（光学工程专业论文）基于dsp芯片的zoomfft方法在激光多普勒测速中的应用研究.pdf

哈尔滨门辈大学硕+ 学付论文 摘要 激光多普勒测速仪是一种测量流场和运动物体速度的精密仪器，根据激 光多普勒原理，利用被测流体中的散射粒子对入射光进行散射，并通过光电 探测器探测散射光的频移量，根据这个频移量便可以计算出流体的速度。具 有动态响应快、空间分辨率高、测量范围大、非接触测量和实时性好等优点。 为了提高激光测速系统中信号处理速度，获取更高的测量精度和实时检 测能力，本文从硬件结构、信号处理和实验结果入手，提出了利用d s p 芯片 作为频率分析处理器的多普勒测速系统，并围绕它的测速技术中的频谱细化 技术开展了有关的研究。频谱细化技术近年来发展迅速，从分析精度、计算 效率、分辨率及灵活性等方面看，基于复调制的z o o m f f t 方法是一种行之 有效的方法。本文采用组合算法，即小样本z o o m f f t 算法结合频率校正算 法，用m a t l a b 实现了该算法，并通过仿真验证，证明了该算法的优越性。 信号处理系统采用t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 作为主 控芯片，设计了前置放大电路、滤波电路、a d 采集电路、d s p 控制模块。 在处理方法上采用了实数基2 的f f t 算法。 关键词：激光多普勒测速；信号分析；频谱细化：z o o m f f t 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h el a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ( l d v ) i sak i n do fp r e c i s ei n s t r u m e n t ，w h i c h i su s e dt om e a s u r ev e l o c i t yo fl i q u i da n dt h em o v i n go b j e c t s i ti sb a s e do n d o p p l e rp r i n c i p l eo fl i g h t i tu s e ss e e d i n gp a r t i c l e st os c a t t e rt h el a s e ri n c i d e n to n i t , t h e nd e t e c t st h ec h a n g eo ft h ef r e q u e n c yo ft h es c a t t e r e dl i g h tb yp h o t o e l e c t r i c d e t e c t o r f i n a l l yg e t st h ev e l o c i t yo ff l u i do rm o v i n go b j e c ta c c o r d i n gt h ev e l o c i t y w h i c hc o n t a i n e di nt h es c a t t e r e dl i g h tb a s e do nt h ef r e q u e n c ya c h i e y e di s p r o p o r t i o n a lt ot h ev e l o c i t y t h el d v h a sm a n ym e r i t s ，s u c ha sa r a p i dd y n a m i c r e s p o n s e ，g o o ds p a c ed i f f e r e n t i a t i n ga b i l i t y , w i d em e a s l l r er a n g e ，h i g hp r e c i s i o n ， i t sn o n - c o n t a c ta n dr e a l t i m eo p e r a t i o n f o ri m p r o v i n gs i g n a lp r o c e s s i n gs p e e di nl d vs y s t e mt oo b t a i nh i g h e r m e a s u r ep r e c i s i o na n dr e a l t i m ed e t e c t i o n ，al d vs i g n a lp r o c e s s o ru s i n gd s pa s s p e c t r u m a n a l y z i n gp r o c e s s o rw a sd e s c r i b e db a s e do nh a r d w a r ef r a m e ，s i g n a l p r o c e s s i n ga n dt r i a lr e s u l t s ，a n dt h es p e c t r u mz o o mp r o c e s s i n gi nl d vh a sb e e n i n v e s t i g a t e d t h et e c h n o l o g yo fa n a l y z i n gl o