(duì)用于固體表面速度測(cè)量的多普勒測(cè)速系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提出了很高的要求。對(duì)于激光多普勒測(cè)速儀，國(guó)際上已有產(chǎn)品投放市場(chǎng)，但大多為八十年代末的產(chǎn)品，急需技術(shù)更新。國(guó)外雖然有成形的

15、產(chǎn)品，但是對(duì)于固體激光多普勒信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理尚沒(méi)有完善的理論闡述。國(guó)內(nèi)沒(méi)有固體表面速度高精度測(cè)量?jī)x的生產(chǎn)廠家，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的激光多普勒測(cè)速儀器全都是進(jìn)口的，因而研制激光多普勒測(cè)速儀不僅具有重大意義，其市場(chǎng)前景也非常樂(lè)觀。1.2 論文的主要內(nèi)容本文主要介紹了現(xiàn)有激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的工作原理以及多普勒測(cè)速儀的信號(hào)處理方法，最后詳細(xì)描述了激光多普勒測(cè)速的完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)。論文的具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排如下：第一章，緒論部分，主要介紹了論文的研究背景和論文的主要內(nèi)容，包括激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)，以及激光多普勒測(cè)速的優(yōu)點(diǎn)和研究此課題的意義，從而確定了本文的立題依據(jù)。第二章，介紹了激光多普勒測(cè)速的原理

16、，并描述了激光測(cè)速的兩種基本光學(xué)模式和光路結(jié)構(gòu)，著重介紹測(cè)量固體速度所采用的模式雙光束-雙散射模式。然后介紹了激光多普勒信號(hào)的條紋模型及其特性，方便后面對(duì)信號(hào)的處理。最后介紹了測(cè)速原理的具體算法，為設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。第三章，比較了五種信號(hào)處理方法的性能，然后著重介紹了數(shù)字fft信號(hào)處理方法，這是系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法；接下來(lái)為了濾除信號(hào)中帶有的的低頻信號(hào)介紹了濾波處理方法，為第四章的系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。第四章，介紹了整體的完整的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括：光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元和信號(hào)處理單元。然后分別具體介紹了各部件的性能。從而構(gòu)成了一個(gè)比較高效的測(cè)速系統(tǒng)。 第五章，總結(jié)和展望部分，對(duì)該

17、激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)，概述了本系統(tǒng)的性能和工作特點(diǎn)，并展望了其發(fā)展前景。2 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)原理2.1 激光多普勒效應(yīng)測(cè)速原理多普勒效應(yīng)是激光多普勒測(cè)速方法實(shí)現(xiàn)的理論基石。奧地利科學(xué)家christian dopper于1842年首先提出了這一理論。在聲源和接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器收到的聲音頻率不等于聲源發(fā)出的聲音頻率，稱這一頻率差為多普勒頻差或頻移。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，也能得到同樣的結(jié)論。假設(shè)原有波源的波長(zhǎng)為，波速為c，觀察者移動(dòng)速度為v：當(dāng)觀察者走近波源時(shí)觀察到的波源頻率為，如果觀察者遠(yuǎn)離波

18、源，則觀察到的波源頻率為。 激光照射在運(yùn)動(dòng)物體上，在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象。從運(yùn)動(dòng)物體散射圓來(lái)的光波相對(duì)于入射光波頻率會(huì)發(fā)生一定的頻率偏移，這種頻率變化即為多普勒頻移。在激光多普勒測(cè)速儀中，依靠運(yùn)動(dòng)微粒散射光與照射光之聞光波的頻差(或稱頻移)來(lái)獲得速度信息。這里存在著光波從(靜止的)光源到(運(yùn)動(dòng)的)微粒到(靜止的)的光檢測(cè)器這三者之間的傳播關(guān)系。只要物體會(huì)散射光線，就可以利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量其速度。1964年ych和cummins首次觀察到了水流中粒子的散射光頻移，證實(shí)了可利用多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定流體速度。2.1.1 測(cè)速原理及其示意圖利用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量流速度，比如流速，應(yīng)在流體中加入隨流

19、體一起運(yùn)動(dòng)的微粒（示蹤粒子）。由于微粒對(duì)于入射光的散射作用，當(dāng)它接收到頻率為f 的入射光照射之后，也會(huì)以同樣的頻率向四周散射。這樣隨流體一起運(yùn)動(dòng)著的微粒即作為入射光的接收器，接受入射光的照射，又作為散射光的光源，向固定的光接收器發(fā)射出散射光波。從圖2-1可以看出，運(yùn)動(dòng)粒子p以速度u 通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子相對(duì)于入射光來(lái)說(shuō)是運(yùn)動(dòng)的，即光源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)；而相對(duì)于光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)粒子的散射光相對(duì)于探測(cè)器是運(yùn)動(dòng)的，即光源運(yùn)動(dòng)，接收器靜止。下面就這兩種情況的多普勒效應(yīng)來(lái)討論激光多普勒流速儀( laser doppler anemometry,lda)的原理，并計(jì)出所求速度 。 圖 2-1 測(cè)量原理

