【正文】 論基礎。第三章，比較了五種信號處理方法的性能，然后著重介紹了數(shù)字FFT信號處理方法，這是系統(tǒng)具體設計時采用的方法；接下來為了濾除信號中帶有的的低頻信號介紹了濾波處理方法，為第四章的系統(tǒng)設計打下理論基礎。第四章，介紹了整體的完整的激光多普勒測速系統(tǒng)的設計，主要包括：光路結構設計單元和信號處理單元。然后分別具體介紹了各部件的性能。從而構成了一個比較高效的測速系統(tǒng)。 第五章，總結和展望部分，對該激光多普勒測速系統(tǒng)進行了總結，概述了本系統(tǒng)的性能和工作特點，并展望了其發(fā)展前景。2 激光多普勒測速系統(tǒng)原理 激光多普勒效應測速原理多普勒效應是激光多普勒測速方法實現(xiàn)的理論基石。奧地利科學家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運動時，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。多普勒效應指出，波在波源移向觀察者時頻率變高，而在波源遠離觀察者時頻率變低。當觀察者移動當觀察者移動時，也能得到同樣的結論。假設原有波源的波長為，波速為c，觀察者移動速度為v：當觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為，如果觀察者遠離波源，則觀察到的波源頻率為。 激光照射在運動物體上，在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象。從運動物體散射圓來的光波相對于入射光波頻率會發(fā)生一定的頻率偏移，這種頻率變化即為多普勒頻移。在激光多普勒測速儀中，依靠運動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(運動的)微粒到(靜止的)的光檢測器這三者之間的傳播關系。只要物體會散射光線，就可以利用多普勒效應來測量其速度。1964年Ych和Cummins首次觀察到了水流中粒子的散射光頻移，證實了可利用多普勒頻移技術來確定流體速度。 測速原理及其示意圖利用激光多普勒效應測量流速度，比如流速，應在流體中加入隨流體一起運動的微粒（示蹤粒子）。由于微粒對于入射光的散射作用，當它接收到頻率為f 的入射光照射之后，也會以同樣的頻率向四周散射。這樣隨流體一起運動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，運動粒子P以速度U 通過測量區(qū)域時，粒子相對于入射光來說是運動的，即光源靜止，接收器運動；而相對于光電探測器來說，運動粒子的散射光相對于探測器是運動的，即光源運動，接收器靜止。下面就這兩種情況的多普勒效應來討論激光多普勒流速儀( laser Doppler anemometry,LDA)的原理，并計出所求速度 。 圖 21 測量原理示意圖 Fig. 21 Schematic diagra of velocity principle　 光學系統(tǒng)外差檢測基本模式在激光多普勒測速系統(tǒng)中，得到多普勒頻率的方法有兩種：一種是直接檢測散射光頻率，再與已知的光源頻率相差，稱為直接檢測，但可見光波在1014Hz左右，常用的光電器件不能響應光波的頻率，所以用直接檢測方法測多普勒頻率很困難；另一種是外差檢測方法，當來自同一個相干光源的兩束光波按一定的條件投射到光檢測器表面時，通過光電轉換的平方率效應能得到它們之間的頻率差值，這個差值就是多普勒頻移。有實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為遠遠超過光電器件的響應范圍而不會進入收集系統(tǒng)。利用激光多普勒效應測量運動散射目標的速度得到的是強度變化的光信號，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，通常采用光電器件將光信號轉換成電信號。實現(xiàn)這種轉換的裝置通常被稱為光檢測器和量子檢測器。任何現(xiàn)有的檢測器無論其最后的功能是什么，其最初工序總是實現(xiàn)光電轉換，即光子使電子改變能態(tài)，其結果使光信號的光子流導致電子流。表明可以利用下列之一的光電機理實現(xiàn)光電轉換：1． 光電效應2． 光發(fā)射相應3． 光導效應 為了將光信息轉換為電信號，在激光多普勒測速技術中使用的大多數(shù)檢測采用光發(fā)射。通過二次電子發(fā)射的得到的內部放大可免除噪聲放大，因此，可使信號增強而不會降低信噪比。由于多普勒信號比較弱，測速儀中使用的光電檢測測器一般為光電倍增管或雪崩二級管。要獲得運動微粒的散射光頻移，必須通過光檢測器的平方律效應來實現(xiàn)，這就是所謂的外差檢測。 在激光多普勒測速系統(tǒng)中有三種常見的外差檢測基本模式，即參考光模式(基準光束型)、單光束雙散射模式和雙光束雙散射模式(差動型或條紋型)，它們可由不同的光學元件和光路結構來實現(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，成為參考光束；另一束光照射到流體中的微粒上，以產生散射光。