c a lm a g n i m d 卜f r e q u e n c yo fs i g n a l h a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n t l yf e wy e a r s a si nt h ea s p e c t so f p r e c i s i o n ， e 街c i e n c y ，r e s o l v i n gp o w e ra n da g i l i t y ，z o o m f f t ( z f f t ) i sa l le f f e c t i v em e t h o d t oa n a l y z el o c a lm a g n i t u d e f 啦u e n c yo f s i g n a l ，a n di th a sb e e nw i d e l yu s e d i n t h i sp a p e r ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fz f f th a sb e e ni n t r o d u c e d ac o m b i n e d m e t h o dt h a ti ss m a l ls a m p l ez f f ti na d d i t i o nt oe n e r g yb a r y c e n t e rh a sb e e n r e a l i z e du n d e rm a t l a be n v i r o n m e n ta n db e e nv a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tz f f ti ss i m p l ea n df e a s i b l e t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9i su s e da st h em a i nc o n t r o l l e ri nt h el d vs i g n a lp r o c e s s o r s y s t e m w eh a v ed e s i g n e dt h ec i r c u i to fp r e a m p l i f i e ra n df i l t e r , t h ea ds a m p l e c i r c u i ta n dd s pc o n t r o lm o d u l e t h ea l g o r i t h mo ff f tb a s e do n2i st h em a i n m e t h o df o rs i g n a lp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：l a s e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ( l d v ) ；s i g n a lp r o c e s s i n g ；s p e c t r u m z o o m i n g ；z o o m f f t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨t 稗大学硕+ 学付论文 第1 章绪论 1 1 本课题背景和研究意义 水中流体的流动速度是流场最为基本的物理量，流动特征的描述很大程 度上取决于速度场的获得。大多数描述流场的导出量如环量、涡量、流函数 等，也都直接和流体速度参量建立联系。水中流体速度的高精度测量，是各 种潜水器进行导航定位、姿态调整与控制的关键技术之一。因此，发展微小 型化、低功耗、高灵敏度、反应快捷的流体速度传感器，具有极大地实用意 义。 目前的常用的水中流速测量方法主要有旋桨式流速传感器、毕托管式流 速计、激光多普勒流速仪、粒子图像测速仪以及基于其他转换原理的流速测 量仪。其中，旋桨式和旋桨式流速计，一般在工业和水文测量应用中比较普 遍，测量的频率响应较低( 低于1 0h z ) ，属于单点、定常( 平均流速) 的接 触式测量，对实际流场干扰大，并且体积和质量较大，维护较复杂。探头尺 寸一般在厘米量级或更大，显然不适合流速计小型化的要求。 粒子图像测速仪( p w - - p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e y ) ，是通过拍摄并测 量流场中跟随流体运动的颗粒( 示踪粒子) 的速度来反映流场速度的。脉冲 激光光源通过球面镜和柱面镜形成脉冲片光源，照亮流场中需要测量的流动 区域；在两个( 或多个) 瞬时时间点上用c c d 相机记录下流动区域中示踪 粒子的图像：将数字化的图像送入计算机，对图像矩阵进行自相关或互相关 运算，得到特定时间间隔内示踪粒子的位移。如果示踪颗粒的跟随性足够好， 由此即可获得流场各点的速度信息。p i v 最大的优点是它可以得到瞬时全场 速度分布，这样对流动结构的反应就不再是统计时均的结果，而是真实的瞬 态信息。与l d v 技术相似，p i v 技术仍然反映的是流动中示踪物的速度， 同样存在颗粒速度和流体速度之间的“跟随”性的问题。