20、示意圖 fig. 2-1 schematic diagra of velocity principle 2.2 光學(xué)系統(tǒng)外差檢測(cè)基本模式在激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中，得到多普勒頻率的方法有兩種：一種是直接檢測(cè)散射光頻率，再與已知的光源頻率相差，稱為直接檢測(cè)，但可見光波在1014hz左右，常用的光電器件不能響應(yīng)光波的頻率，所以用直接檢測(cè)方法測(cè)多普勒頻率很困難；另一種是外差檢測(cè)方法，當(dāng)來(lái)自同一個(gè)相干光源的兩束光波按一定的條件投射到光檢測(cè)器表面時(shí)，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換的平方率效應(yīng)能得到它們之間的頻率差值，這個(gè)差值就是多普勒頻移。有實(shí)際意義的多普勒頻移最高不超過(guò)108-109 hz，其它與光頻相近或更高的頻率信息因

21、為遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)光電器件的響應(yīng)范圍而不會(huì)進(jìn)入收集系統(tǒng)。利用激光多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)散射目標(biāo)的速度得到的是強(qiáng)度變化的光信號(hào)，它的變化頻移包含了所需要的速度信息。為了處理這類信號(hào)，通常采用光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置通常被稱為光檢測(cè)器和量子檢測(cè)器。任何現(xiàn)有的檢測(cè)器無(wú)論其最后的功能是什么，其最初工序總是實(shí)現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換，即光子使電子改變能態(tài)，其結(jié)果使光信號(hào)的光子流導(dǎo)致電子流。表明可以利用下列之一的光電-機(jī)理實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換：1 光電效應(yīng)2 光發(fā)射相應(yīng)3 光導(dǎo)效應(yīng) 為了將光信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在激光多普勒測(cè)速技術(shù)中使用的大多數(shù)檢測(cè)采用光發(fā)射。通過(guò)二次電子發(fā)射的得到的內(nèi)部放大可免除噪聲放大，因此，可

22、使信號(hào)增強(qiáng)而不會(huì)降低信噪比。由于多普勒信號(hào)比較弱，測(cè)速儀中使用的光電檢測(cè)測(cè)器一般為光電倍增管或雪崩二級(jí)管。要獲得運(yùn)動(dòng)微粒的散射光頻移，必須通過(guò)光檢測(cè)器的平方律效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是所謂的外差檢測(cè)。 在激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)中有三種常見的外差檢測(cè)基本模式，即參考光模式(基準(zhǔn)光束型)、單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式(差動(dòng)型或條紋型)，它們可由不同的光學(xué)元件和光路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面我們主要介紹參考光模式和雙光束模式。2.2.1參考光模式 圖2-2 參考光模式電路 fig.2-2 light path of model of reference light 如圖2-2所示，激光器射出的光束被分成兩束，其

23、中一束通過(guò)流體直接射入光電接收器的小孔光闌內(nèi)，成為參考光束；另一束光照射到流體中的微粒上，以產(chǎn)生散射光。接收透鏡組將參考光束和散射光束準(zhǔn)直、會(huì)聚于小孔光闌上，然后照到光電接收器上進(jìn)行拍頻，以得到拍頻電信號(hào)。在參考光模式中，總是希望參考光束和被散射的信號(hào)光束具有相同的量級(jí)。只有這樣，才能得到比較高的信噪比和良好的多普勒信號(hào)。為此，入射參考光束的強(qiáng)度應(yīng)遠(yuǎn)低于產(chǎn)生信號(hào)光的光束，這就意味著在進(jìn)行分束時(shí)，應(yīng)分出一弱一強(qiáng)兩束光。該模式的優(yōu)點(diǎn)是：光路上的信號(hào)接收距離不受光電接收系統(tǒng)中透鏡焦距的限制。但是采用這種模式的兩束光進(jìn)行拍頻時(shí)必須準(zhǔn)直好，只有這樣，才得到高的拍頻頻率，即強(qiáng)的信號(hào)輸出。兩束光重合、平行，

24、而且波前具有相同的曲率，換句話說(shuō)，當(dāng)它們?nèi)恐睾蠒r(shí)，就達(dá)到了這一要求?？梢韵胂?，做到這一點(diǎn)是比較困難的。此外，在參考光模式中，是在一個(gè)小立體角內(nèi)收散射光的。多普勒信號(hào)與接收方向有關(guān)，所以散射光的這一立體角會(huì)引起多普勒頻率的頻譜加寬，這樣，會(huì)影響多普勒頻率的測(cè)量精度。為此，必須在接收透鏡前放置孔徑光闌，以限制接收的立體角，但這樣做往往又減少散射光，并使信噪比降低。2.2.2 雙光束-雙散射模式如圖2-3所示，將一束激光束的散射光與另一束激光束的散射光相干，經(jīng)由小孔光闌，由光電接收器獲取多普勒信號(hào)。這種模式具有不少優(yōu)點(diǎn)，首先，由于其被探測(cè)的多普勒頻率使任一散射方向上兩束入射光引起的散射光的頻率差，

25、而這一頻率差不依賴于散射方向，所以在設(shè)計(jì)光路時(shí)，可以盡可能加大接收孔徑，于是就可得到較強(qiáng)的散射光。這一點(diǎn)恰巧是參考光束方式的缺點(diǎn)。圖2-3 雙光束-雙散射模式光路fig.2-3 light path of double-beam雙光束模式光路的調(diào)整也比參考光光路容易，因?yàn)闄z查兩束光是否相交比檢查兩束光是否共線重合要更加方便和直觀。此外在雙光束模式光路中，進(jìn)入光電接收器的散射光來(lái)自兩束光具有同樣強(qiáng)度光束的交點(diǎn)，它對(duì)所有尺寸的散射微粒幾乎都發(fā)生高效率的拍頻作用，從而進(jìn)入測(cè)控區(qū)中的每一微粒都產(chǎn)生多普勒信號(hào)。但在參考光模式光路中，只有當(dāng)經(jīng)過(guò)信號(hào)光束交點(diǎn)處的微粒產(chǎn)生的散射光強(qiáng)與參考光束強(qiáng)度相接近時(shí)，才產(chǎn)