接收透鏡組將參考光束和散射光束準直、會聚于小孔光闌上，然后照到光電接收器上進行拍頻，以得到拍頻電信號。在參考光模式中，總是希望參考光束和被散射的信號光束具有相同的量級。只有這樣，才能得到比較高的信噪比和良好的多普勒信號。為此，入射參考光束的強度應遠低于產生信號光的光束，這就意味著在進行分束時，應分出一弱一強兩束光。該模式的優(yōu)點是：光路上的信號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行拍頻時必須準直好，只有這樣，才得到高的拍頻頻率，即強的信號輸出。兩束光重合、平行，而且波前具有相同的曲率，換句話說，當它們全部重合時，就達到了這一要求?？梢韵胂?，做到這一點是比較困難的。此外，在參考光模式中，是在一個小立體角內收散射光的。多普勒信號與接收方向有關，所以散射光的這一立體角會引起多普勒頻率的頻譜加寬，這樣，會影響多普勒頻率的測量精度。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，經由小孔光闌，由光電接收器獲取多普勒信號。這種模式具有不少優(yōu)點，首先，由于其被探測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，所以在設計光路時，可以盡可能加大接收孔徑，于是就可得到較強的散射光。這一點恰巧是參考光束方式的缺點。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整也比參考光光路容易，因為檢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，進入光電接收器的散射光來自兩束光具有同樣強度光束的交點，它對所有尺寸的散射微粒幾乎都發(fā)生高效率的拍頻作用，從而進入測控區(qū)中的每一微粒都產生多普勒信號。但在參考光模式光路中，只有當經過信號光束交點處的微粒產生的散射光強與參考光束強度相接近時，才產生較高頻的拍頻，得到較好的多普勒信號。實際上，由于散射微粒有大有小，其形狀也各種各樣，所以散射光的強度變化是很大的。這樣就使得參考光模式的有效信號減少，信噪比降低。雙光束模式入射光系統(tǒng)可以集成化光學單元，大大提高了光學系統(tǒng)的穩(wěn)固性和易調準性。因此，雙光束雙散射模式是目前激光測速中應用最廣泛的光路形式。 多普勒信號十分復雜，在討論其算法及其信號處理之前，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”來進行理論解釋。雖然對于多普勒信號某些特性(如信噪比、可見度等)的分析并不完全符合實際，但是它的概念簡單明了，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在差動多普勒系統(tǒng)中，兩束激光在光腰區(qū)相交形成測量區(qū)域，通過光學知識可知，測量區(qū)域的形狀為一個橢球，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） 當示蹤粒子以速度歷通過測量區(qū)域時，粒子將穿過這些平行的干涉條紋，在亮條紋區(qū)時，粒子散射的光多，在暗條紋區(qū)時，粒子散射的光少。因此，如果用一個光探測器來接收這些散射光，所接收到的光強將按粒子穿過這些條紋的速度波動，也就是以粒子切割條紋的頻率對光信號進行了調制，此頻率為： （32） 這個頻率即為差動多普勒頻率。 由于用于多普勒測速的大多數(shù)激光器是非常近似地工作在橫向磁場模式的理想激光器，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，且其強度符合高斯分布。光的這種分布可以用光束中心的最大強度和光束半徑。從光束中心到光強為點的距離。 由于多普勒信號是由粒子切割條紋，并散射條紋的光而產生的，因此信號的強度也將發(fā)生變化，即信號光強在受到頻率調制的同時還受到了幅度調制。那么綜合來看，單個粒子穿越測量區(qū)域所產生的信號其幅度包絡對應于測量區(qū)域光強的高斯分布，而光強變化的頻率則對應于粒子切割條紋的頻率。 多普勒信號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)域內形成的光強分布在空間傳播的。假設系統(tǒng)測量體內的高斯激光束于涉條紋數(shù)為，在時刻有一個粒子以速度U穿過測量體時，產生多普勒頻移信號，其表達式為： （33） 式中，是粒子穿過測量體的有限渡越時間；是測量體中的條紋數(shù)；是粒子到達時刻；是反映粒子速度的多普勒頻率。 然而在實際情況中，不會總是單個粒子穿越測量區(qū)域，會有部分粒子穿過光束，產生一個散射光信號，這個散射光信號稱為基座信號。由于入射激光束光截面強度為高斯分布，所以信號基座幅度也按高斯分布，且是個低頻信號。基座信號與差動多普勒信號同時存在，并疊加在多普勒信號上為光檢測器共同接收。實際上光檢測器所得的信號表達式為： （34） 上式表示檢測信號電流由兩個部分疊加而成，一部分是成高斯分布的基底信號，它有入射光束的高斯光強變化造成，另一部分是包絡為高斯分布的余弦信號，它是兩束散射光相干涉的結果。對式（34）作傅里葉變換，可