（测试计量技术及仪器专业论文）激光多普勒微机电系统运动检测电路与软件设计.pdf

中文摘要 微机电系统是集微型机械、微传感器、微执行器、信号处理、智能控制于一 体综合型系统，在国防、通信、汽车、生命科学等领域中有着广泛的运用。近年 来，随着微机电系统技术的迅速发展，对器件运动性能检测的需求也日益迫切。 本文主要探讨了基于激光差动多普勒原理的微机电系统的运动检测技术，研 究测量微型振子等微机电器件的瞬时速度、位移、加速度等运动参数的方法。论 文在前期的探索上，对原测量系统的光路结构、特别是信号处理模块和硬件设计 进行了改进和优化。 改进了原系统的光路结构，实现了符合测量要求的微小光斑，降低了光斑内 的速度梯度。采用了时频分析的方法，优化了软件处理模块，提高了系统的测量 精度。设计了信号的采集处理电路，替代数据采集卡进行采集和处理，降低了系 统的成本，并为将来系统的便携化、高效测量研究进行了先期探索，提供一定的 研究基础。 在对谐振器进行运动检测的基础上，论文还对器件的振型进行了初步的分 析，获得谐振器的固有振型。 通过对一系列微机电系统谐振器样品、微型马达、加速度校准仪等被测物的 成功检测，表明本测量系统可用于微机电系统的运动检测。 关键词：微机电系统，激光多普勒，时频分析 a b s t r a c t m i c r o - - e l e c t r o - - m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) i sai n t e g rt e ds y s t e mw h i c hi s c o m p o s e do fm i c r om e c h a n i s m s ，m i c r os e n s o r s ，m i c r oa c m a t o r s ，s i g n a lp r o c e s s i n g a n di n t e l l i g e n tc o n t r o lm o d u l e s i ti sw i d e l yu s e di nn a t i o n a ld e f e n s e ，c o m m u n i c a t i o n a u t o m o b i l e ，a n dl i f es c i e n c e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e m s ，t h ed e m a n df o r c h a r a c t e r i z a t i o n so ft h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm e m sd e v i c ei si n c r e a s e d a ni n v e s t i g a t i o no nm e m sm o t i o nm e a s u r e m e n t sb a s e do nd i f f e r e n t i a ll a s e r d o p p l e rp r i n c i p l ei sm a d ei nt h i st h e s i s am e t h o df o rm e a s u r i n gd y n a m i cp a r a m e t e r s ， s u c h 嬲v e l o c i t y , a c c e l e r a t i o n ，d i s p l a c e m e n t ，o ft h em e m sr e s o n a t o ra n dt h em i c r o m o t o re t c i sd i s c u s s e d b a s e do nt h ee a r l yw o r k ，t h eo p t i c a ld i a g r a m ，e s p e c i a l l yt h e s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dh a r d w a r e o ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m , h a sb e e n i m p r o v e d b a s e do nt h ee a r l yw o r k , t h em e a s u r e m e n ts y s t e m ，i n c l u d i n go p t i c a ld i a g r a m ， s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ea n dh a r d w a r ed e s i g nh a sb e e ni m p r o v e d t h eo p t i c a ld i a g r a mo ft h ef o r m e rs y s t e mi si m p r o v e d ，a n dam i c r oo p t i c a ls p o t w i