【正文】 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 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)來確定流體速度。 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21可以看出，運(yùn)動(dòng)粒子P以速度U 通過測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子相對(duì)于入射光來說是運(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)器來說，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 21 測(cè)量原理示意圖 Fig. 21 Schematic diagra of velocity principle　 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108109 Hz，其它與光頻相近或更高的頻率信息因?yàn)檫h(yuǎn)遠(yuǎn)超過光電器件的響應(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，必須通過光檢測(cè)器的平方律效應(yīng)來實(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)來實(shí)現(xiàn)。下面我們主要介紹參考光模式和雙光束模式。 圖22 參考光模式電路 Light path of model of reference light 如圖22所示，激光器射出的光束被分成兩束，其中一束通過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，而且波前具有相同的曲率，換句話說，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。 雙光束雙散射模式如圖23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，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23 雙光束雙散射模式光路 Light path of doublebeam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)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。 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。 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24所示，因此可以用“條紋模型”來進(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 24 相干光束條紋模型 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： （31） 當(dāng)示蹤粒子以速度歷通過測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子將穿過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)器來接收這些散射光，所接收到的光強(qiáng)將按粒子穿過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，此頻率為： （32） 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。 多普勒信號(hào)的基本形式激光束是以兩束偏振方向相同，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穿過測(cè)量體時(shí)，產(chǎn)生多普勒頻移信號(hào)，其表達(dá)式為： （33） 式中，是粒子穿過測(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)?；盘?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： （34） 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（34）作傅里葉變換，可