（动力机械及工程专业论文）dsp在数字频谱分析—频率跟踪型激光测速仪中的应用.pdf

摘要 摘要 流场测量是航空、医学、水利、动力等领域q 1 晋遏关心的问题。为能够准 确测定流场特性，人们不断探索新的测量方法。经过几十年的发展完善、目前激 光多普勒测速技术( l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r y ，或i 1 ) a ) 被普遍采用。与热线 ，风速仪法、水模拟法、高速摄影等方法相比，l d a 兼具非接触性测量、分辨率高、 响应快等优点。由于l d a 多用于环境较为恶劣的场合，l d a 数据率通常较低。 为了提高信噪比，目前国外采用数字频谱分析技术对l d a 信号数据进行处理，国 内主要是利用频率跟踪原理的带宽压缩技术的l 。d a 系统。为了进一步提高【。d a 测速系统的噪声适应能力，充分发挥频谱分析技术和频率跟踪技术各自的特点， 我们已尝试将这两种先进技术相结合起来，构成了数字分析一频谱跟踪型l d a 系统。 目前，已经完成了基于p c 机的数字分析频谱跟踪型l d a 系统的研制，实 验证明这两种技术的结合是可行的。但将其应用于多维测速中，仍存在精度和实 时不够的问题。为了进一步完善数字分析一频谱跟踪型l d a 系统的性能，达到 2 1 世纪对于测试仪器普遍要求的精确化、快速化和微型化，针对目前集成电路 迅猛的发展趋势和d s p 性能价格比的不断提高，我们将d s p 技术引入到该l d a 测速系统的信号处理器中来。本文主要完成以下研究工作：， 1 基于l d a 信号的特点和数字分析一频率跟踪型l d a 系统的要求，分析d s p 各 系列芯片的特性，选用t m s 3 2 0 v c 3 3 作为最佳的频谱分析的核心单元。围绕这一 处理单元，设计了相关的高速多普勒信号采集电路和与p c 机之间的数据传输电 路。实现l d a 信号从高速采集、频谱分析到结果显示的全过程。 2 - 针对d s p 芯片的硬件特点，对原有的相位差频谱校正分析处理程序流程作了 进一步改进，使算法更适于高速高精度的测量分析。在具体软件中，通过对于采 集数据的预处理，实现了对f f t 分析的最佳数据的选择，减少了不必要的频谱校 正算法的执行，从而充分发挥了d s p 的高速数据处理性能。 3 为了验证信号处理器的可行性，进行了示波器模拟实验研究。证实d s p 在 l d a 信号处理器中的应用是完全有效的。 关键词：l d a ，数字分析，t m s 3 2 0 v c 3 3 ，相位差频谱校j _ f _ = ：，频率跟踪 英文摘要 a b s t r a c t f l o wm e a s u r e m e n ti sag e n e r a lp r o b l e mm m a n yf i e l d ss u c ha sa v i a t i o n ，m e d i c a ls c i e n c e ， h y d lo m e c h a n i c ss c i e n c ea n de n 舀n es c i e n c e f o rg e t t i n gm o r ed e t a i l so ff l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c ； t h en e wm e t h o d sa r eb e e np r o b i n gc o n s t a n t l y t h o u g h td e c a d e sd e v e l o p m e n t ，l a s e rd o p p l e r a n e m o m e t r yt e c h n i q u e ( l d a ) h a sb e e na d o p t e dg e n e r a l l yi nm e a s u r e m e n to ff l o wv e l o c i t y ， c o m p a l e dw i t bh g a ，i j i g hs p e e dp h o t o g r a p h y ，i o n i s a t i o np r o b e s ，l d at e c b n i q u eh a ss u c h l i n t o l i c h e dm e a s u r e ，h i g hr e s o l u t i o nr a t i o ，f a s tr e s p o n de t c u n i q u ea d v a n t a g e s b u tl d ai so f t e n u s e di na b o m i n a b l ee n v i r o m n e n t ，l d as i g n a li s p o o r f o ri m p r o v i n gs n r ，i nf o r e i g nc o u n t r y , p e o p l eo f t e na p p l yt h ed i g i t a lf r e q u e n c ym e t h o dt oa n a l y z e 奶el d a s i g n a l w h i l ei no t l i 。