【正文】 態(tài)光子相關(guān)激光多普勒測速儀”Snichinest等人研制了“小型激光二極管多普勒測速儀”；Schnidt . Stork等人發(fā)明了衍射分束器。這種方法與現(xiàn)有的各種的各種模擬信號處理方法相比較具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾性。此外，半導(dǎo)體激光器，光纖激光器和雪崩光電二極管的應(yīng)用以及光纖微刻器件集成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖LDV，該系統(tǒng)采用光纖來傳輸光束，這包括在入射光系統(tǒng)中將激光器光源的光束傳輸?shù)綔y量點，在散射光系統(tǒng)中將接收到的散射光傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器。而后，又發(fā)展了雙自混頻技術(shù)，但精度始終不高，徘徊在1%左右，無法滿足高精度測量的需求。但是，在大多數(shù)場合，它一般不是測量的關(guān)鍵問題。國內(nèi)也出現(xiàn)了一些自行研制的儀器，雖然都處于實驗階段，但為推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。這個時期的光學(xué)裝置都比較簡單，用各種元件拼搭而成，光學(xué)性能和效率不高，使用調(diào)準(zhǔn)也不方便。 和 [3]，激光多普勒測速技術(shù)獲得飛速的發(fā)展。目前，在科研領(lǐng)域，激光多普勒技術(shù)已廣泛的應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、燃燒學(xué)、生物學(xué)、航空、航天、機械和醫(yī)學(xué)，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的速度測量和其他有關(guān)測量也有其成功運用的范例。激光測速技術(shù)發(fā)展至今已有40年歷史。起初的光學(xué)裝置比較簡單，光學(xué)性能和效率不高，調(diào)準(zhǔn)不方便；信號處理方面大多采用頻譜分析儀[4]，這樣就不能得到瞬時速度。各種外差檢測模式都在被采用和實驗當(dāng)中，頻移技術(shù)雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但由于器件的效率不高和增加了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以得到推廣。隨著對湍流動態(tài)流動研究的深入，給多普勒測速技術(shù)提出了新的問題，這就是所謂的多普勒頻率的不確定性問題。在信號處理方面，頻率跟蹤器、計數(shù)式處理器[5]以及光子相關(guān)器件都陸續(xù)成為產(chǎn)品并被投入市場，它們同集成式光學(xué)系統(tǒng)一起成為研究復(fù)雜流體的有用工具。這個時期LDV的另一個重大進展是相位多普勒測速技術(shù)。這樣就可以使入射光單元和接收光單元與相對體積較大的分光裝置或光電轉(zhuǎn)換器分開，將體積盡可能地做得小巧牢固，便于移動測量位置和應(yīng)用于各種有特殊要求的場合。其系統(tǒng)可以在通用計算機上開發(fā)，實現(xiàn)容易，成本低，而且數(shù)字信號處理運算可以方便地根據(jù)實際情況進行修改（通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d即可實現(xiàn)）。Ross采用參考光和差動光路相結(jié)合的辦法提出了一種LDY三維測量的新方法，在保持結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點上，提高了信噪比，空間分辨率和測量精度也達到了工程要求。受頻率分辨率的限制，目前這一技術(shù)比較適用于中高速流暢的測量，但是可以預(yù)期，隨著科技水平的不斷提高，DGV技術(shù)也必將在新世紀(jì)中得到更大的發(fā)展和應(yīng)用。并且多普勒信號的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級以上，當(dāng)速度較高時可達到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲。作為LDV系統(tǒng)的關(guān)鍵部分一信號處理部分，是LDV系統(tǒng)性能指標(biāo)提高和實現(xiàn)系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵技術(shù)，因此對于信號處理部分的研究應(yīng)成為LDV系統(tǒng)研究的重要組成。 本課題的研究意義激光器發(fā)出的激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度等特點，這就為激光多普勒測速提供了非常理想的光源。3． 測量精度高是LDV的最大優(yōu)點，％。目前已可在每秒幾毫米到每秒千米的寬廣速度范圍內(nèi)進行測速。激光多普勒技術(shù)測量粒子的運動速度是十分有意義，它能使這一技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。這些應(yīng)用需要速度測量有很高的精度，而且要求有較大的場深和動態(tài)范圍。國內(nèi)沒有固體表面速度高精度測量儀的生產(chǎn)廠家，現(xiàn)在國內(nèi)使用的激光多普勒測速儀器全都是進口的，因而研制激光多普勒測速儀不僅具有重大意義，其市場前景也非常樂觀。然后介紹了激光多普勒信號的條紋模型及其特性，方便后面對信號的處理。然后分別具體介紹了各部件的性能。奧地利科學(xué)家Christian Dopper于1842年首先提出了這一理論。