26、生較高頻的拍頻，得到較好的多普勒信號(hào)。實(shí)際上，由于散射微粒有大有小，其形狀也各種各樣，所以散射光的強(qiáng)度變化是很大的。這樣就使得參考光模式的有效信號(hào)減少，信噪比降低。雙光束模式入射光系統(tǒng)可以集成化光學(xué)單元，大大提高了光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)固性和易調(diào)準(zhǔn)性。因此，雙光束-雙散射模式是目前激光測(cè)速中應(yīng)用最廣泛的光路形式。2.3多普勒信號(hào)的形式 多普勒信號(hào)十分復(fù)雜，在討論其算法及其信號(hào)處理之前，討論其特性是十分有必要的。2.3.1多普勒信號(hào)條紋模型 雙光束光路的兩束入射光相交區(qū)中存在著一組明暗相間的干涉條紋，如圖2-4所示，因此可以用“條紋模型”來(lái)進(jìn)行理論解釋。雖然對(duì)于多普勒信號(hào)某些特性(如信噪比、可見度等)的分

27、析并不完全符合實(shí)際，但是它的概念簡(jiǎn)單明了，并能給出正確的頻率值。 圖 2-4 相干光束條紋模型fig.2-4 the fringe model of the coherent在差動(dòng)多普勒系統(tǒng)中，兩束激光在光腰區(qū)相交形成測(cè)量區(qū)域，通過(guò)光學(xué)知識(shí)可知，測(cè)量區(qū)域的形狀為一個(gè)橢球，其中分布著明暗相間的干涉條紋間距可用下列公式表明： （3-1） 當(dāng)示蹤粒子以速度歷通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子將穿過(guò)這些平行的干涉條紋，在亮條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光多，在暗條紋區(qū)時(shí)，粒子散射的光少。因此，如果用一個(gè)光探測(cè)器來(lái)接收這些散射光，所接收到的光強(qiáng)將按粒子穿過(guò)這些條紋的速度波動(dòng)，也就是以粒子切割條紋的頻率對(duì)光信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制，此頻率

28、為： （3-2） 這個(gè)頻率即為差動(dòng)多普勒頻率。 由于用于多普勒測(cè)速的大多數(shù)激光器是非常近似地工作在橫向磁場(chǎng)模式的理想激光器，這種模式的激光束在光腰部位的相位波陣面可以看作是一平面波，且其強(qiáng)度符合高斯分布。光的這種分布可以用光束中心的最大強(qiáng)度和光束半徑。從光束中心到光強(qiáng)為點(diǎn)的距離。 由于多普勒信號(hào)是由粒子切割條紋，并散射條紋的光而產(chǎn)生的，因此信號(hào)的強(qiáng)度也將發(fā)生變化，即信號(hào)光強(qiáng)在受到頻率調(diào)制的同時(shí)還受到了幅度調(diào)制。那么綜合來(lái)看，單個(gè)粒子穿越測(cè)量區(qū)域所產(chǎn)生的信號(hào)其幅度包絡(luò)對(duì)應(yīng)于測(cè)量區(qū)域光強(qiáng)的高斯分布，而光強(qiáng)變化的頻率則對(duì)應(yīng)于粒子切割條紋的頻率。 2.3.2 多普勒信號(hào)的基本形式激光束是以兩束偏振方向

29、相同，等功率的高斯激光束在相交區(qū)域內(nèi)形成的光強(qiáng)分布在空間傳播的。假設(shè)系統(tǒng)測(cè)量體內(nèi)的高斯激光束于涉條紋數(shù)為，在時(shí)刻有一個(gè)粒子以速度u穿過(guò)測(cè)量體時(shí)，產(chǎn)生多普勒頻移信號(hào)，其表達(dá)式為： （3-3） 式中，是粒子穿過(guò)測(cè)量體的有限渡越時(shí)間；是測(cè)量體中的條紋數(shù)；是粒子到達(dá)時(shí)刻；是反映粒子速度的多普勒頻率。 然而在實(shí)際情況中，不會(huì)總是單個(gè)粒子穿越測(cè)量區(qū)域，會(huì)有部分粒子穿過(guò)光束，產(chǎn)生一個(gè)散射光信號(hào)，這個(gè)散射光信號(hào)稱為基座信號(hào)。由于入射激光束光截面強(qiáng)度為高斯分布，所以信號(hào)基座幅度也按高斯分布，且是個(gè)低頻信號(hào)。基座信號(hào)與差動(dòng)多普勒信號(hào)同時(shí)存在，并疊加在多普勒信號(hào)上為光檢測(cè)器共同接收。實(shí)際上光檢測(cè)器所得的信號(hào)表達(dá)式為