c o u n t r y ， f r e q u e n c yt r a c k i n gt e c h n i q u e sh a sb e e nm a i n l yi n t r o d u c e di no r d e rt oe n h a n c el d a s y s t e m a t i c n o i s e a d a p t i v ec a p a c i t y , g i v ef u l lp l a yt od i g i t a la n a l y s i sa n df r e q u e n c yt r a c k i n gt e c h n i q u e ，w e c o m b i n et w ot e c h n i q u e st od e s i g na n e w d i g i t a la n a l y z i n g t r a c k i n gl d as y s t e m 。 n o ww eh a v ef i n i s h e dt h i sl d a s y s t e mo np c ，t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i ss y s t e mi s f e a s i b l e b u tt h i sd e s i g ns t i l lc a nn o ts a r i s f ya c c u r a c ya n dr e a l t i m ei nm u l t i d i m e n s i o n a lm e a s u r e f o rp e r f e c t i n gt h i sl d a s y s t e m st om e e tt h ea c c u r a t e ，f a s ta n dm i c r o m i n i a t u r i z a t i o no ft h et e s t e r g e n e r a lr e q u e s ti n2 1 s tc e n t u r y , a st h eb o o m i n go ft h ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dt h ei m p r o v i n go ft h e r a t i oo f p e r f o r m a n c et op r i c eo fd s p , w ei n t r o d u c e dd s p t e c h n o l o g yi n t ol d as i g n a lp r o c e s s o n t h i st e x tf i n i s h e sf o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k m a i n l y ： f i r s t l y , c o n s i d e rt h el d a s i g n a l 啤a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u e s t so ft h i sl d as y s t e m s ，t h o u g h t c o m p a li n gc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n td s p , w es e l e c t e dt m s 3 2 0 v c 3 3a s s i g n a lp r o c e s s o ra n d d e s i g n e dr e l e v a n th i g ha dc i r c u i ta n dd a t at r a n s m i s s i o nc i r c u i tb e t w e e np ct od s p r e a l i z el d a s i g n a lg a t h e r i n gf r o mh i g hs p e e da d u n i t , a n a l y z i n g 仔e q u e n c yi nd s p a n ds h o w i n gr e s u l tj np c t h l l c o l i f s ei n r e a lt i m e s e c o n d l y , i n o r d e rt o f u l l y u t i l i z e d s p , w eh a v e r e v i s e dt h e o r i g i n a la i g o r i t b l n c o r r e s p o n d i n g l y t om a k e a l g o r i t h m s u i t a b l ef o r a n a l y s e a n d a c c u r a c y i n h i g hs p e e d n l e a s u r e m e n t sa m o n gc o n c r e t es o f t w a r e s ，t h r o u g hp r e t r