t ht e n so fm i c r o m e t e r sd i a m e t e ri so b t a i n e d ，a n dt h eg r a d i e n to ft h ev e l o c i t yi nt h e s p o ti sd e c l i n e d t h et i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o di su s e di nt h es i g n a lp r o c e s s i n g m o d u l et oi m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h es y s t e m t h es i g n a ls a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g c i r c u i t sa l ed e s i g n e dt os u b s t i t u t ef o rt h ed a qc a r d ，a n dt h ec o s to ft h es y s t e mi s r e d u c e d i ta l s op r o v i d e saf o u n d a t i o nf o rp o r t a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo ft h es y s t e m f o rf u r t h e rm e m sr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n o nt h eb a s i so ft h em e m sr e s o n a t o r sm e a s u r e m e n ltev i b r a t i o ns h a p eo ft h e m e m sc a nb ea l s oa n a l i z e db yt h es y s t e m e x p e r i m e n t so nm e a s u r i n gt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c o ft h em e m sr e s o n a t o r s ， m i c r om o t o ra n da c c e l e r a t i o nc a l i b r a t i n gd e v i c eh a v eb e e nc o n d u c t e ds u c c e s s f u l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nb eue dt om e a s 唧em e m sm o t i o n k e yw o r d s ：m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，l a s e rd o p p l e re f f e c t ，t i m e - f r e q u e n c y a n a l y s i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得垂鲞盘望或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 长垂 签字日期： 2 叼年2 月e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 7 长灌 f 签字日期：枷- 7 年 2 月 j 日 导师签名： 么战 t 签字日期：加夕年文 月，日 第一章绪论 第一章绪论 微机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，简称m e m s ) 是多种学科交叉 融合并具有战略意义的前沿技术。m e m s 以其微型化的优势，在汽车、电子、家电、 机电等行业和军事领域有着极为广阔的应用前景。随着微机电系统从研究阶段逐渐 步入产业化阶段，其对测试系统的需求也越来越迫切。由于微机电系统在结构、工 艺、应用等方面的新型性和特殊性，微机电系统的检测技术也呈现出更多的创新性 和挑战性。 本项目研究了基于激光多普勒的m e m s 动态测试技术，通过研究微型振子、微 马达等微机电器件的瞬时速度、加速度、位移、转速等运动参数的测量方法，总结 对微机电执行器件性能测试技术的一些规律性认识。 本章首先综述了微机电系统的概况，微机电系统检测技术的研究意义、现状， 以及微机电系统的检测方法及其发展状况，然后介绍了论文的主要工作和任务。 1 1 微机电系统发展概述 1 9 5 9 年，美国物理学家，诺贝尔奖获得者rf e y m n a n 首先提出了微型机械的 设想。1 9 8 7 年，美国加州大学伯克利分校利用牺牲层腐蚀工艺和静电驱动原理在硅 衬底上制作出转子直径为6pm - - 一1 2l jm 的微型静电电动机，显示了用硅微机械 加工的方法可以制作三维可动的机电系统。 