目i i i ，由于图像采集 和处理速度仍然受到限制，p w 系统的时间采样频率仍然不能与l d v 相比。 同时，p i v 技术受现有c c d 光学系统及其图像处理计算机体积的限制，构造 低功耗、小型化的p w 系统也具有重大的困难。 激光多普勒测速仪( l d v l a s e rd o p p l e rv e l o e i m e t r y ) 测速的原理是 1 哈尔滨t = 稃大学硕十学何论文 利用流体中运动微粒散射光的多普勒频移来获得流体速度信息。分别利用水 中光波传输过程中对散射粒子的多普勒频移效应，实现流体速度的测量。它 的最大优点在于测量的非接触性，不会对测量流场产生干扰，并且系统有较 高的频率响应( 可达1 m h z 以上) 。激光多普勒测速在特殊的流场中仍然是 不可或缺，有时几乎是唯一的流动速度测量方法。 在众多的传感器技术中，由于光纤的体积非常小( 直径仅1 2 5 微米) ， 具有非常好的柔韧性、抗电磁干扰等特性，微缩集成化新型光纤传感器非常 适合于这种微小型化的需要。基于光纤技术，采用二极管激光器替换传统光 源，通过引入光纤重新构造激光测速系统的光路，利用专用的超低功耗的数 字信号处理芯片( d s p s ) ，实时处理多普勒信号，使光纤l d v 系统具有牢固、 结构紧凑和超小型化等优点。基于光纤及d s p 技术可实现小型化、低功耗激 光多普勒测速系统，因此该方面的研究具有巨大的经济及社会意义。本论文 围绕激光多普勒测速中高精度信号处理技术的有关问题展开研究。 1 2 激光多普勒测速研究现状 激光多普勒测速( l d z l 勰e rd o p p l e rv e l o c i m e t e r ) 技术是种非接触式测量 技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电 探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息( 粒子散射光的频移 与粒子速度呈简单线性关系) 得到流体或者固体的运动速度。它可通过控制光 束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域( 仅为 千分之几立方毫米) ，获得分辨率为2 0 1 0 0 微米的极高的测量精度。从原理 上讲，l d v 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。它还可以实现一维、 二维、三维的速度测量以及运动方向的判断。l d v 输出信号的频率和速度成 线性关系，它能覆盖从每秒几毫米到超音速很宽的速度范围，且测量不受物 体压力、温度、密度、粘度等参数的影响。总的来说，l d v 动态响应快、空 间分辨率高、测量范围大，在测量精度和实时性上都具有突出优点。现在l d v 已成为科学研究和实际工程中测量固体表面运动速度和复杂流场流动速度的 一种有力手段，己经从最初的流速测量领域扩展到风洞速度场测量、边界层 流测量、二相流测量，以及喷气过程和燃烧过程的研究【2 1 1 3 1 4 1 。近年来这一 技术不仅在流体力学及空气动力学等方面得到了广泛应用，而且还延伸到测 2 哈尔滨_ t 稃大学硕十学 市论文 量固体运动速度、运动物体的瞬间速度变化、多端振动【5 1 及长度等科技和工 业领域。 国际上，激光多普勒效应的研究工作开展较早。自激光出现后，国外学 者相继提出并从事该领域的研究工作，在理论上取得了一定程度上的进展。 由于激光系统的复杂性、稳定性、造价及寿命的原因，曾经使这一研究项目 的实用性受阻。随着半导体激光器的出现及产业化，给这一研究领域的实用 化注入了无限的生机。近几年来无论从光路设计还是在信号处理方面都有所 创新，所以激光多普勒测量技术的研究又重新受到重视。近几年来，采用新 型半导体激光器作为发射光源，用雪崩二极管或p i n 管作为探测元件，使得 光学系统小型化成为可能。计算机的发展使时域内信号处理的可靠性提高， 并向频域处理的方向发展。随着电路器件水平的不断进步，f f t 运算速度的 提高，使频域内的信号处理方法用于准实时测量或趋向实对测量。近年来国 外还发展了一些新的信号处理技术，一方面使得激光多普勒信号处理系统也 趋于小型化，另一方面使得信号处理的自动化能力提高，使人工干预减到最 小。 近年来，国外开始采用光纤结构的激光多普勒测速仪。采用光纤可使发 射头与发送系统中的布拉格盒、分束器等光学元件分开，也可使接收探头与 光电接收器、前置放大器等接收部分分开，它们之自j 用光纤完成，这样发射 头就小巧灵活1 6 l 。 另外，国外也发展利用半导体激光器自混频效应的小型激光多普勒测速 仪。在测量过程中，由运动物体后向散射的光进入半导体激光腔体，与腔体 中的光相干，并产生自混频效应。这一效应使激光强度随着多普勒频率产生 很大波动，用一个光电二极管可以测量这一波动；当采用恒流源供电时，也可 通过测半导体激光器上的电压来测量其波动，据此来完成测速。 1 3 激光多普勒信号处理 自从1 9 6 4 年第一台激光多普勒测速仪问世以来，国内外学者针对多普 勒信号的特殊性进行了大量研究，研制出了各种用于激光多普勒测速的专门 仪器，但它们几乎全部采用模拟器件实现。