30、： （3-4） 上式表示檢測(cè)信號(hào)電流由兩個(gè)部分疊加而成，一部分是成高斯分布的基底信號(hào)，它有入射光束的高斯光強(qiáng)變化造成，另一部分是包絡(luò)為高斯分布的余弦信號(hào)，它是兩束散射光相干涉的結(jié)果。對(duì)式（3-4）作傅里葉變換，可以得到檢測(cè)信號(hào)在頻域的表達(dá)式 （3-5） 由上式可知，它的頻譜由兩部分組成，一部分是低頻的基底信號(hào)頻譜，其帶寬按10最大幅值計(jì)算為e2，另一部分是多普勒信號(hào)頻譜，頻帶范圍為到。由此可見，基底頻譜和多普勒頻譜的帶寬都與多普勒頻率成正比，與測(cè)量體中的條文數(shù)成反比。 當(dāng)粒子在不同位置上穿過(guò)測(cè)量體時(shí)，由于光強(qiáng)分布不同，信號(hào)波形也不一樣，但是都包含了這兩個(gè)部分。信號(hào)幅值和，且均與入射光的光強(qiáng)成正

31、比，而兩者的比值則與散射特性、入射光偏振特性、光接收器參數(shù)及其位置以及兩束入射光的光強(qiáng)比等有關(guān)。由此可見，由原入射激光產(chǎn)生的基底信號(hào)確實(shí)存在于探測(cè)信號(hào)中，它們決定了檢測(cè)信號(hào)的信噪比特性。對(duì)于大多數(shù)激光測(cè)速系統(tǒng)，都不會(huì)小于10，所以基底頻譜帶寬不會(huì)超過(guò)0.14。在流速變化不太大的情況下，通?？梢杂酶咄V波器濾去基底頻譜，保留所需要的多普勒頻率信號(hào)來(lái)進(jìn)行處理。但是，當(dāng)平均速度趨于零或湍流度增大時(shí)，要確定高通濾波器的截止頻率，使其去除基座信號(hào)就變得困難了。尤其是實(shí)際的濾波器都具有有限陡度，濾掉較低頻率的多普勒信號(hào)的可能性也增加了。2.3.3 多普勒信號(hào)的特點(diǎn) 在實(shí)際使用中，信號(hào)電流是由許多隨機(jī)通過(guò)測(cè)

32、量體的粒子產(chǎn)生的散射光的光電流疊加而成。根據(jù)散射體的不同情況，經(jīng)過(guò)高通濾波以后的信號(hào)可以有以下幾種形式：1 連續(xù)的等幅波此種形式的信號(hào)通常來(lái)自均勻散射的運(yùn)動(dòng)固體表面；2 連續(xù)的隨機(jī)振幅波當(dāng)流體中粒子濃度較大時(shí)，可以得到連續(xù)的多普勒信號(hào)波形，但振幅是隨機(jī)變化的。測(cè)量體中多粒子的存在會(huì)引起相位噪聲和振幅的隨機(jī)脈動(dòng)，它不一定能增加信號(hào)強(qiáng)度，相反卻可能起振幅抵消作用。當(dāng)兩個(gè)不同相位的粒子信號(hào)疊加時(shí)，除了有振幅抵消作用外，重疊部分的多普勒波形周期也發(fā)生了變化，這就是高頻相位噪聲的來(lái)源；3 間斷的信號(hào)波形這種波形出現(xiàn)在粒子稀少的場(chǎng)合，如人工播粒的氣體和火焰。多普勒信號(hào)以單個(gè)“波群”的形式出現(xiàn)。為衡量測(cè)量體

33、中粒子數(shù)的多少，引入“波群密度的概念?！暗筒ㄈ好芏取北硎驹跍y(cè)量體中出現(xiàn)多于一個(gè)粒子的概率很低。反之，“高波群密度表示測(cè)量體中出現(xiàn)多于一個(gè)粒子的概率很高。對(duì)于一定的信號(hào)處理器來(lái)說(shuō)，區(qū)分所能適應(yīng)的“波群密度是很重要的，因?yàn)檫@與測(cè)量的精度有關(guān)；4 光強(qiáng)極低的信號(hào)當(dāng)粒子的散射光強(qiáng)非常低時(shí)，光檢測(cè)器接收到的是單個(gè)光子。由于光電子發(fā)射的離散性，在光檢測(cè)器中產(chǎn)生的是離散的光電子流，它產(chǎn)生的速率正比于照射到光檢測(cè)器上的光通量。如果頻帶很寬，光檢測(cè)器的輸出呈現(xiàn)為離散的脈沖。再引入“光子密度”概念。在低光通量時(shí)，可以利用的能分辨光子的信號(hào)，稱為“低光子密度”信號(hào)。這種信號(hào)的重要特點(diǎn)是光子速率相當(dāng)?shù)?，以致脈沖是一個(gè)