到2 0 世纪9 0 年代，以美国a n a l o gd e v i c e si n c 为代表，用硅平面工艺生产的 带有信号处理电路的微加速度计问世，它实现了微机械结构与电路的一体化集成。 新世纪以来，随着工艺技术的不断发展，研制成功的全光开关及相关器件逐渐 成为光纤通讯的补充，另外一些面向射频无源元件、在硅片上制作的音频、生物和 神经元探针，以及所谓的“片上实验室”生化药品开发系统和微型药品输送系统的 静态和移动器件也不断崭露头角，成为m e m s 增长的一个强劲领域。 m e m s ，即微机电系统，作为一种结合机械和电子的半导体技术，最初大量用 于汽车安全气囊，而后以m e m s 传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域，并随 着其技术的进一步发展，以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点，最终在消费电 子、医疗、军事等领域也留下了大量的身影。图1 描述并预测了2 0 0 4 2 0 0 8m e m s 的细分市场规模和份额。 第一章绪论 圈1 12 0 0 扣2 0 0 8 年m e m s 细分市场规模 12 微机电系统检测技术的研究意义及现状 121 研究意义 测试技术在m e m s 研发与产业化过程中具有重要的现实意义。目前m e m s 的 测试手段主要是借助于传统的测试工具以及扫描电子显微镜和原子力显微镜等昂贵 的微观测试设备，但以上设备并不是针对m e m s 测试的专用设备，无法实现m e m s 器件动态特性的洌0 试，同时这些设备价格昂贵、湖4 试速度慢、测量范围小、对测试 环境要求苛刻报难对m e m s 的器件设计过程与加工制造过程提供全面的反馈数 据因此严重制约着目前m e m s 的研发与产业化进程。 m e m s 的测试技术可分为m e m s 共性特性测试技术和m e m s 器件特性测试技 术等两大方面。m e m s 共性特性测试技术主要包括微小几何尺q 及三维形貌的测 量、微米尺度下二维运动的测量与重构、材料属性及力学参数的测量和可靠性测试 测量等方面：m e m s 器件特性测试技术根据惯性m e m s 、光m e m s 、射频m e m s 和生物m e m s 等不同类别器件的具体要求，需要采用不同的测试方法和设备。 在m e m s 共性特性测试技术方面，m e m s 动态删试技术具有更加重要的研究意 义。首先，m e m s 的动态特性决定了许多m e m s 器件的基本性能：其次，材料属 性和机械力学参数以及m e m s 器件的可靠性等关键问题均可通过m e m s 动态测试 技术加以解决；同时通过动态测试技术还可以研究一系列相关的基础理论问题- 如微尺度下空气流动粘滞阻尼效应对微结构活动构件运动性能的影响机制等。因此， m e m s 动态铡试技术近年来得到了国内外许多著名m e m s 研究机构的高度重视。 第一章绪论 1 2 2 国内外研究现状 由于微机电系统器件体积小、易损坏、结构十分纤巧，轻微的测量力都可能导 致被测结构严重变形甚至损坏，而且它的运动幅度小、运动速度快，因此研究人员 们不约而同地几乎全部采用了光学非接触测量的方法，并且多数利用了激光干涉测 量、c c d 测量等现代高精度的测量方法。其中，以2 0 世纪9 0 年代末期，美国加 州大学伯克利分校、麻省理工学院和美国国防部高级科研项目处等的研究的影响较 大。在他们开发的测试系统中，主要应用了计算机视觉检测方法、激光干涉测量方 法和激光多普勒法向频移测量等基本原理，同时，频闪照明和相移干涉理论对测量 精度的提高也起了重要作用。 我国对于m e m s 的研究开始于2 世纪9 年代初，只经历了短短的1 来年的 发展历程，因此，国内在m e m s 检测方面也比较落后。但在国家科技部、国防科工 委、国家自然科学基金委等部委的支持下，一些科研机构已经逐步开始了这方面的 尝试。上海光学精密机械研究所的瞿荣辉等人提出了一种基于光纤m i c h e l s o n 干涉 仪的测量方法，可测量硅基静电微机械振动器件的运动状态【s 一。长春光机所的张二 星等人研制了m e m s 构件的运动参数测试仪，通过光学放大系统，把m e m s 器件 成像在光电接收器上，能够测量瞬态平面直线运动和曲线运动，可实时给出速度、 加速度【1 0 】。清华大学王佳等人用激光光纤测振仪对微结构的振动特性进行了测量 【1 1 】。东南大学何小元等人提出了基于高速摄像技术、显微技术和数字图像相关技术 的测试方案，对双线性振动陀螺进行力学特性分析【1 2 l3 1 。华中科技大学微系统研究 中心采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术，研制了m e m s 三维静动态 测试系统，可进行m e m s 面内刚体运动、表面形貌、垂向变形和离面运动的测量【i 训。 目前，在关于微机电系统检测的技术文献中，研究最多的是微型尺寸材料性能 的研究和测试，应力、应变的测试和位置的测量。