近十年来，随着计算机技术的飞 速发展，尤其是数字信号处理芯片( d s p s ) 的出现，人们开始考虑采用数字信 3 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 号处理的方法对l d v 信号进行分析：首先对光电探测器输出的多普勒信号进 行预处理，然后通过a d 转换器得到离散的多普勒信号序列，最后利用d s p s 对信号序列进行运算处理，提取多普勒信号频率。这种方法与现有的各种模 拟信号处理方法相比具有更好的稳定性和抗干扰性；其系统可以在通用计算 机上开发，实现容易，成本低，而且数字信号处理运算可以方便地根据实际 情况进行修改( 通常只要改变程序，或对寄存器重新加载即可实现) ；另外， 数字信号处理运算单纯地基于加法和乘法，这使得它具有稳定的处理性能。 在采用数字信号处理技术的l d v 系统中，多普勒信号的处理至关重要。 这是因为l d v 系统中的光电探测器接收的是粒子散射光，其强度本身就比较 微弱，而且信号还受到诸如光路系统、杂散光、光检测器件噪声、散射粒子 尺寸和位置分布以及粒子浓度等因素的影响。这就造成了激光多普勒测速系 统的光电信号具有信号弱、噪声干扰大的特点，还伴有信号脱落( 即信号不连 续) 现象。并且多普勒信号的频率一般都较高，通常在千赫兹的量级上，当流 速较高时达到几十兆赫兹，甚至上百兆赫兹( 如运用于高速风洞的测量) 。当 运用于湍流流场的测量时，信号频率还会有较大范围的波动。要从质量这么 差的高频信号中尽可能地提取我们所需的信息，同时必须满足实时性、精度、 测速范围的要求，这对l d v 系统的硬件设计和软件编程无疑提出了很高的要 求。 努力改进l d v 系统的光路结构，优化多普勒信号处理方法，将数字信号 处理技术运用于多普勒信号的分析处理，将有助于提高l d v 测速系统的性能， 为相关学科的发展提供强有力的实验技术支持；同时研究多普勒信号的处理方 法也具有普遍意义，可以为其它类型信号的分析与处理提供参考和借鉴。 多普勒信号的形式受光学系统参数、粒子条件和流动状态影响极大( 这 些我们会在下一章中具体分析) ，至今还没有哪一种信号处理器能够适用于所 有情况。现有的激光多普勒测速仪种类较多，按照其信号处理的工作原理可 分为频谱分析型、滤波器组型、频率跟踪型、计数型、数字相关型和数字f f t 型【4 】1 5 】。 1 频谱分析型 频谱分析型激光多普勒测速仪是最早出现的l d v 之一，其测量对象是 多普勒信号的功率谱或与其等价的多普勒频率的概率密度函数。它采用一个 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 中心频率可调的窄带带通滤波器匀速扫过所研究的频率范围以分辨输入信号 的各种频率分量并显示和记录。频谱分析是l d v 用于诊断时最通用的方法。 在不利的条件下，频谱分析法对做初步测量非常有用：在稳定流动中，即使 非常差的信号质量或者非常不连续的信号，也可以实现频谱记录。其工作频 率范围很宽，最高可达1 0 0 0 m h z 。其主要缺点为：因为在窄频带外面的所 有信号都去掉了，不能允分地利用有用的信号；要获得由许多粒子信号所构 成的可靠频谱，需要很长的测量时间。因此，频谱分析法不能给出瞬时速度 的实时记录。 2 滤波器组型 滤波器组型激光多普勒测速仪的工作原理，与频谱分析型相同。它使用 调谐在不同频率上的许多并行窄带带通滤波器，所以多普勒频谱的建立时间 就要快得多。滤波器组法比频谱分析法更有效，因为所有存在的多普勒信号 都能同时影响滤波器组的输出。它具有比其他方法好得多的信噪比，在处理 质量差的间断多普勒信号时极其有效。但是由于实际上只能采用有限个滤波 器，它的分辨率比较粗，因而只适合于高速测量而不适合于精确测量。并且 由于滤波器频率的固定分布，它对于频谱分布不宽的低速测量并不合算。 3 频率跟踪型 频率跟踪型激光多普勒测速仪是带有频率负反馈系统的解调器。它可以 自动跟踪频率调制信号，并且把信号频率变为模拟电压，把调制信号的频率 变为模拟电压的变化频率，得到一个始终正比于所测流体速度的模拟信号。 频率跟踪型激光多普勒测速仪最大的优点在于实时性很好，可以得到j 下比于 瞬时速度的实时信息，与频谱分析型相比，其数据的获得和处理要快得多。 但是频率跟踪器要求输入信号必须是连续的，这就必须保证流体中具有较高 的粒子浓度，从而要求有良好的信号脱落保护。另外，它能测量的最大湍流 强度受动态响应、跟踪范围和转换速率的限制。对于大多数跟踪器来说，最 大的瞬时多普勒频率为2 0 m h z 或略低一些，随着信噪比降低性能变坏，并且 有可能跟踪假信号。 4 计数器型 计数型激光多普勒测速仪是一种计时装置。它的主要工作是测量规定数 目的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间就是粒子穿越测量区域中同样 5 哈尔滨r 稃大学硕十学位论文 数目的条纹所需的时问。利用快速数字电子装置，就可以得到多普勒信号频 率和对应的粒子瞬时速度。计数型激光多普勒测速仪的设计、制造和应用非 常经济，适用于粒子稀少的流动场合，即使多普勒信号不连续也能快速地得 到瞬时速度信息。此外，它是一种时域的处理方式，没有仪器的动态响应问 题，也没有粒子有限渡越时间加宽的影响，因而可以达到较高的时间分辨率。 但计数法对于噪声非常敏感，不适用于噪声较强的情况。 