34、一個(gè)的，堆積(重疊)不起來(lái)。這種信號(hào)可以用典型的數(shù)字系統(tǒng)，例如光子相關(guān)器來(lái)分析光子速率，得到與粒子速度有關(guān)的信息。在高光通量時(shí)，光子喪失了它的離散性。光子脈沖堆積起來(lái)使光檢測(cè)器輸出的是一個(gè)正比于輸入光通量的模擬信號(hào)，這種信號(hào)稱為“高光子密度”信號(hào)。由于“高光子密度”信號(hào)實(shí)際上是由重疊的脈沖所組成的，所以在模擬信號(hào)中有相當(dāng)大的“噪聲”。通過(guò)上面的分析發(fā)現(xiàn)多普勒信號(hào)是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的信號(hào)，歸納其特點(diǎn)大致可以分為以下幾點(diǎn)：1 多普勒信號(hào)并不是連續(xù)的信號(hào)，其具體波形取決于流速場(chǎng)中散射粒子大小，濃度以及通過(guò)測(cè)量體的位置；2 光電探測(cè)器接收的是粒子散射光，其強(qiáng)度本身就比較微弱，而且信號(hào)受到諸如光路系統(tǒng)、

35、雜散光、光檢測(cè)器件噪聲影響；3 多普勒信號(hào)的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級(jí)上，當(dāng)流速較高時(shí)達(dá)到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲(如運(yùn)用于高速風(fēng)洞的測(cè)量)；4 多普勒信號(hào)的信噪比隨測(cè)量對(duì)象而變化，速度越高，信噪比越低；5 多普勒信號(hào)的頻譜具有一定的帶寬，稱為頻譜加寬。產(chǎn)生頻譜加寬的原因通常有以下幾種：粒子通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)具有有限渡越時(shí)間；粒子在測(cè)量區(qū)域中通過(guò)時(shí)的速度脈動(dòng)和測(cè)量區(qū)域中存在著速度梯度；信號(hào)處理器本身的帶寬、分辨率等性能造成的儀器加寬。2.4 具體算法第一種情況：光源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)。這里接收器的速度用向量來(lái)表示。在接收器處的光頻率是光源處發(fā)射的光頻率 的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系由下式給出: （3-

36、6）式中 c為空氣里的光速。第二種情況：光源移動(dòng)，接收器靜止。這樣，接受到的光頻率由下式給出： （3-7）在lda中，激光器是靜止光源， 在微小的流動(dòng)的粒子上散射,然后由光電探測(cè)器接收。 應(yīng)用上面的式(3-6)和式(3-7)，就可以得出激光束經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)的粒子散射后由靜止的接收器光電池處的光頻，如圖2-5所示。 （3-8） 圖2-5 單個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子的散射光fig.2-5 the scattered light of a moving particle本測(cè)量系統(tǒng)中， 采用了雙光束的配置（從一個(gè)光源來(lái)的兩個(gè)相交光束，如圖所示）在這樣的布局下，一束激光束被分成具有相同亮度的兩束光束，然后被聚測(cè)量控制體積m

37、cv (measuring controlvolume)內(nèi)，在mcv內(nèi)相交。流經(jīng)這個(gè)體積內(nèi)的粒子會(huì)對(duì)這兩束光都發(fā)生散射。這兩束光的多普勒頻移是不同的(不同的向量，相同的向量) 。這個(gè)頻差，就是通常所說(shuō)的拍頻， 在散射光中就測(cè)得了。 這個(gè)拍頻在這里稱作多普勒頻率，已經(jīng)很低了，并且和激光源具有一樣窄的帶寬。這樣，用電子的方法來(lái)精確地探測(cè)和測(cè)量這個(gè)頻率就是可能的了。下面證明多普勒頻率和粒子的速度成正比。兩束散射光的頻率由下式給出： （3-9） （3-10） （3-11） 由及關(guān)系式（為激光的波長(zhǎng)），多普勒頻率可以用下面的式子表示： = （3-12） 這里，u是粒子運(yùn)動(dòng)速度在垂直于兩束光線交疊區(qū)域的角

38、平分線方向上的分量。式（3-12）表明， 粒子的速度可以通過(guò)測(cè)量流過(guò)測(cè)量體積mcv的粒子的多普勒頻率來(lái)測(cè)得。 通過(guò)上面的分析，我們可以知道，若要得到流體流速，必須確定光束交疊半角， 如圖4所示，在距離透鏡l1 2 m左右的距離放置一個(gè)觀察屏，測(cè)量屏上兩個(gè)光點(diǎn)之間的距離d，這樣，交疊半角 由下式得到： （3-13） （3-14） 這里， f為透鏡l1 的焦距。 這樣在實(shí)際測(cè)量中，便可以通過(guò)式( 3-13）確定出交疊半角的值，從而根據(jù)式(3-12)及測(cè)得的頻移得到所需求得的速度。 圖2-6交疊半角的確定 fig.2-6 the determine of the overlap angle2.5 本

39、章小結(jié)本章主要介紹了激光多普勒效應(yīng)的基本原理，然后介紹了其用于測(cè)速測(cè)速系統(tǒng)的原理，為了推導(dǎo)后面測(cè)速的具體算法，介紹了外差檢測(cè)的兩種基本模式參考光模式和雙光束-雙散射模式，以及激光多普勒信號(hào)的特性，最后介紹了測(cè)速的具體算法，為后面的信號(hào)處理和具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。 3 激光多普勒信號(hào)處理方法及濾波處理激光多普勒測(cè)速具有多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進(jìn)步，信號(hào)處理方法也在不斷的改進(jìn)，有頻譜分析法，頻率跟蹤法，計(jì)數(shù)型處理法，數(shù)字相關(guān)信號(hào)處理法。3.1 激光多普勒信號(hào)處理方法 由于多普勒測(cè)速儀具有多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進(jìn)步，信號(hào)處理方法也在不斷的改進(jìn)，有頻譜分析法，頻率跟蹤法，計(jì)數(shù)型處理法，濾波