而其它方面的测试涉及很少，这 说明微机电系统检测技术的研究还处于起步发展阶段，当前比较成熟的是静态参数 的测量，在运动参数和动态测量方面的研究还很少。因此，本课题研究了基于差动 激光多普勒的微机电系统运动检测方法，并为解决微型器件其它方面的测试问题提 供参考。 1 3 微机电系统的检测方法 随着微机电系统技术的发展，微机电系统器件的种类越来越多，结构越来越复 杂，实现的功能也越来越完备，对微机电系统器件的结构、材料和运动等性能进行 第一章绪论 检测日益成为亟待解决的问题。近几十年以来，国际上关于微机电系统的检测技术 的研究日益增多，很多方法都在m e m s 动态测试中得到了广泛的研究和应用。 1 3 1 基于频闪成像、计算机视觉和干涉测量的动态测试技术 这是一门基于频闪成像、计算机视觉和干涉测量的综合技术，在目前的m e m s 动态测试中得到了广泛的应用。对于m e m s 器件的平面内微运动，由于器件的运动 速度比较快，一般采用频闪成像的方法，利用普通的c c d 摄像机捕捉m e m s 器件 每一个运动瞬间的准静态位置，然后采用计算机视觉中基于图像序列的运动估计算 法测量平面微运动；对于m e m s 器件的离面微运动，则一般采用显微干涉技术或电 子散斑干涉技术。基于这几种技术的动态测试方法的限制主要是只能实现周期微运 动的测量。各研究单位之间的区别主要在于光学系统配置以及数据处理算法上的不 同，其中比较有代表性的研究工作主要有以下几项： a 干涉计算机微视觉系统 由美国m i t 微力学实验室的d m f r e e m a n 教授领导的研究小组建立。 实现了三维运动的纳米级精度测量。之后又采用了相移干涉技术，使离面测量 的分辨率得到了改进【1 5 】。 b频闪干涉测量系统 由美国加州大学伯克利分校传感器和执行器研究中心的c h r i s t i a nr e m b e 等 人开发研究，该系统通过移相干涉测量法计算m e m s 的离面运动【1 6 1 7 1 。 由于频闪干涉系统只能测量m e m s 的离面运动，研究人员对系统进行了改 进，将计算机微视觉技术融入频闪干涉测量方法中，构成了频闪显微干涉系统， 使得系统能够同时测量器件结构的面上及其离面的变形和运动【1 8 1 9 一0 1 。 c三维振动模态系统 由法国u n i v e r s i t yp a r i sx i 的研究人员建立，能够检测微机电系统器件三维 振动模态【2 ，该系统能够检测的振动频率最高达到8 0 0 k h z ，离面振动幅度的测 量分辨率为, - - - 5 n m 。 d ) 电子散斑干涉测量系统 电子散斑干涉技术结合了计算机图像处理技术、激光技术以及全息干涉技 术，可以用来检测面内和离面位移【2 2 捌。德国c h e m n i t z 技术大学的研究人员， 采用电子散斑干涉技术，并通过相移技术提取干涉图像的相位信息来获得 m e m s 器件的动态参数。此外，基于时间平均的电子散斑干涉技术和深紫外电 子散斑干涉技术的检测技术研究工作也在德国开展f 2 5 2 6 】。 4 第一章绪论 1 3 2 基于激光多普勒原理的检测方法 相对基于频闪成像、计算机视觉和干涉测量技术的全视场分析能力，激光多普 勒测振是一种单点振动测量技术，但是可以获得速度、加速度等更多的动态参数， 可以实现瞬态运动测量。将激光多普勒测振技术引入m e m s 动态测试中，需要解决 两个问题，一是缩小激光光束的光斑直径，二是通过扫描技术实现全视场的振动测 量。尽管可以通过扫描技术获得全场的振动信息，但是却牺牲了激光多普勒测振的 实时性以及扫描点之间的相位信息。详细信息本文将在第二章进行论述。 1 3 3 其它检测方法 a高速摄像测量系统 由德国u n i v e r s i t yo fu l m 的研究人员建立，使用高速c c d 摄像机 i m a c o n 4 6 对微机电系统器件的面内快速运动进行测量，每秒钟可以采集亿帧 图像，对空间位置的分辨力为4 0 0 n m 3 i 。 b反馈注入干涉测量系统 由意大利u n i v e r s i t yo fp a v i 的s d o n a t 等人系统地开展研究【3 3 】，采用该技 术建立了测量微陀螺动态特性的实验装置，这套装置可检测出m e m s 器件的振 动幅度、谐振频率、q 值等动态参数，该装置对微机电系统振动幅度分辨力可 以达到0 岬0 p m 。 1 5 论文的主要工作和任务 本论文的研究目的是开展利用差动激光多普勒技术测量微机电系统运动参数测 量的研究。论文将在前期的探索上，对原测量系统的光路结构、特别是信号处理模 块和硬件设计进行改进和优化。 论文的主要任务有： ( ) 改进原激光多普勒实验测试系统，主要是研究激光光束会聚方法，获得 微米级测量光斑； ( ) 结合软件的方法研究改进多普勒数字信号的解调方法、理论； ( ) 设计基于d s 的多普勒信号采集功能的硬件电路结构，降低系统的成本， 并为系统的集成化、便携式完成先期探索； ( ) 检测若干实例，对谐振器表面进行多点的阵列测量，完成对微机电器件 振型的分析，并讨论微机电系统器件检测的一般规律。 第二章m e m s 运动检测原理及实验系统 第二章m e m s 运动检测原理及实验系统 2 1 系统的测量原理 本实验系统采用的m e m s 运动检测技术是基于激光多普勒效应，即依靠运 动物体散射光与入射光之间光波的频差( 或称频移) 来获得运动速度信息。 