e a t m e n t so f l d a d a t a ，t or e a l i z eo p t i m u n l d a t u mf f t c o n v e r s i o n ，r e d u c i n gu n n e c e s s a r yf r e q u e n c ys p e c t r u mt h u sg i v ef u l lp l a yt ot h eh i g h s p e e dd a t ap r o c e s s i n gp e r f o r m a n c eo f d s p i no r d e rt o v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o ft h e s i g n a lp r o c e s s o r , w eh a v ee x p e r i m e n to nt h e s i m u l a t i o no fo s c i l l o g r a p h t h er e s u l t sp r o v et h a t d s p a p p l i c a t i o ni nl d as i g n a lp r o c e s s o r i s e f f e c t u a 】 k e y w o r d s ：l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t r y ( l d a ) d i g i t a la n a l y z i n g f r e q u e n c yt r a c k i n g 丁m $ 3 2 0 v c 3 3 p h a s ed i f f e r e n c ec o r r e c t i o nm e t h o d 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t 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，也不包含为获得盘盗盘鲎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。 学位硷文作者签名 7 乃瑰 签字日期：o ：一v 年。月) t = 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂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 同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 名茏 签字i = t 期t p2 ，弘年乡月2 臼 导师签名 廊代杉， 签字日期：j 。年，月? 已日 第一章绪论 第一章绪论 【内容提要】本章首先阐述了内燃机缸内气体流动研究的重要意义和目的， 艿对流场的各种测试方法加以简要的介绍，指出l d a 技术在内燃机缸内气体流场 做定景测量中的重要地位。通过对l d a 技术的原理、特点的描述，及目前的发展 趋势和已有成果，本文提出了一种新的l d a 信号处理系统的设计方案，它将进 步提高分析速度、简化分析仪器。本章最后还将介绍本课题在实现d s p 在数字频 谱分析一频率跟踪型激光测速仪中的应用方面所起到的作用及所做工作。 1 1 内燃机缸内流动研究的蠢义和目的 随着以内燃机为主的机动车辆目益增多，能源短缺及城市大气污染问题变得 尤为严重。如何改善内燃机热效率以达到降低耗油量、改善排放性能便成为当前 正在研究中的内燃机，特别是车用发动机必须考虑的问题。改善燃烧性能无疑成 为提高内燃机性能的最根本的解决方法。这就需要我们深入研究内燃机缸内气体 流动、喷油、油气混合、点火及火焰传播等过程。其中，缸内气体流动的研究便 成为一个必不可少的环节。燃烧速率、分层、油气混合、污染物的形成以及发动 机的稀限无不受到发动机缸内气体流动的影响。 柴油机燃烧过程表明，燃油和空气之间的良好物理混合将可以使j e 常情况下 的燃烧特续时间和生成碳烟的反应时间缩短，实现低油耗和低烟度。因此，合理 控制柴油机涡流室内空气运动达到油一气的最佳混合便成为柴油发动机开发的关 键所在。日野的微混合燃烧系统( h m m s ) f 1 就是通过有凸起的新型进气道提高进 气湍流强度的。而以泼金斯【2 】和五十铃【3 为代表的四角形燃烧系统，则是由燃烧 室凹坑产生空气紊流，使气体涡流进一步强化，连同挤流效应一起，保证油一气 有效混台，提高了扩散燃烧速度f 4 j 。 对汽油机而言，提高压燃比和燃烧稀薄混合气则是减少燃油量与降低污染的 两个主要途径。但是根据爆震产生的机理( 即火焰到达前混合气开始自燃) 可知， 随着脏燃比的增大，混合气会更容易达到自燃点，此外，燃烧稀薄混合气也将会 使燃烧持续时间加长，燃烧速度降低，甚至出现丢火。因此寻找提高压缩比和燃 第一章绪论 烧稀薄混合气而又避免产生爆震和降低燃烧速度的途径及其影响因素成为改善 汽油机性能的关键所在。众多实验和理论研究表明，汽油机缸内气体的总体运动 及相关湍流，尤其是在压缩、点火、火焰传播期间的湍流影响着汽油机的火焰传 播速度，燃烧速度、循环间变动和燃烧稀限。