40、器組，光子相關(guān)頻譜法，數(shù)字相關(guān)信號(hào)處理，數(shù)字fft信號(hào)處理法。多普勒電信號(hào)的形式和特點(diǎn)受光學(xué)系統(tǒng)，粒子條件和流動(dòng)狀態(tài)影響很大，至今還沒(méi)有哪一種信號(hào)處理器能滿足所有情況。3.1.1 幾種處理方法的性能比較 下面是幾種信號(hào)處理方法的比較，見表3-1。表3-1列出幾種信號(hào)處理方法，并從可否得到瞬時(shí)速度、可否接受噪聲信號(hào)、從噪聲提取信號(hào)能力、精度四個(gè)方面進(jìn)行比較。 表3-1幾種信號(hào)處理方法的比較table3-1 performance comparison of the means of signal processing處理方法可否得到u(t)可否接收間斷信號(hào)從噪聲中提取信號(hào)能力典型精度/%可測(cè)最大

41、頻率/mhz頻率分析法否可好11000頻率跟蹤法可差好0.550計(jì)數(shù)法可可差0.5200數(shù)字相關(guān)法可可很好0.5100數(shù)字fft法可可很好0.5150 雖然在激光強(qiáng)度低，粒子直徑非常小或光收集裝置效率低時(shí)，在散射光強(qiáng)度和信噪比非常低的情況下，光子相關(guān)頻譜法比信號(hào)處理器更具有優(yōu)點(diǎn)，但是計(jì)算量大，精度低，且不能獲得瞬時(shí)速度，得到的只是平均速度。濾波器組雖然可獲得瞬時(shí)速度信息，能在低信噪比情況下工作，但是其分辨率隨著濾波器的個(gè)數(shù)較小而降低，且可測(cè)最大頻率低。 由上表對(duì)以上各種ldv性能進(jìn)行了總結(jié)，可以看出，現(xiàn)有的ldv種類雖多，但沒(méi)有哪一種方法能適用于所有的情況。同時(shí)對(duì)于模擬信號(hào)處理手段而言，它們?cè)?/p>

42、進(jìn)行復(fù)雜信號(hào)處理時(shí)只有有限的能力，從而造成處理的不靈活性和系統(tǒng)時(shí)間的復(fù)雜性。對(duì)于不同的信號(hào)，一個(gè)特定的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)往往不能都獲得滿意的效果。3.1.2 數(shù)字fft處理法 時(shí)域內(nèi)的信號(hào)處理雖然比較容易實(shí)現(xiàn)，但卻存在一個(gè)致命弱點(diǎn)，即在信噪比非常低時(shí)，可靠性大大降低。因此，目前l(fā)dv系統(tǒng)信號(hào)處理的發(fā)展是在頻域內(nèi)進(jìn)行處理，即把探測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成它的頻譜，用fft計(jì)算得到其最大值，并求信號(hào)的多普勒頻率。理論研究和實(shí)驗(yàn)比較均表明，信號(hào)處理采用離散傅立葉變換(discrete fourier transform，dft)處理多普勒信號(hào)可有效地從低信噪比的信號(hào)中提取頻率。實(shí)用的頻域處理器應(yīng)包括帶通預(yù)處理、

43、頻率下混頻濾波器、高速a/d變換以及軟件或硬件數(shù)組處理器，以便于dft的運(yùn)算?？梢岳矛F(xiàn)在逐漸成熟的數(shù)字信號(hào)處理器件，實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)的小型化，高性能。 fft是一系列用于dft的快速計(jì)算方法，已經(jīng)廣泛用于許多實(shí)際應(yīng)用中。fft的基本思想是：將n點(diǎn)dft分解為數(shù)目逐步增加的較小dft，與原始n點(diǎn)dft相比，降低了計(jì)算量，提高了運(yùn)算速度。例如，將一個(gè)n點(diǎn)數(shù)據(jù)序列分為兩個(gè)點(diǎn)序列，并分別對(duì)這兩個(gè)序列執(zhí)行dft，得到的復(fù)雜度為，而原來(lái)的n點(diǎn)dft需要次運(yùn)算。將這兩個(gè)有個(gè)采樣的序列再分為4個(gè)有個(gè)采樣的子序列，對(duì)這4個(gè)更短的序列進(jìn)行獨(dú)立的點(diǎn)dft，可以進(jìn)一步降低計(jì)算量?？梢砸恢边M(jìn)行分解過(guò)程，直到分為2點(diǎn)dft

44、為止。除了上述的分解過(guò)程之外，還可以利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對(duì)稱性質(zhì)迸一步降低計(jì)算量。例如，一些旋轉(zhuǎn)因子的實(shí)部或虛部等于1(或0)，這些因子不需要進(jìn)行相乘。序列x(n)的離散傅里葉變換為 k=0,1,.,n-1 (3-1) (3-2) 將序列x（n）按序列號(hào)n的奇偶分成兩組，即 n=0,1,.,n/2-1 (3-3)則x(n)的傅里葉變換可寫成: （3-4） 可得: (3-5) 式中，它們分別是和的n/2的dft。 上述推導(dǎo)表明：和的計(jì)算需要2次乘加運(yùn)算。此外，需要另外次乘加運(yùn)算。結(jié)果需要次運(yùn)算，當(dāng)n很大時(shí)，幾乎比n點(diǎn)dft運(yùn)算減少一半。一個(gè)n點(diǎn)的dft可以被分解為兩個(gè)點(diǎn)的dft，每個(gè)點(diǎn)的dft