2 1 1 激光测速光路的基本模式 激光测速按其光学布置的模式可分为两类：直接检测和外差检测。 一般的，可见光波的频率通常在11 4 h z 左右，而有实用意义的多普勒频移最 高频率也不过18 19 i - i 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，而光学外差检测技术则有效的回避了这一 矛盾，成为一种更通用的激光多普勒检测技术。 所谓外差检测技术，就是当来自同一个相干光源的两束光波按照一定的条件 投射到光检测器表面时，通过光电转换的平方率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。本论文采用的就是外差检测技术中的一种 基于双光束的差动多普勒检测技术。 2 1 2 激光差动多普勒测量光路原理 激光差动多普勒测量方法是把两束强度相近的测量光束聚焦到被测表面上， 收集两束不同角度测量光束产生的散射光，这两束散射光混频形成的差拍信号的 频率等于两束测量光的多普勒频移的差值。与外差检测的另一种光路模式参 考光模式相比，差动系统输出信号的信噪比更高，抗干扰的能力也更强。 参考文献 3 0 的3 章节详细论述了激光差动多普勒测量光路的原理，并在 此基础上提出了一种可行的实验光学测量系统，并取得了一定的成果，本文在此 不再赘述。但是，该光学系统还存在一定的问题，如：会聚透镜的焦距太长， 使收集的散射测量信号更加微弱：光路聚焦的测量光斑较大( 实验中测量光 斑直径约为o 9 n u n l m m ) ，覆盖了整个器件，使测量光斑内包含较大的速度梯 度，不利于研究和分析微小器件的动态特征。采用侧向照明尽管能分辨出活 动梳齿的振动，但由于其本身的像差较大，因此在c c d 上的成像质量较差，而 且其图像放大倍数偏低，不利于观察活动梳齿局部振动情况和测量光斑的定位。 因此，在此基础上，本文采用了一种改进的激光差动多普勒测量光学系统。 * 一$ m e m $ * * 月女豪 22 改进的差动多普勒测量实验系统 l 曳进后的光路如期2 所示，与文献 3 0 巾的原测量光学系统相比，进行了 如下改进：由十经声光调制器后的级和级衍射光发散角鞍大不利于减 小聚焦光斑，凼此将级和级衍射光分别采用准直透镜组进钉准直，调整阿束 咒的发散角；将短焦距、微球差的非球面透镜作为会聚透镜，替代原光路的 大焦距平凸透镜，不仅减小了像蔗对聚焦光斑的影响，改善了c c dh 的成像质 量，同时使收集到的散射光光强也明显 到增强：透镜h 、分光棱镜b n 透镜k 和卤素灯形成柯拉照明消除原侧向照明中器件面光照度不均匀及亮度 不够的缺点：同时在由透镜h ，分光棱镜b l 、透镜l 2 组成的c c d 监视光路中， 透镜l 2 采h1 0 日镜代替原双胶合透镜，进步提高监测光路的成像质量。 恻2 - l 改进后的差动多昔勒测量实验原理罔 m 一平喇镜，b i 、b 2 、b 1 一分光桂镜l j 非球面透镜，k 、l ，一双胶合透镜l 2 和c c d 脚2 - 2 改进后的实验测帚光路系统 卤幕灯2 - - c c d ，3 - - 激光器，4 一测量光路，5 - - m e m s 驱动系统6 一信弓发乍器 7 光电接收器，8 一数据采集峨视器，9 一微动装置，1 0 - - 图像监视器 改进后的实验测量光路系统如图2 所d i 系统改善了c c d 监测系统的成 # $ m e m si 动性测睬日& 实系统 像质量，能清晰地看见m e m s 器件的细节结构，如图2 所示。同时，由于采 用了非球面透镜，来加强对测量光束的聚焦，冈此大大缩小了测量光斑的体积， 得到了直径不大r2 帅的光斑，如图2 所示从而减小了测量光斑内包含的 速度梯度，提高了系统的测量精度，有利于微小器件动态特征的研究和分析。改 进后的实验测量光路系统还可咀，j 便地调整器件的位置以及州察器件的振动。 图2 - 3 改进后监测到的幽像圈2 4 实验获得的聚焦光斑与桅齿结构对比 在如图2 - 所示的差动多普勒测量鲧理图中，由光电接收器输出的信号是一 个频率调制信号丘t 载波的频率是声光调制器的光学调制频率正= 4 舾k t 它 与活动梳齿的运动速度具千r 确定的函数关系3 0 1 ： 厶= 正+ s m 妙) ( 2 - d 其中，角度口为级光和级光的会聚夹角活动梳齿的运动速度为y ，五为 激光的波长。 光电接收器的输出与信号处理电路相连，在处理电路将4 0 m h z 载波信号去 除后，可以提取出的多普勒频移为： 可= m 妙) ( 2 _ 2 ) 多普勒频移信号经数据采集卡采集进入训算机由计算机完成进一步的处 理得到被测物的运动速度： 。：笪。!(2-3) 23 信号处理电路 在基于多普勒的m e m s 运动测量系统巾光电接收器的输出信号的形式可 表示为： u ，= a c o s 硝上+ h 钟( 2 4 ) 第二章m e m s 运动检测原理及实验系统 其中，常数a 、矽分别为输出信号的幅值和相位；其它参数同上节。 实验系统的信号处理电路主要采用了相敏检波原理分离载波信号和多普勒 频移信号。