增加缸内的湍流强度可以加快火焰 传播速度从而加快燃烧速率，使混合气还没来得及自燃时，火焰就已经到达，从 而减少爆震现象。此外，汽油机燃烧过程可由空气卷吸过程和旋涡燃烧过程( e d d y | 1 ) u ”i n gp r o c e s s ) 来描述，空气卷吸过程中，火核以紊流强度所决定的速度来传 播，而旋涡燃烧过程中，燃烧速度又以紊流尺度来表达。加强空气卷吸，需要提 商紊流强度；而增加旋涡燃烧速度，则需要减小紊流尺寸口 。由此可以看出汽油 机缸内湍流结构和湍流尺度也同样影响着整个燃烧过程。因而对于缸内总体环 流、湍流和边界层的定量分析将对着火、燃烧、火焰传播、油气混合、滞燃期、 排放物生成、传热以及对汽油机的爆震和循环变动等起到重要的指导作用。尤其 是现今汽车发动机转速日益增高，缸内工质流动对混合气着火和火焰传播的作用 更为突出。 目前，在内燃机领域中使用最多的流动测试技术有高速摄影( h i g hs p e e d p h o t o g r a p h y ) 、水模拟法【6 、离子探针( i o n is a t i o np r o b e s 即i p ) 、热线风速 仪( i l o tw i r ea n e m o m e t r y 即h w a ) 和激光测量法主要包括：激光多普勒测速技 术( l s s e rd o p p l e rv e l o cj m e t r y ) 、相位多普勒粒子分析仪( p h a s ed o p p l e r p a r t ic ea n a l y s e r ) 、粒子图像测速技术( p a r t i o l ei m a g ev e l o e i m e t r y ) 及激 光分子测速技术( l a s e rm o le c u l ev e o c i m e t r y ) ，f f n l d v 、p d p a 、p i v 和l m v ”。 高速摄影是通过在燃烧室两侧上安装观察窗口，在一侧适当照明的情况下， 从另一侧用高速摄影机对短时间内的缸内气流运动状态进行摄影，根据后期处理 的照片对空气运动规律进行研究。该技术的主要缺点是精确度难以保证，无法获 得相关的脉动信息，而且观测过程不是实时的。 水模拟法是用水作为介质模拟进气系统在进气过程中的流动情况。水的密度 比空气大，容易找到合适的、跟随性好的示踪粒子；水流的速度较低，测试较简 单；粒子消耗少，费用低。 离子探针法是一种间接的测量法，对火焰内的电离气体不能运用，同时也无 法得到脉动的参数。 第一章绪论 热线风速仪是根据热平衡原理，使探针上被加热的敏感元件一金属膜的电压 与介质的流速建立一对应关系，实现流速的测量。此技术具有很高的频晌和信 噪比、能产生连续的测量信号，可以进行循环变动及湍流尺度的测量。该技术主 要缺点是：1 ) 调节参数较多，互相影响，需要多级次调节。2 ) 由于探针的性能、 姒速讣仪器的差异和环境条件如流动介质温度和压力等的影响，每次测量前系统 必须进行标定。3 ) 对气流方向不敏感，即使使用三线热线探针进行测量也不易分 清t t 流在三个方向的分速，所以仍无法确定测量结果的真实性。4 ) 系统要求被测 流体的相对湍流强度小于2 0 ，当超过3 0 后将严重影响狈十量精度。5 ) 受工作温度 的限制，装：看：不适于燃烧场合，热线风速仪只能用于倒拖，不能用于工作中的发 动机的缸内流场测量。6 ) 探针对气流有干扰作用并且容易折断，校正困难。由此 可见，它在内燃机缸内流动测量中仍受到较多的限制。 而新兴的激光非接触测量技术在发动机缸内流体流动、燃油喷雾和燃烧研究 方而显示出了以上技术无法比拟的优点，如可以测量高温流体、空间分辨率较高、 定量测量精度高、测量范围广、动态响应快、可进行实时测量、具有良好的方向 灵敏度、并且可以进行多维测量； 表l l ：各主要激光测试技术的比较 8 测量方式空问分动态响应速度测精度方向性分量流体特降 辨率量范围分辨能力的适应力 j | 接触单极高，理论 ：频较好，线性度司利用一、 一 l点测量，通目前最率响应裎好，与流体性具有较好的二、三维系 d常刁i 存在高司达商，实硒、上很广质( 温度、密方向灵敏度统同时测很宽 v对流场的1 04 3仅为3 0 k h 2度、牲度、压量3 个方向 干扰问题力) 无关。的分速度。 非接触单与l b v与l i ) v 基本根宽，与l d v 相同，速度测量 p点测量，能基本一相刚，动态口j 达可达02 。粒与l d v , f f d同时测量范围剐达 一2 1 2 、 子测量精度与l d v 相同- l d v , t t 同i 剐粒子 p粒子的速1 ：5 05 6 0 i m s可达05 测量难度 a度与赢符较大。 j ；接触多较高，主要取决与自相关处理 p点测量，能目前可00 1 “距离的测量法可采用旋目前己经与l 口v 基 i州时测几作到较差6 0 0 m s精度，通常约转镜或双折实现二维奉相同 v万颤的瞬1 0 - z i l t l l 2为1 ( 个别达 别法来辨别速度场的 时速度，适到0 2 )方向；互相关测量 合瞬时流处理司直接 场测量_ 确定方向 第一章绪论 从表1 1 可以看出激光多普勒( l d a ) 技术比其他激光测速技术具有更高的 性能指标，因而被广泛应用于缸内流场测量阶，成为当前测量流体速度和湍 流强度精度最高的技术，在所有测速技术中占据着统治地位。 