45、又可分為兩個(gè)點(diǎn)的dft。以此類推，當(dāng)n為2的整數(shù)次冪時(shí)，由于每分解一次就會(huì)降低一階冪次，所以，通過(guò)m次分解，最后全部成為一系列2點(diǎn)dft運(yùn)算。2點(diǎn)dft是基2fft算法中最小計(jì)算單元。圖 3-2 蝶形計(jì)算流程圖fig.3-2 the flowchart of the butterfly operation 圖3-2表示了第m級(jí)蝶形單元結(jié)構(gòu)，在圖中清楚的顯示了dft蝶形單元，它包括一次與旋轉(zhuǎn)因子 ，,的復(fù)數(shù)乘法、一次復(fù)數(shù)加法和一次復(fù)數(shù)減法。這里的所有乘加運(yùn)算都是以復(fù)數(shù)運(yùn)算計(jì)算的。 用代替可以很容易地由圖3-2導(dǎo)出2點(diǎn)dft，它只需要一次復(fù)數(shù)加法和一次復(fù)數(shù)減法。因此，這個(gè)8點(diǎn)fft的總計(jì)算要求僅為

46、8次復(fù)數(shù)乘法和24次復(fù)數(shù)加法。與需要64次復(fù)數(shù)乘法和64次復(fù)數(shù)加法的8點(diǎn)dft相比，這一計(jì)算要求實(shí)質(zhì)性地降低了計(jì)算量。由于一般言，可以在m個(gè)步驟中對(duì)時(shí)基2-fft進(jìn)行分解，由于，所以在每一步驟中，需要與旋轉(zhuǎn)因子進(jìn)行次復(fù)數(shù)乘法和n次復(fù)數(shù)加法。因此，總的計(jì)算要求為次復(fù)數(shù)乘法與次復(fù)數(shù)加法。這些數(shù)字都是上限，這是因?yàn)橐恍┬D(zhuǎn)因子的數(shù)值為1，可以跳過(guò)與這些旋轉(zhuǎn)因子的相乘。fft較之dft的計(jì)算量減小了很多，但fft要做到多點(diǎn)，實(shí)時(shí)運(yùn)算，對(duì)于普通的單片機(jī)來(lái)說(shuō)還是一件困難的事情。一方面，fft需要對(duì)原始自然序列進(jìn)行碼倒序排列；另一方面，由于是復(fù)數(shù)，蝶形運(yùn)算是復(fù)數(shù)運(yùn)算，需要多次查表相乘運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)。因此，為了

47、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的fft，需要單片機(jī)的指令系統(tǒng)有著豐富的間接尋址方式，并且最好能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。dsp控制器就是針對(duì)這些需求而設(shè)計(jì)，具有這樣的指令和運(yùn)算能力。dsp控制器特有的反序間接尋址，就是專為fft算法而設(shè)計(jì)的；其他的間接尋址方式還可以實(shí)現(xiàn)增減1或增/減1個(gè)變址量，這就是為各種查表方法的實(shí)現(xiàn)提供了方便。另外，dsp控制器能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。因此，以dsp控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)fft。3.2 濾波處理由于得到的信號(hào)中含有低頻成分，這要求在進(jìn)行fft變換之前，必須進(jìn)行濾波，將低頻信號(hào)濾掉。而數(shù)字濾波器有兩種主要類型：有限脈沖響應(yīng)濾波器或稱fir濾波器，無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器或

48、稱iir濾波器。有限脈沖濾波器僅取決于過(guò)去的輸入，而與過(guò)去的輸出無(wú)關(guān)。無(wú)限脈沖濾波器產(chǎn)生新的輸出，不但需要過(guò)去和現(xiàn)在的輸入，還需要過(guò)去的輸出。根據(jù)激光多普勒測(cè)速信號(hào)的特點(diǎn)，求得的速度信號(hào)只和信號(hào)的輸入有關(guān)，而和過(guò)去的速度信號(hào)無(wú)關(guān)。故采用fir濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理。3.2.1 fir 濾波原理 fir濾波器的差分方程和脈沖響應(yīng) (3-6) (3-7) 它包括m十1個(gè)脈沖函數(shù)，系數(shù)為權(quán)系數(shù)。fir濾波器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)上式中的系數(shù)，以便使用最少的系數(shù)得到所需的濾波器特。一般來(lái)說(shuō)，濾波器的滾將越陡峭，需要的系數(shù)也就越多，對(duì)于fir濾波器，要得到滿意的性能，通常需要100至200個(gè)系數(shù)。