相敏检波的基本原理是把被测信号与单位幅度的载波信号相乘，再用 低通滤波器滤除高频分量，就可以得到代表被测量值的信号。相敏检波电路具有 良好的选频与鉴相功能，而且能较好的抑制干扰和噪声。 实验中，从声光调制器的电源中引出信号，用作参考信号，设该信号的幅度 为彳l ，相位为西，则参考信号可写作： w t = a ic o s 石，t + 览( 2 - 5 ) 其中，f 。= 4 0 m h z 。在相敏检波器中，把式( 2 4 中的被测信号ut 与参考信号， 相乘，得n - l tx wt = a 彳lc 。s 【用驴+ 九+ d d lc o s 万正+ 今厅+ 矽+ 织】 式中前后两项的频率相差f i = 8 0 m h z ，用低通滤波器滤除后面的高频项， 以分离出前面的多普勒频移项。 ( 2 6 就可 用v t 表示多普勒频移信号，设a m = a a i ，伊= 倦，则经过低通滤波后， 电路的最终输出可以表示为： vt = a 。c o s 瑚+ 伊 ( 2 7 ) 得到的vt 仍然是一个频率变化的信号，但它的频率已经落在采集卡( 或采 集电路) 的工作带宽之内，可以通过计算机做进一步处理。 2 4 本章小结 本章主要介绍了激光多普勒的测量原理以及基于多普勒的微机电器件运动 检测系统的总体结构，从测量光路、测量光斑、c c d 监视系统等方面对前期搭建 的差动多普勒测量系统进行了改进。 第三章多普勒信号的处理 第三章多普勒信号的软件处理 3 1 多普勒信号概述 激光光束是以高斯光强分布在空间传播的，图3 表示两束偏振方向相同、等 功率的高斯激光束相交时在相交区内形成的光强分布。它也在一定程度上代表了粒 子通过测量体时得到的信号波形【3 9 】。 图3 - 1 控制体中的光强分布 当一个粒子以一定速度穿过测量体时，光电接收器中产生的光电流t 可以用下 面的方程表示： t=de x p - j 2 ，+ o e x p t l 粤 2 c o s 【矾t - t o ) ( 3 一1 ) 式中：f = ，f o 是粒子穿过测量体的有限渡越时间：m 是测量体中的条纹数；t o 是粒子到达时刻；而是反映粒子速度的多普勒频率，其时域的信号电流波形如图3 - 所示。方程( 3 1 和图3 均表示了检测信号电流是由两个部分叠加而成的，一部分 是最大幅度为d 的呈高斯分布的基底信号，它是由入射光束的高斯光强变化所造成 的；另一部分是由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。 图3 - 2 多普勒波群的电流波形 第三章多普勒信号的处理 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， 但是都包含着这两个组成部分。信号幅值。和d 均与入射光的光强成正比，而两者 的比值。d 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 光的光强比有关。它们决定了检测信号的信噪比特征。 在实际运用中，由于本课题是来测量如硅微谐振器、微型马达等固体表面的运 动，在理想情况下，固体的表面散射是均匀的、持续的，其总的散射光的强度没有 变化，因此实验中获得的测量信号应是连续的等幅调频信号，如图3 所示。 图3 - 3固体表面散射的理想的多普勒信号 3 2 多普勒信号处理方法的比较 本课题激光多普勒系统常采用后向式结构来接收散射光，光电接收器接收到的 多普勒信号为调频信号，它除了具有宽频带分布的噪声以外，信号平均频率变化范 围较宽，中心频率从几十赫兹到几百千赫，如此宽的信号频带为噪声的滤除及其它 处理带来极大的困难。到目前为止，针对不同的信号特点，形成了多种多普勒信号 处理方法。 表3 ，列出了现有的几种常用的信号处理器的一些主要性能【3 9 1 。 表3 1 几种信号处理器的比较 方法 频谱分析仪 频率跟踪器 计数型处理器 滤波器组 光子相关器 数字相关器 数字f f t 可否得到瞬 时频率信息 否 可 可 可 否 可 可 可否接收 间断信号 可 差 可 可 可 可 可 从噪声中提 取信号能量 好( 费时) 好 差 很好 很好 很好 很好 典型精度 l o 5 0 5 5 2 优于0 5 优于0 5 可测最高 频率m h z 1 0 0 0 5 0 2 0 0 l o 5 0 1 0 0 1 5 0 第三章多普勒信号的处理 3 3 多普勒信号的时频分析 3 3 1 时频分析概述 在传统的信号分析与处理方法中，基于傅立叶变换( f t ) 的信号频域表示及其 能量频域分布占据了重要的位置，它从另一个角度揭示了信号的特征，即频域特征。 但是，f t 是一种整体变换，即对信号的表征要么完全在时域，要么完全在频域，作 为频域表示的频谱或功率谱并不能告诉我们其中的某种频率分量出现在什么时候以 及它的变化情况。而在许多实际应用场合，信号是非平稳的，其统计量( 如相关函 数、功率谱等) 是时变函数。只了解信号在时域或频域的全局特性是远远不够的， 我们最希望得到的乃是信号频谱随时间变化的情况，为此需要使用时间和频率的联 合函数来表示信号，这种表示称为信号的时频表示，时频分析由此发展而来。 