1 2l d a 技术的原理及特点 众所周知，当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到 的光频率相对于初始频率是变化的。当光源固定，光波从运动的物体散射或反射 并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，且频率变化的大小正比于散射 物体的速度，这就光学多普勒效应，其频率的变化称多普勒频移，以 表示。l d a 技术正是从这一理论出发。其中散射光频率为： 工= 二一 c o s 伍，一v ) 一c o s ( 世。一v ) ( 卜1 ) 由公式( 1 1 ) 可知，当确定入射光方向k ，接收光方向k 。及物体运动方向。， 则可由散射光频率工变化得出物体的运动速度。由于光频太高，迄今为止还 没有任何光电探测器能直接测得光频的变化，因此采用间接方法一光混频技术 ( 光学上称干涉技术) 来进行测量，即将两束频率不同酮光混合以获取差频信号 的光学零差或外差技术。 激光多普勒测速系统( l a s e rd o p p l e r a n e m o m e t r y ) 与传统测速计如毕托管、 热线风速仪相比有以下优点： 1 非接触测量 激光会聚点就是测量探头，因而测量过程对流场无干扰，对于回旋流场尤为 适合。同样也能很方便地用于恶劣环境如火焰、燃烧室中的测量。 2 空间分辨率极高 目前测点可小于l o i i l m 3 ，随着所用激光波长的减小，及光路和聚焦元件性能 的改进，还可以进一步缩小。现在已可测到直径1 0 um 中小部位流速。高空 间分辨率对于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量非常适合。 3 动态响应快 速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时 4 第一章绪论 测量，是研究涡流，测量瞬时脉动速度的最好方法。 4 测量精度高 该技术的测量公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其它特征( 如 温度、压力、密度及粘度) 无关，在保证制造精度的前提下通过精确光路计 算，可不考虑光路系统误差。由于系统测量精度很高，可以用它来校正低精 度等级的测速系统。但在测量涡流时，实测精度与流动特性、信号质量及信 号处理器性能有关，需要具体分析。 5 测量量程大 t 因为频差与速度成简单的线性关系，故不论低速或高速都不需校正，同时由 于光频极高，疟允许有很大的频移，目前已能测量的速度范围为0 1 m m s 2 0 0 0 m s ，这是普通测速仪不能比拟的。 6 测量速度方向的灵敏性好 因为光束分离器旋转时测点不变，所以能够方便的测量到任意方向的速度分 量，并且可以用作常量二维流动的测量研究。 该技术在本质上是通过检测流体中和流体以同一速度运动的微小颗粒的散 射光来测定流体速度的，因此，该技术也具有一定的局限性： 1 被测流体需要具有一定的透明度，并且管道要有透明窗口。 2 对纯水或空气测速时，必须人工掺入适当的粒子作散射中心。 3 流速很高时需要提高激光输出功率，且信号频率很高时信号处理较困难。 4 使用时需要满足一定的防震要求，同时要保证管道和光学系统无相对运动。 1 3l d a 技术的研究与发展 尽管具有以上局限性，但由于l d a 技术具有很多独特的测量特性，仍成为现 代化生产和科研中必不可少的检测手段。许多测量困难和危险的场合，如发动机 燃烧室、有毒有腐蚀性介质流场、反应堆冷却系统和有爆炸危险的场合都对l d a 技术寄予了很大希望。因此，自从1 9 6 4 年叶( y e h ) 和库明斯( c u m m i u s ) 发表了第一 篇应用激光多普勒技术进行测速的论文之后，l d a 技术便立即得到了各方面的重 视，通过大量的理论分析、试验研究和系统改进工作，取得了显著的效果。测量 第一章绪论 领域也迅速扩大到风洞的速度场、边界层流、二相流、喷气过程和燃烧过程。 l l d a 技术的理论研究 i l d a 技术是以激光散射为基础，利用运动粒子的散射光来获取速度信息的。 所以激光束特性，如光强的高斯分布、粒子对光的散射等都将影响到最后光电转 换的输出特性。理论上一般只对单个或多个粒子的散射光的拍频信号波形作分 析。文献 1 1 中假定激光光强为高斯分布的平面波、粒子散射光的复振幅与照射 光的复振幅成诈比，根据散射粒子的随机分布，得出散射光解析表达式，将光电 倍增管看作平方律检波器，可得其输出电流的解析表达式和功率谱。 l d a 技术本质是通过检测流体中与流体同一速度运动的微小颗粒的速度来获 得被测流体速度的。因此需要研究粒子的跟随性，掌握粒子速度与实际被测速度 问的关系。文献1 1 2 通过求解b b o 方程，得到粒子跟随的精确解，为实验中选择 散射粒子及最终实际流速的确定提供了理论依据。 l d a 技术中要获得精确的运动速度，就需要速度和多普勒频移量有唯一对应 的关系c 但由于实际中的各种影响，多普勒频移具有一定的不确定性，即多普勒 展宽，典型宽度约为频率的l 5 。文献 1 3 对于有限渡越时间、散射角变化、 测量体内速度梯度、光学元件振动这些加宽机理作了详细的分析。文献 1 4 j 还研 究了相干性展宽，该展宽由多个粒子散射光互差拍作用引起，展宽量随接受孔径 而变化。 