49、而高通濾波器的設(shè)計(jì)可以先設(shè)計(jì)低通濾波器，在進(jìn)行頻率移位來(lái)獲得待求的濾波器。窗函數(shù)的作用是從理想低通脈沖響應(yīng)的無(wú)限個(gè)采樣點(diǎn)中選取有限個(gè)采樣點(diǎn)，這個(gè)重要的步驟使脈沖響應(yīng)采樣值可實(shí)現(xiàn)為一個(gè)實(shí)際濾波器。而窗函數(shù)有很多種：矩形窗，哈明窗，布萊克曼窗，凱塞窗。 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)采用的是哈明窗，下面介紹哈明窗：長(zhǎng)度為n的哈明窗定義為： (3-8)其他處為零。平滑的窗函數(shù)輪廓使得旁瓣變小。哈明窗的旁瓣比直流幅度低41db。3.2.2 fir濾波器 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)采用哈明窗設(shè)計(jì)的低通濾波器，最大旁瓣的阻帶增益比通帶增益低55db。濾波器項(xiàng)數(shù)為250，高通濾波器脈沖響應(yīng)為： (3-9) 3.3 本章小結(jié)本章

50、主要介紹了信號(hào)處理方法和濾波處理。首先對(duì)五種多普勒信號(hào)的處理法進(jìn)行了特性分析，然后著重介紹了快速傅里葉變換處理法，后面的設(shè)計(jì)將會(huì)用到這種處理方法；因?yàn)樵诘玫降男盘?hào)中有低頻成分，為了不影響測(cè)量結(jié)果，要將低頻信號(hào)過(guò)濾掉，因此又介紹了濾波處理法。在這兩者是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中信號(hào)處理過(guò)程的重要部分。4 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)具體設(shè)計(jì) 在激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，并且選擇使用fft方法處理多普勒信號(hào)，建立完整的多普勒測(cè)速系統(tǒng)。 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)框架圖如圖4-1所示。信號(hào)處理器是數(shù)字信號(hào)處理器，采用德州儀器tms320f2812芯片。圖4-1 激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)框架圖fig4-1 fram

51、e diagram of ldv如圖4-1所示，這是完整的激光多普測(cè)測(cè)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。氦氖激光器作為激光源發(fā)出的激光，經(jīng)過(guò)偏振片獲得偏振光，然后通過(guò)分束棱鏡和反射棱鏡實(shí)現(xiàn)分光，得到兩束方向不同的光，再經(jīng)過(guò)反射棱鏡反射，最后兩束光照射到一運(yùn)動(dòng)物體的表面，同時(shí)匯聚成一點(diǎn)，也就是探測(cè)點(diǎn)。圖中的apd為光電探測(cè)器，它是光收集系統(tǒng)的一部分，另外光收集系統(tǒng)還包括：透鏡和放大電路。 由光收集系統(tǒng)得到的輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置運(yùn)放放大，再經(jīng)過(guò)高通濾波去除基座，然后進(jìn)行ad變換，經(jīng)過(guò)變換后的數(shù)字信號(hào)，用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，比如濾波，fft等處理，并可以把處理結(jié)果傳送給計(jì)算機(jī)總機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)-下位機(jī)通訊的功能。波群

52、檢測(cè)器是信號(hào)處理器的關(guān)鍵部分，它的任務(wù)是判斷有無(wú)波群信號(hào)出現(xiàn)，并估計(jì)信號(hào)頻率，通知采樣控制器選擇最佳的采樣頻率。實(shí)際上是對(duì)信號(hào)做一次fft預(yù)處理，通常可以采用硬件采樣完成，以初步確定波群頻率和波群長(zhǎng)度，從而調(diào)整采樣率和采樣長(zhǎng)度，使fft處理得到最大效率?？删幊炭刂破髌鸬娇刂芶/d采樣器和波群檢測(cè)器的作用。計(jì)算機(jī)是總機(jī)，可以控制dsp的運(yùn)行并且存儲(chǔ)處理結(jié)果，便于現(xiàn)場(chǎng)操作和數(shù)據(jù)的后處理，從而構(gòu)成一個(gè)完整的處理系統(tǒng)。41光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元 該系統(tǒng)的光學(xué)單元由光源、分光系統(tǒng)、收集系統(tǒng)幾部分組成。激光源發(fā)出的激光，經(jīng)偏振元件和分光元件后，分成為兩束偏振方向一樣的等頻率的光，照射到旋轉(zhuǎn)的盤上，然后收集系統(tǒng)收

53、集到含有多普勒頻率信號(hào)的光。411光源多普勒測(cè)量系統(tǒng)對(duì)光源的要求較高。由于光線需經(jīng)過(guò)分光元件才能到達(dá)被測(cè)物，期間有將近30的光能損失。且差拍信號(hào)的振幅與參加差拍的兩束光的振幅乘積成正比，故提高光信號(hào)的強(qiáng)度，有利于提高信噪比并可簡(jiǎn)化信號(hào)處理。本實(shí)驗(yàn)光路結(jié)構(gòu)選用線偏振光氦-氖激光器作為光源，氦-氖激光器具有連續(xù)輸出激光的能力。輸出激光功率不高，相干性及方向性均很強(qiáng)，居各類激光器的首位。 氦-氖激光器的發(fā)散角為1.3mrad，波長(zhǎng)為632.8納米，光點(diǎn)小，光強(qiáng)集中，并具有相干性、單色性好、方向性強(qiáng)和亮度高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足測(cè)量要求。412分光系統(tǒng) 無(wú)論何種光路結(jié)構(gòu)，都須將一束光分成兩束，以保證兩束光的相干性。本光路結(jié)構(gòu)采用一個(gè)分束棱鏡和兩個(gè)反射棱鏡實(shí)現(xiàn)分光。偏振片使激光成為偏振光。然后經(jīng)分束棱鏡后，分成兩束方向