5 数字相关型 数字相关信号处理采用2 0 世纪8 0 年代发展起来的数字波群相关技术， 其工作原理等同于计数型，但它不是直接测量信号的多普勒周期，而是通过 计算信号的双钳位自相关函数的周期来获得原始信号周期。这样，可以从混 有噪声的多普勒信号中提取所需信号，剔除噪声。因为利用了自相关噪声抑 制作用，从而对信噪比的要求降低，数据有效性大大增加。使用了双钳位技 术，使多普勒频率测量可以在一位数字上进行，从而提高了数字化速率和实 时性能。 6 数字f i t 型 时域内的信号处理虽然比较容易实现，但却存在一个致命弱点，即在信 噪比非常低时，可靠性大大降低。因此，目前l d v 系统信号处理的发展是在 频域内进行处理，即把探测到的信号转换成它的频谱，用f f t 计算得到其最 大值，再求信号的多普勒频率。理论研究和实验比较均表明，采用离散傅立 叶变换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 处理多普勒信号，可有效地从低信噪比的 信号中提取频率。 表1 1 几种典型信号处理技术比较 信号处理能否得到瞬能否接受间从噪声中提典型精度可测最人频 技术时速度断信号取信号能力 ， 蛊m h z 频谱分析 否能好( 费时)l1 0 0 0 滤波器组能能很好 2 5l o 频率跟踪能差好 o 55 0 计数器能能差 0 52 0 0 数字相关能能很好优丁10 5 1 0 0 数字f f t能能很好优于0 5 1 5 0 6 哈尔滨丁稃大学硕十学待论文 表1 1 对以上各种l d v 信号处理技术进行了总结，可以看出，数字f f t 技术在动态响应时间、抗干扰性、分析精度及测量范围等性能指标上具有很 大的优越性，随着数字信号处理技术的发展，获得了广泛的应用。但由于传 统数字f f t 技术直接将f f t 结果的谱峰值对应的频率作为多普勒频率估计 值，其测量精度受到极大限制。因此，在原有多普勒信号处理方法基础上加 以研究、改进，具有重要的现实意义【7 1 1 8 1 。 1 4 论文的主要内容 本文分析了现有激光多普勒测速仪信号处理技术及工作原理，比较了动 态响应时间、抗干扰性、分析精度、测量范围等性能指标。针对存在的缺点， 提出一种应用于激光多普勒测速的高精度信号处理技术，详细介绍了算法原 理并对其进行了仿真验证。同时，介绍了基于d s p 的多普勒信号处理系统的 方案设计。 本文共分为5 章： 第l 章对论文的研究背景、研究意义及激光多普勒测速技术的发展历 程及应用场合作了简要介绍，并对现有测速仅按照其信号处理的工作原理进 行了分析比较； 第2 章介绍了激光多普勒测速的工作原理，并对激光多普勒信号的特 性进行了较为全面的分析； 第3 章激光多普勒测速仪的系统硬件设计与实现： 第4 章多普勒信号处理研究； 第5 章基于z o o m f f t 频率细化算法的仿真及结果分析。 7 哈尔滨t 。稗大学硕十学忙论文 第2 章激光多普勒测量技术 2 1 光的多普勒效应 多普勒效应是l d v 测速方法实现的理论基石【“。任何形式的波传播， 由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率 发生变化。奥地利科学家多普勒( d o p p l e r ) 于1 8 4 2 年首次研究了这个现象：当 观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源 运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这 就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。 如同声波的多普勒效应一样，光源与物体相对运动时也具有多普勒效 应。但是在激光器出现以前，要得到频谱窄、能量集中的光源是不容易的。 激光作为一种新型光源的出现为利用光波的多普勒效应创造了条件。 在激光多普勒测速仪中，依靠运动微粒散射光与照射光之间光波的频差 ( 或称频移) 来获得速度信息。这里存在着光波从( 静止的) 光源到( 运动的) 微粒 到( 静止的) 的光检测器这三者之间的传播关系【4 l 。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 9 1 。1 9 6 4 年y e h 和c u m m i n s 首次观察到了水 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度 t o l 1 1 1 【1 2 1 。 2 1 1 光源运动，观察者相对静止 如图2 1 所示，我们考虑一个以速度“运动的光源。其光波的传播方向 为，光源原本与观察者的距离为c ，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 u - 鹿 1 3 】【1 4 】。那么静止观察者所记录到的光源的波长 就变为： 彳：掣( 2 1 ) 1 对应的频率为： 8 哈尔滨t 稗大学硕十学何论文 厂2 走 z ， 其中厂为光波的原始频率，c 为光速。考虑到光传播速度远大于光源运动速度， 则得出频移量近似为： 厂：掣( 2 - 3 ) c t 静止的观察者 图2 1 运动光源产生的多普勒效应 2 1 2 观察者运动，光源相对静止 当光源静止而观察者运动时，由于观察者本身的运动使它越过波i ； 比光 源发射的光波前多或少，如图2 2 所示，我们观察到光波的频率为： ： p 一，) ( 2 - 4 ) 其中为观察者运动的速度矢量，为光波传播的方向。