时频分析的思想创始于1 9 4 年d g a b o r 提出的g a b o r 变换，之后有多种形式的 时频分析被提出并应用，如短时f o u r i e r 变换、小波变换、w i g n e r - v i l l e 分布和 c h o i w i l l i a m 分布等等。许多著名的学者，如时频分析研究的先驱v i l l e ，推导出 w i g n e r 在1 9 3 年研究量子统计力学时所得的一种分布，形成w i g n e r - v i l l e 分布， 这个分布在时频分析的研究过程中起到了非常重要的作用。如今时频分析已经得到 了许多很有价值的成果，这些成果已在工程、物理、天文学、化学、地球物理学、 生物学、医学和数学等领域得到了广泛应用【4 1 1 。 3 3 2 时频分析的功能特点 时频分布的主要功能就是描述信号的频谱含量是怎样随时间变化的，研究并了 解时变频谱在数学和物理上的概念和含义。时频分析的最终目的是要建立一种分布， 以便能够在时间和频率上同时表示信号的能量或者强度，得到这种分布后，我们就 可以对各种信号进行分析处理，提取信号中所包含的特征信息。 在时频分析中，窗函数常常起着关键的作用。所加的窗函数能否正确地反映信 号的时频特性( 即窗函数是否具有高的时间分辨率和频率分辨率) ，与待分析信号 的乎稳特性有关。根据不确定原理或测不准原理，时宽和带宽不可能同时达到任意 小。所以，既有任意小时宽，又有任意小带宽的窗函数是不存在的。 图3 4 为由两个线性调频信号( 相对频率变化分别为：0 。0 5 0 1 和0 3 0 4 ) 所 叠加成的信号x ( n 的时频表示，其时域波形如图3 - 4 ( ) 所示，横轴 为对应连续 时间变量f 的离散变量。该信号的能量频谱密度如图3 - 4 ( b ) 所示，从该图可见傅 立叶分析所得的频谱有很强的频率定位能力，但并不能判断频率何时出现或信号局 部变化的时间位置，即没有频率或信号局部变化的时间定位能力，而这一点正是非 第三章多普勒信号的处理 甲稳信号需要关心的。图3 4 ( ) 为时频分析后得到的一维时频图，从该罔可清楚 看出信号x ( n 的时间和频率的对应关系图中水平方向的一代表时间垂直方向， 代表频率，信号强度用颜色表示。 幽3 4 信号的频域表不和时频表示 在现有的对多普勒信号的处理方法中，很少有能够蒯时在时间域上反映信号频 率变化的且又有良好精度的处理方法，大部分的处理方法往往强具备其中的一点， 尤其是在那些信号质量不好的情况下。而时频分析方法则不然，它兼有二者的优点， 能够较为准确的反映多普勒信号的频率罪随时间的变化，从而得到频率中所包含的 各种信息。 奉论文就是摹于时频分析特点的考虑，尝试用来对多普勒信号的解调。 3 33 时频分析函数的选择 时频表4 分为线性时频裘示和非线性时颠表示。典型的线性时频表示有短时傅 立叶变换( 简称s t f t ) 、小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n 简称w t ) 和g a b o r 艉开等。非线性时频表示主要足各种一次型表示，如魏格纳一维尔分撕( 简称 w v d ) ，r i h a c z c 和m a r g e n a u 分布等。 短时傅立叶变换( s t r r ，s h o r t t i m ef o u r i e r t r a n s f o r m ) 是研究非平稳信号时使 用蛀广泛的种时频分析方法，其基本思想就是：假定非平稳信号在分析窗函数的 第三章多普勒信号的处理 一个很短的时间间隔内是平稳的，用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以便确定那 个时间间隔内存在的频率，然后沿时间轴移动窗函数，计算出各个不同时刻的功率 谱。这些频谱的总体就表示了频谱在时间上是如何变化的，基于短时傅立叶变换的 谱图就能将信号的时间频率特性反映在时频平面上。小波变换的基函数具有可变的 时频网格，在时域和频域都具有较好的局部性，是一种多分辨率的时频分析方法， 但用不同的小波函数，信号分解不具有唯一性。g a b o r 变换是最早提出的一种时频 表示，可看作是短时傅立叶变换在时域和频域进行取样的结果。由于短时傅立叶变 换和g a b o r 变换受不确定性原理的限制，其窗函数的宽度固定，不可能同时得到好 的时间和频率分辨率。同时，短时傅立叶变换，g a b o r 变换及小波分析都是线性时 频表示，它们不能描述信号的瞬时功率谱密度【4 2 1 。 w i g n e r - - v i l l e 分布具有很好的时频聚集性，事实上，由于其时间一带宽乘积已 达到不确定原理给出的下界，它是具有最好时频聚集性的时频分布【4 3 】。 本论文在实际应用时，也综合比较了这几种方法的处理效果，发现处理出来的 结果与理论上讨论的分析函数各自特点是基本相符的，其中w v d 处理出来的结果 相比之下是最为理想的。 由于参考文献 6 8 中冷长林博士已经非常详细的论述了魏格纳一维尔分布的基 本原理及其各步变换的过程，因此本章在此不再一一叙述其具体的内容。 3 4 多普勒信号的降噪 在信号处理领域，用小波方法降噪已得到了越来越广泛的应用。