假設(shè)原有波源的波長為，波速為c，觀察者移動速度為v：當(dāng)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。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(guān)系。由于微粒對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，也會以同樣的頻率向四周散射。 圖 21 測量原理示意圖 Fig. 21 Schematic diagra of velocity principle　 光學(xué)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(yīng)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(dāng)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(zhuǎn)換的平方率效應(yīng)能得到它們之間的頻率差值，這個差值就是多普勒頻移。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的裝置通常被稱為光檢測器和量子檢測器。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。 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。為此，入射參考光束的強度應(yīng)遠低于產(chǎn)生信號光的光束，這就意味著在進行分束時，應(yīng)分出一弱一強兩束光?？梢韵胂?，做到這一點是比較困難的。 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。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(chǎn)生多普勒信號。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。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。光的這種分布可以用光束中心的最大強度和光束半徑。 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(nèi)形成的光強分布在空間傳播的?；盘柵c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。 當(dāng)粒子在不同位置上穿過測量體時，由于光強分布不同，信號波形也不一樣，但是都包含了這兩個部分。在流速變化不太大的情況下，通?？梢杂酶咄V波器濾去基底頻譜，保留所需要的多普勒頻率信號來進行處理。根據(jù)散射體的不同情況，經(jīng)過高通濾波以后的信號可以有以下幾種形式：1． 連續(xù)的等幅波此種形式的信號通常來自均勻散射的運動固體表面；2． 連續(xù)的隨機振幅波當(dāng)流體中粒子濃度較大時，可以得到連續(xù)的多普勒信號波形，但振幅是隨機變化的。為衡量測量體中粒子數(shù)的多少，引入“波群密度’’的概念。由于光電子發(fā)射的離散性，在光檢測器中產(chǎn)生的是離散的光電子流，它產(chǎn)生的速率正比于照射到光檢測器上的光通量。這種信號的重要特點是光子速率相當(dāng)?shù)停灾旅}沖是一個一個的，堆積(重疊)不起來。由于“高光子密度”信號實際上是由重疊的脈沖所組成的，所以在模擬信號中有相當(dāng)大的“噪聲”。這里接收器的速度用向量來表示。 應(yīng)用上面的式(36)和式(37)，就可以得出激光束經(jīng)過運動的粒子散射后由靜止的接收器光電池處的光頻，如圖25所示。這個頻差，就是通常所說的拍頻， 在散射光中就測得了。兩束散射光的頻率由下式給出： （39） （310） （311） 由及關(guān)系式（為激光的波長），多普勒頻率可以用下面的式子表示： = （312） 這里，U是粒子運動速度在垂直于兩束光線交疊區(qū)域的角平分線方向上的分量?！　　　　　? 圖26　交疊半角的確定 The determine of the overlap angle 本章小結(jié)本章主要介紹了激光多普勒效應(yīng)的基本原理，然后介紹了其用于測速測速系統(tǒng)的原理，為了推導(dǎo)后面測速的具體算法，介紹了外差檢測的兩種基本模式——參考光模式和雙光束雙散射模式，以及激光多普勒信號的特性，最后介紹了測速的具體算法，為后面的信號處理和具體系統(tǒng)設(shè)計打下了理論基礎(chǔ)。 幾種處理方法的性能比較 下面是幾種信號處理方法的比較，見表31。 由上表對以上各種LDV性能進行了總結(jié)，可以看出，現(xiàn)有的LDV種類雖多，但沒有哪一種方法能適用于所有的情況。因此，目前LDV系統(tǒng)信號處理的發(fā)展是在頻域內(nèi)進行處理，即把探測到的信號轉(zhuǎn)換成它的頻譜，用FFT計算得到其最大值，并求信號的多普勒頻率。 FFT是一系列用于DFT的快速計算方法，已經(jīng)廣泛用于許多實際應(yīng)用中?？梢砸恢边M行分解過程，直到分為2點DFT為止。序列x(n)的離散傅里葉變換為 k=0,1,...,N1 (31) (32) 將序列x（n）按序列號n的奇偶分成兩組，即 n=0,1,....,N/21 (33)則x(n)的傅里葉變換可寫成: （34） 可得: (35) 式中，它們分別是和的N/2的DFT。一個N點的DFT可以被分解為兩個點的DFT，每個點的DFT又可分為兩個點的DFT。這里的所有乘加運算都是以復(fù)數(shù)運算計算的。由于一般言，可以在M個步驟中對時基2FFT進行分解，由于，所以在每一步驟中，需要與旋轉(zhuǎn)因子進行次復(fù)數(shù)乘法和N次復(fù)數(shù)加法。一方面，F(xiàn)