l d a 技术中信噪比会直接影响分析效果，文献 1 5 指出信噪比随接收面积广 义增加；散射粒子少而大时的信噪比要高于散射粒子多而小时的信噪比；双光束 型系统的信噪比要大于等于参考光束型系统的信噪比。文献 1 6 分析比较了双光 束型、双散射光束型和参考光束型系统的信噪比及频谱加宽的差别。文献 1 7 分析了散射粒子较多、多普勒信号连续时的随机相位涨落和散射粒子稀少、多普 勒信号间断时的速度偏置效应对l d a 技术的影响。 此外，文献 1 8 还分析了两个探测器接受多普勒信号时，两路信号间的相位 差与粒子大小间的关系，具体讲是，其与散射点的曲率半径有关。随后，文献 1 91 将该理论应用于粒子的大小测量中，即p d a ( 相位多普勒法) 。 l d a 技术自1 9 6 4 年诞生以来，经过1 9 7 5 年的“激光多普勒测速仪国际词论会” - 2 0 ，直至发展到今天。理论上已逐步成熟。 第一章绪论 2l d a 光机系统的研究与发展 y e h 和c u m m i n s 2 1 1 ( 1 9 6 4 ) 首- 次实验使用了参考光束型光机系统，该系统是 l d a 早期大量采用的一种方案。此后，f o r e m o m 2 2 k 1 9 6 5 ) ，g o l d s t e i n t 2 3 j ( i9 6 7 ) 对该 系统作了进一步的发展。g o l d s t e i n ( 1 9 6 7 ) 、h a g e n ( 1 9 6 7 ) 在此基础i 二提出了标 准的双光束系统剀。 随后，m a z u m d e r 矛口、v a l l k u n 2 5 1 ( 1 9 7 0 ) 、d u r s t 牙口w h i t e l a w l 2 6 1 ( 1 9 7 1 ) 黜 了双散射光束型光机系统。 d i n - s t 和w h i t e l a w 2 7 ( 1 9 7 1 ) 、r u d d 2 8 1 ( 1 9 7 2 ) 提出了双光束型光机系统。该新 型系统具有易调整、散射光的频率差不随接收器方位改变、信噪比高等优点。 b o m - q u i n 和s h i g e m o t o ”j ( 1 9 6 8 ) 、g r e a t e d f 3 0 ( 1 9 7 1 ) 等人提出了后向散射接收 光机系统。由于对于相同散射粒子，后向散射光强比前向散射光强低两个数量级， 所以多数情况下仍采用前向散射接收。后向散射接收只针对一些特殊情况( 如大 气风速测量) 使用。 为了获得复杂流场下速度正反。m a z u m d e r 引1 ( 1 9 7 0 ) 采用布拉格盒、 s t e v 矗s o n 吲( 1 9 7 0 ) 、m a z u m d e r 3 1 1 ( 1 9 7 0 ) 采用旋转光栅、h a r v e y ”1 ( 1 9 7 4 ) 采, n 电光 相位调制器充当光学频移装置分别制作出固定光学频移式可辨别速度方向的 l d a 系统。 为了获得多速度分量，出现众多二维和三维测量的光机系统方案。其中最普 遍的是以双色氩离子激光器为光源的二维系统。通过两种不同波长( 4 8 8 0 n m 和5 1 4 5 r m a ) 的光束，经色分离在测量体积内形成两组相互垂直、颜色不同的干 涉条纹。以单色激光器( 主要是h e n e 激光器) 为光源利用偏振分离构成的二 维l d a 系统 3 5 ，3 6 】也有一定的应用。但为了避免分偏振中两分量的“交叉干扰， ”j ，需要认真调整光路和选取合适的散射粒子。而采用二维布拉格器件( t d b c ) ， 利用声光调制器产生两种不同频移，经选通滤波后可实现二维速度信息的分离， 简化光路结构【3 8 ，此方法同样可构成三维系统 3 9 】。 近年来，随着激光技术、光纤技术、集成光学技术、半导体技术、信号处理 技术的发展及许多微光学元件的商品化( 激光二极管的应用、微小透镜的出现) ， l d a 系统也正走向小型化、数字化、多维化、实用化、商品化。主要有：光导纤 维式l d a 测量仪的研究发展【4 。 ；半导体激光器光源的小型化；集成光学在l d a 第一章绪论 中的应用h2 j ；微机技术在l d a 中的应用。9 0 年代以后，出现了 j e t i n k ，m u l s n i c h i e s 等人研制的m3 】“小型激光二极管多普勒测速仪”， s c h n i d t ，sc 。r k 等人发明的衍射分束器以及r o s s 4 4 采用参考光和差动光路相结 合获得的一种新的l d a 三维测量方法。 3l d a 信号处理系统的研究与发展 由于检测的速度信息包含在多普勒信号中，而激光多普勒信号为不连续的、 交频、变幅的随机信号，且信噪比较低。因此如何从信号中提取出有用的速度信 息成为整个l d a 技术界备受关注的问题。 频率分析法是最早使用的种方法，其通过频谱分析仪对光电探测器输出的 多普勒信号进行扫描分析，得到信号频率丁功率特性曲线。扫描过程由仪器自 动完成，不受输入信号控制，因此不易受噪声影响，可在较低信噪比条件下工作。 但主要缺喜是扫描速度比较慢、破坏了实时信患、且要求高浓度散射粒子。 滤波器组分析法是利用谐振频率逐渐增高的多个串联l c 电路并联组成的。处 理信号同时输入给所有滤波器，将各滤波器的输出进行比较，找到输出最大的滤 波i i i i i 心频率，即信号频率。