小波降噪的方 法有多种：1 9 8 年，m a l l a t 提出了多分辨分析的概念，使小波具有带通滤波的特性， 因此可以利用小波分解与重构的方法滤波降噪【4 9 1 ；1 9 9 年，m a l l a t 及其同事又提出 了奇异性检测的理论，从而可利用小波变换模极大值的方法去噪【5 们。此后，d o n o h o 提出了非线性小波变换阈值法去噪，用该方法去噪得到了非常广泛的应用 5 1 s 2 ；1 9 9 年，c o l f m a n 和d o n o h o 在阈值法的基础上提出了平移不变量小波降噪法，它是对阈 值法的一种改进【5 3 1 。此外，文献 5 4 提出了原子分解的基追踪降噪法；文献 5 5 提出 了多小波( m u l t i w a v e l e t 的概念，近两年来应用多小波降噪也日益成熟。 3 4 1 小波降噪的优势及其实现步骤 一般的，对于非平稳信号消噪，小波分析与传统的傅立叶分析相比更具有优势。 在实际的工程应用中，所分析的信号可能包含许多突变部分，并且噪声也不是平稳 的白噪声，对这种信号进行分析，首先需要作信号的预处理，将信号的噪声部分去 第三章多普勒信号的处理 除，提取有用信号。咐这种信弓的消噪，用传统的博立叶变换分析显得无能为力。 因为傅立叶分析是将信号完全在频率域中进行分析，它不能给出信号在某个时间点 上的变化情况使得信号在时问轴上的任何一个突变都会影响信号的整个谱图， i 叵丑窿 f 自目镕 ”* 日 d 0 4 睾0 6 占节r 一占静f 百f 百百_ 4 目目( f ( t ) 罔3 - 5 傅立叶分析法消噪法与小波消噪 去的比较 而小波分析由于能同时在时频域中对信号进行分析( 并且在频率域内分辨率高时， 时间域内分辨率则低，在频率域内分辨率低时，时间域内分辨率4 高即有自动变 焦的功能) ，所以它能有效地区分信号中的突变部分和噪声，从而实现信号的消噪。 如图3 一，将一个信号加入白噪声，然后用傅立叶分析方法和小波分析方法同时 对加入臼噪声的信号进行消噪处理。通过图( e 和囝( f 比较，可咀看出小波分析比传 统的博立叶分析更加优越。 由于本实验系统在测量过程巾，噪声来源有很多如由外界振源引起的振动、 各种声音以及实验室内的各种杂敷光都会带米的有害信号以及光学系统、光电转 换和信号处理电路都小可避免地会带进些噪声。因此，奉文采用小波分析来对多普 勒信号进行消噪具有定的优势。 一般的，在处理过程中对测量信号进行小波降噪可通过队下三个步骤来实现： ( 1 1 信号的小波分解过程：选择一个小被并确定小波分解的层次然后对测 量信号进行层小波分解计算。 伫) 小波分解高额系数的阀值量化：对分解得到的各层高频系数选择一个阍值， ：q 目￥ ， 蚕壅震 第三章多普勒信号的处理 并对细节系数作用阀值处理。 ( 3 ) 小波的重构：根据小波分解的第层的低频系数和经过量化处理后的各层 高频系数，进行信号的小波重构。 在这三个步骤之中，最为关键的就是如何选取阈值和如何进行阈值的量化，从 某种程度上说，它直接关系到信号消噪质量。常用的阈值处理方法主要有两种：硬 阈值法和软阈值法。小波降噪的硬阈值处理能够更多地保留原始信号中的突变成份， 但其没有考虑大于阀值的小波系数中的噪声成分，而软阀值处理方法弥补了它在这 方面的不足，其在降噪后能产生一种更为平滑的结果。 3 5 多普勒信号的软件处理程序设计 由第二章式( 2 4 ) 可知，光电接收器的信号在经过处理电路后输出的多普勒信号 形式为： vt = a 。c o s 码厅缈 该信号的频率与被测物的运动速度成正比。实验中，该信号通过高速数据采集卡被 采集进入计算机，然后借助l a b v i e w 和m a t l a 软件平台，对采集的数据进行数据处 理，计算出信号的频率，提取其中的速度信息。 本测量系统，使用的是a d l i n k 公司生产的数据采集卡d a q 2 0 1 ，它是一款多 功能的四通道高速数据采集卡，在进行模拟信号采集和a d 数据转换时，它的最高 采样速率达到2 m h z ，同时a d 转换的精度可以达到l 1 4 。 l a b v i e w 是美国n i 公司推出的一种非常优秀的面向对象的图形化仪器编程软 件，l a b v i e w 的程序开发过程简捷、效率高，用其构成的虚拟仪器完全类似于人们比 较熟悉的硬件面板，很容易为用户理解和接受，并且开发的系统可脱离开发平台独立 运行；但l a b v i e w 提供的信号分析功能有些不足和局限性。m a t l a b 虽然具有强大的 信号分析与处理能力，但它不能方便地实现与信号采集设备的数据通讯，且较难设计 出良好的人机交互界面。因此如能将二者结合起来，则可以互相弥补不足，开发出更 为实用的信号采集与分析系统。 本系统就是结合了两款软件各自的优势，开发出了一种在信号处理方面具有一 定运用范围信号处理程序。 软件处理的具体过程如下： a 将l a b v i e w 数据文件格式转化为m a t l a 数据文件格式，采用m a t l a bs c r i p 节点技术。l a b v i e w 环境下，调用m a t l a bs c r i 节点的的程序模块如图3 所示。 f i l e s a v e 为存盘路径，它通过参数r o a ，将存盘路径传递给s c r i p t 节点；当l a b v i e w 第一章多