由此引起的频移为： ，= 即2 与( 2 3 ) 式相同。在实际运用时，我们更为关心的是运动物 体所散射的光的频移，此时光源和观察者是相对静止的。我们可以把这种情 况看作是一个双重多普勒频移来考虑，即运动物体接收从静止光源发出的光 波又重新发射给一个静止的观察者，这可以看成是前面两种情况的综合。运 动物体所接收到的静止光源的光波频率可由式( 2 2 ) 给定。由于运动物体相对 于接收者是运动的，当光从运动物体反射到接收者时，光波的频率再次经多 普勒频移，于是得到总的频移量为： 9 班稻扣_ ，) ( 2 - 5 ) 观察者的速度 图2 2 运动光源产生的多普勒效应 2 2 光纤激光多普勒测速关键性技术 我们采用的光纤激光多普勒测速传感系统工作原理如下图所示( 图2 3 、 激光束1 激光束2 子运动方向 图2 3 激光多谱勒测速基本原理示意图 l o 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 回 向 龄固冷 圈 图2 4 差频矢量合成测速关系 来自半导体激光器的相干光经布拉格盒后，产生一固定频移的两束光分 别经光纤导入传感器发射头中，该发射光被流体中的浮游生物散射，载有速 度信息的后向散射光信号经接收光纤送回光电探测器并被转换放大，然后进 行信号处理，得到相对运动速度。 当激光束照射流动的散射粒子时，被运动粒子散射的激光受粒子流动速 度的频率调制，得到运动频移。为检测光学差频数值，可利用光学外差法将 散射前后或不同散射方向的激光在光电检测器上混频，以获得与运动速度有 关的拍频信号。 由式( 2 5 ) 可见，如果己知光源、粒子和光检测器三者之间的相对位置， 只能确定速度在( k f ) 方向上的投影大小。显然，单有一种固定的相对 位置不可能确定平面速度向量。在许多情况下，速度的方向是己知的( 例如风 洞、管流) 。要是将入射光、散射光和粒子速度方向布置成如图2 4 所示的那 样，就可以得到最简单形式的多普勒频移表达式： 厶：孕s i n 昙( 2 - 6 ) l z 式中u 。为速度u 在x 轴的分量：0 2 为双光束夹角的半角。对一个确定的光 路，只要纠2 和波长旯给定，多普勒频移和速度就成线性关系。从而，一旦 1 1 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 测得多普勒频移，就可以计算出其速度： j i u ，i = 去厶 ( 2 7 ) 2 s i n e 2 2 3 激光测速光学布置的基本模式 可见光波的频率通常在1 0 “h z 左右，而有实际意义的多普勒频移最高 也不过1 0 8 1 0 9 h z 。因为常用的光电器件不能响应光波的频率，所以用光检 测器直接检测散射光频率是困难的。使用一种扫描装置即法布里珀罗 ( f a b r a y p e r o t ) 干涉仪可以直接检测散射光的多普勒频移，但这种仪器的典 型分辨率是5 m h z ，一般只适用于马赫数为0 5 以上的速度测量，对于大多数 低速测量是不使用的，因而限制了它的应用范围。 要获得运动微粒的散射光频移，必须通过光检测器的平方律效应来实 现，这就是所谓的外差检测i l6 】。激光的高度相干性，单色性和方向性，使光 频段的外差检测成为现实。光电探测器除了具有解调光功率的包络变化的能 力外，只要光谱响应匹配和频率响应合适，也同样有实现光外差检测的能力。 光外差检测系统与直接检测系统比较，多了一个本振激光。现在光电探测器 起着光混频器的作用，它对信号光和本振光的差频分量响应，输出一个中频 光电流。由于信号光和本振光是在光电探测器上相干涉，因此外差检测器又 常常称为相干检测。相对而言，直接检测也成为非相干探检测。 光学外差检测是一种更通用的激光多普勒检测技术。当来自同一个相干 光源的两束光波按一定的条件投射到光检测器表面时，通过光电转换的平方 律效应能得到它们之间的频差。这个频差就是所需要的多普勒频移，其他与 光频接近或更高的频率信息都因为远远超过光电器件的频率而被滤去。 在激光测速仪中有三种常见的外差检测基本模式，即参考光模式、单光 束双散射模式和双光束双散射模式。显然。我们采用的是最后一种。双光 束一双散射模式利用两束不同方向的入射光在同一方向上的散射光汇集到光 检测器中进行外差而获得多普勒频移。由上节可知，多普勒频移只取决于两 束入射光方向，与散射光方向无关。这是双光束双散射模式的重要特点，因 为光接收器可以放在任何位置，而且可以采用大的收集立体角以提高散射光 频率。入射光系统可以集成化光学单元，大大提高了光学系统的稳固性和易 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 调准性。 双光束光路是目前激光测速中应用最广泛的光路形式。这种光路的两束 入射光相交区中存在着一组明暗相间的干涉条纹，如图2 5 所示，因此可以 用“条纹模型”来进行理论解释。虽然对于多普勒信号某些特性( 如信噪比、 可见度等) 的分析并不完全符合实际，但是它的概念简单明了，并能给出币 确的频率值。 图2 5 相干光束条纹模型 在差动多普勒系统中，两束t e m 。