该方法可以工作在脱落比高达9 9 j ，信噪比较低 的场合。主要缺点是随着工作频率的提高，所需的l c 电路数目很一i r 增加，当工作 频率超过l o m h z t g ，将失去实用性。 频率跟踪法是应用最广泛的一种系统。它能使被测信号在很宽的频带范围内 ( 例如几十k h z 一十几i v l l z ) 都得到均匀的放大，同时实现窄带滤波。从而既充分 地放大了有用信号又有效地抑制了噪声，解决了检测速度大和信号信噪比低间的 矛盾【4 “。它最大的优点是可以得到实时速度信息，且容易实现数字化。但缺点 是要求信号基本连续。且所需信号的信嗓比高于频谱分析法，否则就有可能失去 跟踪或错误的跟踪到噪声。 计数型信号处理法是近年发展较快的系统，它是通过计算已知周波数对应的 时间，测得信号频率的。该系统测量精度高，读数方便，但信噪比要求很高。 频率跟踪型和计数型信号处理具有很强的跟踪速度变化的能力，但是两者都 是将信号通过一带通滤波器，滤去高于和低于门槛电平的信号后，再对有效信号 进行处理的。因此，这两种方法仍无法分析信噪比较差的多普勒信号。 因而如何准确扑捉多普勒信号、提高测试成功率、降低设备要求、改善l d a 第一章绪论 系统的噪声适应能力便成为l d a 技术中急待解决的问题。随着计算机技术的发 展和在l d a 中的应用，时域内的信号处理的可靠性有了很大提高但在信嗓比非 常低时，可靠性仍将大大降低。因此，目前l d a 系统信号处理的发展方向为频域 内处理，将采集的信号转换成相应频谱，用f f t 或自相关函数计算出最大值，再 求信号的多普勒频率。显然，频域内的处理方法可对任何信噪比的信号进行处理， 具有很高的可靠性。相应产生的数字频谱分析方法，使l d a 信号处理能力得到 了明显改善，噪声适应能力进一步提高。 、是否噪声适应能力、处理速度或精度在现有技术上仍具有提高的余地呢? 很 明显可以看出，上述介绍的l d a 系统都是分别对光机部分或信号处理部分进行 改善的，尽管l d a 总体性能得到了改善，但由于两者间不具备反馈调节作用， 整个l d a 设备结构将变的越来越复杂。为此人们先后提出了光电混合反馈型 l d a 系统、计数一跟踪型l d a 信号处理系统，但由于噪声适应能力低的缘故仍 面临急需被改进的处境。 因此如何在现有技术上进一步简化设备、改善l d a 信号处理方法，增强l d a 测试设备的噪声适应能力，仍是一个尚需解决的问题。 1 4 基于d s p 的数字频谱分析一频率跟踪型l d a 信号处理系统 从上节可知，根据多普勒信号特点以及为了适应更严格的内燃机测试要求， 提高l d a 系统的噪声适应能力便成为目前发展l d a 技术的关键所在。当前国 外采用的大多是大功率激光器作为光源和数字相关频谱分析相结合的方法，分别 从信号强度和处理方法两方面改善系统噪声适应能力 ，国内主要采取的是光 电调制反馈的方法 4 7 】，对数字相关频谱分析方法”8 1 也作了研究。由于多普勒信 号属于微弱信号，即便运用了以上各种提高噪声适应能力的方法，研究者仍需花 大量时间于示踪粒子的添加、光学通道的精心布置和如何将l d a 系统的各个部件 调到最佳状态，但还是可能因数据率低而不能得到流动时间细节，甚至最终因得 不到有效数据而使测量失败。所以获取高数据率和提高系统信噪比，仍是困扰 l d a 技术界的一道难题。 根据现有研究结果，我们可以发现数字频谱分析方法使l d a 信号处理器的 9 第一章绪论 噪声适应能力提高了近一。个数量级。而光电调制反馈方法也可通过将l d a 的光 电信号带宽压缩后，用窄带滤波放大器未滤除噪声来提高整体信噪比。目前对这 两种技术( 即窄带化技术和数字频谱分析技术) 相结合的l d a 系统已进行了初 步的尝试口“，证明系统的噪声适应能力确实得到了进一步的提高。随着专门的 数字处理器( d s p ) 的出现，我们认为采用d s p 作为处理内核将有望在上述基础上 进步提高系统的分析速度芳达到l d a 系统的最小化设计，对多维l d a 的应 用和普及将产生更加积极的作用。 1 5本课题的意义及主要内容 实现数字分析一频率跟踪型l d k 系统，关链是采用何种数字分析方法。数字 相关频谱分析技术在国内起步较晚48 1 ，发展仍不成熟。随着超大集成电路和p c 枧的日益发展，目前我们已经完成了基于p c 机的数字分析型l d a 信号处理器研 制，并对一维测速作了大量的试验。结果表明，该系统具有比以往其他系统更高 的噪声适应能力和跟踪能力。但陔系统主要针对于一维测速设计的。如果用于多 维速度测量，要达到同一测量精度，所用时间将成倍增加( 使用一台微机) 或是 系统硬件更加复杂( 使用多台微机) 。因此要将该技术利用到二维、三维测速系 统中，并实现测试系统的高效跟踪和处理能力，及便携化的设计，还需要寻找新 的解决方案。目前数字信号处理的实现方式一般有以下几种： i 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n ，c 语言) 实现； 2 在通用计算机系统中加上专用的加速处理器实现； 3 用通用的单片机( 如m c s 5 1 ，9 6 系列等) 实现，这种方法仅限于一些 不太复杂的数字信号处理，如数字控制等。 4 用通用可编程d s p 芯片实现。