模激光在光腰区相交形成测量区域， 通过光学知识我们可以分析德出测量区域的形状为一个椭球，其中分靠着明 暗相间的干涉条纹，条纹间距可用以下公式表示： a x = - = 一 ( 2 8 ) z s i n 口 其中妒为我们在2 2 节中提到的纠2 ，这是差动式l d v 测速系统的光路常数。 当示踪粒子以速度砧通过测量区域时，粒子将穿过这些平行的干涉条纹，在 亮条纹区时，粒子散射的光多，在暗条纹区时，粒子散射的光少。因此，如 果用一个光探测器来接收这些散射光，所接收到的光强将按粒子穿过这些条 纹的速度波动，也就是以粒子切割条纹的频率对光信号进行了调制，此频率 为： f _ - 石u = t 2 u s i n rp(2-9) 这个频率即为差动多普勒频率，它与式( 2 6 ) 表示的一维差动多普勒测速 公式相同。 由于用于多普勒测速的大多数激光器是非常近似地工作在t e m 。( 横向 1 3 哈尔滨- 厂稃大学硕十学何论文 磁场) 模式的理想激光器，这种模式的激光束在光腰部位的相位波阵面可以看 作是一平面波，且其强度符合高新分布。光的这种分布可以用光束中心的最 大强度厶和光束半径来表示，是从光束中心到光强为矿厶点的距离。 在光平面内光强为半径的函数，可以表示为： ，) = i o e x p - ( 2 ，c o 。) 2j ( 2 1 0 ) 此式所表示的光强分布如图2 6 ( a ) 所示。测量区域中的各干涉条纹的 光强也符合高斯分布。 上 ( a ) 高斯光强分布( b ) 干涉条纹的光强分布 图2 6 测量区域的光强分布 由于多普勒信号是由粒子切割条纹，并散射条纹的光而产生的，因此信 号的强度也将发生变化，即信号光强在受到频率调制的同时还受到了幅度调 制。那么综合来看，单个粒子穿越测量区域所产生的信号其幅度包络对应于 测量区域光强的高斯分布，而光强变化的频率则对应于粒子切割条纹的频率， 如图2 6 ( b ) 所示。由此可以得到单个粒子信号的数学表达式为： r广- ，、1 2 ，( f ) ：触p l 刿i 。【2 矾( f ) + 纠( 2 - 1 1 ) l 7 0 j 其中a 是粒子的信号幅值；t o 为粒子到达测量区域中心线的时间：厶为激光 多普勒频移；f = n ，厶，为粒子穿过测量区域的有限渡越时间，即信号闪 烁持续的时间，为测量区域积中的干涉条纹数。 2 4 激光多普勒信号的特性 不同于一般的光电信号，激光多普勒信号非常复杂。在讨论信号处理以 前，分析其信号特性是非常有必要的。在这里我们主要讨论双光束( 条纹) 模式来说明多普勒信号的产生过程。 2 4 1 高通滤波前后的信号比较 1 4 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 图2 7 双光束控制体中的光强分布 激光束是以高斯光束分布在空间传播的，图2 7 表示两束偏振方向相同， 等功率的高斯激光束相交区内形成的光强分布。它也在一定程度上代表了粒 子通过控制体时得到的信号波形【9 】。 当一个粒子以速度u ，穿过测量体时，光检测器中产生的光电流f ( f ) 可以 用下面的方程表示： 聊一 一 掣卅唧 _ 掣怍砒肌m ， 式中：f = ，厂d 是粒子穿过测量体的有限渡越时间：，是测量体中的条纹 数；气是粒子到达时刻；厶反映粒子速度的多普勒频率。其时域的信号电流 波形如图2 8 所示。 图2 8 多普勒波群的电流波形 1 5 哈尔滨1 。稃大学硕十学何论文 方程( 2 1 2 ) 和图2 8 均表示了检测信号电流由两个部分叠加而成，一部 分是最大幅度为的呈高斯分布的基底信号，它有入射光束的高斯光强变化 造成，另一部分是包络为高斯分布的余弦信号，它是两束散射光相干涉的结 果。当粒子在不同位置上穿过测量体时，由于光强分布不同，信号波形也不 一样，但是都包含了这两个部分。信号幅值j 。和屯均与入射光的光强成f 比， 而两者的比值屯则与散射特性、入射光偏振特性、光接收器参数及其位置 以及两束入射光的光强比等有关。它们决定了检测信号的信噪比特性。 对方程( 2 1 2 ) 作傅立叶变换，可以得到检测信号在频域的表达式： ，( r ) - - 降 ( 矿 + f 望丫三 l 2 l4 火4 ， e x p 一( 别 h 一 学肚x p _ 警 2 ( 2 。1 3 它的频谱( 见图2 9 ) 也由两部分组成，一部分是低频的基底信号频谱，其 带宽按1 0 最大幅值计算为e 2 r ，另一部分是多普勒信号频谱，频带范围为 厶- e 2 z 至厶+ p ，2 f 。由此可见，基底频谱和多普勒频谱的带宽都与多普 勒频率f o 成正比，与测量体中的条纹数 0 成反比。 图2 9 多普勒波群信号的频谱 1 6 f 哈尔滨t ：程大学硕十学位论文 对于大多数激光测速系统，j ，都不会小于1 0 ，所以基底频谱带宽不会 超过0 1 4 厶。在流速变化不太大的情况下，通常，可以用高通滤波器滤去基 底频谱，保留所需要的多普勒频率信号来进行处理。 在实际使用中，信号电流是由许多随机通过测量体的粒子产生的散射光 的光电流叠加而成。根据散射体的不同情况，经过高通滤波以后的信号可以 有以下几种形式： 1 连续的等幅波：这种形式的信号通常来自均匀散射的运动固体表面， 例如测量物体表面的运动速度。 2 连续的随机振幅波：当流体中粒子浓度较大时，可以得到连续的多 普勒信号波形，但振幅是随机变化的。测量体中多粒子的存在会引起相位噪 声和振幅的随机脉动，它不一定能增加信号强度，相反却可能起振幅抵消作 用。当两个不同相位的粒子信号叠加后，除了有振幅抵消作用外，重叠部分 的多普勒波形周期也发生了变化，这就是高频相位噪声的来源。 3 间断的信号波形：这种波形出现在粒子稀少的场合，如人工播粒的 气体和火焰。多普勒信号以单个“波群”的形式出现。为衡量测量体中粒子数 的多少，引入“波群密度”的概念。“低波群密度”表示在测量体中出现多于一 个粒子的概率很低。反之，“高波群密度”表示测量体中出现多于一个粒子的 概率很高。对于一定的信号处理器来说，区分所能适应的“波群密度”是很重 要的，因为这与测量的精度有关。 4 光强极低的信号：当粒子的散射光强非常低时，光检测器接收到的 是单个光子。由于光电子发射的离散性，在光检测器中产生的是离散的光电 子流，它产生的速率正比于照射到光检测器上的光通量。如果频带很宽，光 检测器的输出呈现为离散的脉冲。再引入“光子密度”概念。在低光通量时， 可以利用的能分辨光子的信号，称为“低光子密度”信号。这种信号的重要特 点是光子速率相当低，以致脉冲是一个一个的，堆积( 重叠) 不起来。这种信 号可以用典型的数字系统，例如光子相关器来分析光子速率，得到与粒子速 度有关的信息。在高光通量时，光子丧失了它的离散性。光子脉冲堆积起来 使光检测器输出的是一个正比于输入光通量的模拟信号，这种信号称为“高光 子密度”信号。由于“高光子密度”信号实际上是由重叠的脉冲所组成的，所以 在模拟信号中有相当大的“噪声”。 1 7 哈尔滨r 稃大学硕十学俜论文 2 4 2 频移原理及其功能 在2 3 节中讨论了激光测速得基本光学模式。为了说明光学频移对方向 敏感的作用，仍1 日考虑双光束模式光路。由于两束入射光的干涉作用，在控 制体中形成一组静止的干涉条纹。当粒子通过控制体时，在检测器中得到的 光电流频率与粒子速度有如下关系式： 厶：掣s 卸( 2 - 1 4 ) 式中驴同2 3 1 节，由上式可见，因为频率没有正负，所以方向相反、大小相 同的速度得到的频率是一样的。如果出现反向速度，就会造成波形的严重失 真。 实际上，由于具体使用的信号处理器存在动态范围的限制，即使在最低 量程也无法测量频率接近于零的信号。如果在两束入射光路中插入两个频移 器件，使原来与激光频率五相同的两束光，分别得到频移i a 。和z ：，就会 在控制体中得到一组移动着的干涉条纹。条纹的移动速度为 矿产志- 吒) 2 志工( 2 - 1 5 ) 式中：工= a ，一z ：为总频移量。应当注意，。正：，否则条纹将向反向移 动。由于工i 和厶均小于二，在计算条纹间距矗，( d = 衫2 s i n g a ) 时，可以 忽略波长的变化而采用激光光源的波长a 。这时，光电流的多普勒频率与速 度的关系式变成 厂d ：k + 2 s i - n e u l ( 2 - 1 6 ) l i 当流速反向时，方向相反的流速将分别对应大于或小于频移量f 的信号 频率。只要适当选择，使最大反向流速对应的多普勒频率大于信号处理器量 程的下限，就能避免速度波形的失真。要使两束入射光频率不同，需要在光 路中插入频移器件。在激光测速中有三种常见的频移器件，既旋转光栅、光 电器件和声光器件。 频移的功能： 1 8 哈尔滨r 程大学硕十学佗论文 1 频移有利于消除信号基底频谱； 2 频移有利于消除横向速度限制； 3 频移有利于信号动态范围的优化； 4 频移有利于区分速度的方向。 2 4 3 激光多普勒信号的处理 在频域内搜索多普勒频率的数字f f t 技术，显示了比自接在时域内处理 和模拟频域上工作的方法在动态响应时间、抗干扰性、分析精度及测量范围 上的优越性。随着数字信号处理速度和数字存贮能力的进一步提高，该技术 跟踪速度变化和噪声适应的能力较其它信号处理技术( 如频率跟踪技术、计数 技术等) 的优势将越来越明显。功率谱分析在随机信号处理中有着及其广泛的 应用，是平稳随机过程在频域描述各频率成分功率分布情况的基本特征量。 激光多普勒信号是一种随机信号，且在一定时间段内可以看成是一种广义平 稳信号，故可以采用功率谱分析方法。激光多普勒信号是一种密集型频谱， 其频谱图上的频率间隔很细，但频带分布又比较宽。在这种情况下，为了识 别谱图的细微结构，就必须要求信号处理系统既要有高的频谱分辨率，又要 有较宽的分析范围。窄带谱的频谱细化，犹如摄像机中用变焦距镜头放大整 个画面中的局部图象一样，能使某些感兴趣的局部的重点频段得到较高的分 辨率。频谱细化算法解决了高频谱分辨率和宽动态分析范围之间的矛盾，而 且保证了较快的运算速度，使得实时处理成为可能。其主要目的是识别谱图 上的细微结构。频谱细化方法有多种，具体选择则要考虑计算精度、速度、 程序实现的难易程度以及与频谱校正算法的结合。这些算法我们将在第四章 中进行详细分析。 2 5 本章小结 本章中介绍了激光多普勒测速的工作原理，对激光多普勒信号的特性进 行了较为全面的分析。分析了多普勒频移原理及频移获得的模式双光束 双散射模式，并着重介绍了光纤激光多普勒测速的技术，即由来自半导体 激光器的相干光经布拉格盒后，产生一固定频移的两束光分别经光纤导入传 感器发射头中，该发射光被流体中的浮游生物散射，载有速度信息的后向散 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 射光信号经接收光纤送回光电探测器并被转换放大，然后进行信号处