与通用单片机相比，d s p 芯片具有更加适 合于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法。 5 用专用d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高， 用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等 算法的d s p 芯片。这种芯片将对应的信号处理算法在芯片内部用硬件实 现。无须编程。 第一童绪论 在上述几种方法中，第一种方法的缺点是速度较慢，一般只用于数字信号处 理( d s p ) 算法的模拟。第二种和第五种方法专用性强，应用受到很大的限制。 第二种方法也不便于系统的独立运行；第三种方法只适于实现简单数字信号处理 算法。考虑到性价比及系统要求，我们认为第四种方法最适合该测速设备的早期 丌发与研制。 d s p 芯片是- - e e 特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，它一般具有 如f 特点： 1 在一个指令周期内完成次乘法和一次加法。 2 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 3 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两片巾同时访问。 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； 5 快速的中断处理和硬件i o 支持； 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： 7 可以并行执行多个操作： 8 支持流水线操作，使取址、译码和执行等操作可以重叠执行。1 由于它具有实日寸快速的实现各种数字信号处理算法的特点，诸如：数字滤波、 自适应滤波、快速傅立叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、和 波形分析等，被广泛的用于通信、雷达、声纳、遥感、生物医学、机器人、控制、 精密机械、语音和图像处理等领域。由此可以看出，将d s p 引入到该l d a 信号 处理系统是完全可行的。本文的研究重点就是如何将数字处理系统( d s p ) 应用 到数字分析频率跟踪型l d a 系统中，实现l d a 信号处理器酶噪声适应能力 的提高，并尝试采用u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线，实现处理系 统与显示设备间高速的实时数据传输。 本课题主要完成以下三方面工作： 1 硬件方面 根掘l d a 信号特点及数字分析一频率跟踪型l d a 信号处理器的要求，完成 新数据采集电路的设计开发，实现多普勒信号离散采样值和包络时刻的记录，采 集结果将送到d s p 内作进一步的运算处理( f f t 变换、相关分析、功率谱分析 等) ，从而获得流场内测速点处的速度变换特性。 一堡：兰堡兰一 一一 一 针对d s p 内存不大、及需要实时监控流场信息和设定采样参数的特点，尝试 设计一通用接口电路。利用u s b 传输方式完成处理设备与显示设备( 主控设备) 问的数据传输，达到显示设备上的( p c 机) 实时监控或与主控设备间( p c 机) 的信息交换。 2 软件方面 利用c c s ( c 。d ec o m p o s e rs t u d i o ) 编写b s p 上的数据分析软件。并尝试利用 v i s u a lc + 60 和t ( e l lc 5 1 编写基于w i n9 8 操作系统的l d a 测速系统的通信 控制和显示程序。数据分析软件主要完成数据采集控制、频谱分析和频率细化的 工作，通信控制程序主要完成数据实时传输控制工作。具体的d s p 数据分析软件 包括以下几个模块： 拳 多普勒信号采集预处理模块 主要完成与信号采集硬件电路的通讯和采样信号的预判断； 掌频谱分析模块 主要完成频谱分析、频率细化等信号分析方法，完成被测流场速度信息的计 ， 算。该部分为分析软件的核心模块； 传输模块 与通信接口联络，将处理结果实时发送给显示设备或主控设备( p c 机) ，完 成实时豁控和控制； 3l d a 系统应用实验 为了验证信号处理器可行性和实用性，进行相关的实验。 第二章数字频谱分析一频率跟踪型l d a 系统的理沦研究 第二章数字频谱分析一频率跟踪型l d a 系统的理论研究 【内容提要】本章主要对频谱分析跟踪型l d a 系统的理论基础进行阐述。首先 概述了微弱信号的检测技术，并根据l d a 信号自身特点，在提高信噪比和频率 分辨率的前提下，提出相应的信号处理理论和概念。最后，本章还将对频谱分析 跟踪型l d a 系统的整个工作机理加以介绍。 2 1 微弱信号的检测技术4 9 ，5 0 ，5 1 在对宏观和微观世界的研究过程中，我们经常需要检测极微弱的信号，但由 于噪声无处不在，因此无论采用何种传感器，在对信号进行转换，或对信号作硬 件预处理时，都将不可避免的带入噪声。例如在光电检测系统中，来自信号光， 背景光光电检测器件及电子电路的噪声。这些噪声根据产生方式，可以分为： 传感器自身噪声( 如热噪声，散粒噪声，和低频噪声) 、检测系统噪声和其它类 型的随机噪声。此外，在被测时间