【正文】 其中，光源采用的是氦氖激光器，光收集系統(tǒng)中的光電探測器采用的是雪崩二極管；數(shù)字信號處理單元包括：數(shù)字信號處理器和具體的信號處理過程（FFT）；而顯示模塊則主要介紹了LED數(shù)碼顯示器的簡單顯示功能。該系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，處理速度快，可實時測量出固體運動的多普勒頻率值和幅度值、速度值。靜態(tài)掃描技術(shù)采用靜態(tài)鎖存掃描方式，大功率驅(qū)動，充分保證發(fā)光亮度。圖44 二極管管腳配置 Configuration of the diode39。然后進于512點的復數(shù)FFT計算，分裂計算是為了從512點的復數(shù)FFT變換結(jié)果中提取出輸入為1024點實數(shù)序列的頻譜點前面的513個值。2. 對1024個采樣值進行加窗運算(可選)。采取軟件啟動／停止AD采樣。9． 多觸發(fā)源啟動序列轉(zhuǎn)換(SOC)包括：軟件直接啟動(S／W)；事件管理器A(EVA內(nèi)有多個事件源)；事件管理器B(E，B內(nèi)有多個事件源)；外部引腳。2． 序列采樣模式或并發(fā)采樣模式。本系統(tǒng)選用Texas Instruments公司專為工業(yè)控制設計的TMS320F2812處理器.圖 43 F2812 芯片 The chip of DSPTMS320F2812(以下簡稱F2812)處理器Texas Instruments公司的32位定點DSP處理器。本系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理器來處理光收集系統(tǒng)所檢測到的信號。一般光電二極管的反偏壓在幾十伏以下，而APD的反偏壓一般在幾百幅量級。本光路結(jié)構(gòu)采用一個分束棱鏡和兩個反射棱鏡實現(xiàn)分光。激光源發(fā)出的激光，經(jīng)偏振元件和分光元件后，分成為兩束偏振方向一樣的等頻率的光，照射到旋轉(zhuǎn)的盤上，然后收集系統(tǒng)收集到含有多普勒頻率信號的光。氦氖激光器作為激光源發(fā)出的激光，經(jīng)過偏振片獲得偏振光，然后通過分束棱鏡和反射棱鏡實現(xiàn)分光，得到兩束方向不同的光，再經(jīng)過反射棱鏡反射，最后兩束光照射到一運動物體的表面，同時匯聚成一點，也就是探測點。 FIR濾波器 激光多普勒測速系統(tǒng)采用哈明窗設計的低通濾波器，最大旁瓣的阻帶增益比通帶增益低55dB。FIR濾波器的設計需要根據(jù)上式中的系數(shù)，以便使用最少的系數(shù)得到所需的濾波器特。因此，以DSP控制器來實現(xiàn)FFT。因此，總的計算要求為次復數(shù)乘法與次復數(shù)加法。以此類推，當N為2的整數(shù)次冪時，由于每分解一次就會降低一階冪次，所以，通過M次分解，最后全部成為一系列2點DFT運算。除了上述的分解過程之外，還可以利用旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對稱性質(zhì)迸一步降低計算量。理論研究和實驗比較均表明，信號處理采用離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform，DFT)處理多普勒信號可有效地從低信噪比的信號中提取頻率。表31列出幾種信號處理方法，并從可否得到瞬時速度、可否接受噪聲信號、從噪聲提取信號能力、精度四個方面進行比較。式（312）表明， 粒子的速度可以通過測量流過測量體積MCV的粒子的多普勒頻率來測得。 （38） 圖25 單個運動粒子的散射光 The scattered light of a moving particle本測量系統(tǒng)中， 采用了雙光束的配置（從一個光源來的兩個相交光束，如圖所示）在這樣的布局下，一束激光束被分成具有相同亮度的兩束光束，然后被聚測量控制體積MCV (measuring controlvolume)內(nèi)，在MCV內(nèi)相交。通過上面的分析發(fā)現(xiàn)多普勒信號是一個相對比較復雜的信號，歸納其特點大致可以分為以下幾點：1． 多普勒信號并不是連續(xù)的信號，其具體波形取決于流速場中散射粒子大小，濃度以及通過測量體的位置；2． 光電探測器接收的是粒子散射光，其強度本身就比較微弱，而且信號受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測器件噪聲影響；3． 多普勒信號的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級上，當流速較高時達到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲(如運用于高速風洞的測量)；4． 多普勒信號的信噪比隨測量對象而變化，速度越高，信噪比越低；5． 多普勒信號的頻譜具有一定的帶寬，稱為頻譜加寬。如果頻帶很寬，光檢測器的輸出呈現(xiàn)為離散的脈沖。測量體中多粒子的存在會引起相位噪聲和振幅的隨機脈動，它不一定能增加信號強度，相反卻可能起振幅抵消作用。信號幅值和，且均與入射光的光強成正比，而兩者的比值則與散射特性、入射光偏振特性、光接收器參數(shù)及其位置以及兩束入射光的光強比等有關(guān)。假設系統(tǒng)測量體內(nèi)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(chǎn)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。 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。但在參考光模式光路中，只有當經(jīng)過信號光束交點處的微粒產(chǎn)生的散射光強與參考光束強度相接近時，才產(chǎn)生較高頻的拍頻，得到較好的多普勒信號。此外，在參考光模式中，是在一個小立體角內(nèi)收散射光的。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。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(zhuǎn)換，即光子使電子改變能態(tài)，其結(jié)果使光信號的光子流導致電子流。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。 激光照射在運動物體上，在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象。從而構(gòu)成了一個比較高效的測速系統(tǒng)。 論文的主要內(nèi)容本文主要介紹了現(xiàn)有激光多普勒測速系統(tǒng)的工作原理以及多普勒測速儀的信號處理方法，最后詳細描述了激光多普勒測速的完整系統(tǒng)設計。例如冶金工業(yè)中鋼板和鋁板壓制和卷筒重的測量和控制，都可以采用多普勒技術(shù)。4． 量程大是其另一大優(yōu)點。由于激光多普勒測速技術(shù)潛在的獨特功能，因而得以吸引各個學科的研究工作者去研究和解決這些問題，對激光測速技術(shù)的光學部分和信號處理部分進行創(chuàng)新性發(fā)展。在采用數(shù)字信號處理技術(shù)的LDV系統(tǒng)中，多普勒信號的處理是至關(guān)重要的。另外，數(shù)字信號處理運算單純地基于加法和乘法。球形粒子對兩束相交光束散射時，在周圍光場形成明暗相間的干涉條紋：當利用兩個探測器接收多普勒信號時，兩路信號之間存在一定相位差，與粒子的大小成正比，具體地說，是與散射點的曲率半徑有關(guān)，隨后，這一發(fā)現(xiàn)被應用于粒子大小的測量中，即相位多普勒法（PDA）。它主要影響到湍流的測量精度。隨著光學系統(tǒng)和信號處理器方面的發(fā)展，首先是集成光學單元的出現(xiàn)，使光路結(jié)構(gòu)大為緊湊，調(diào)準也方便多了，因而有可能發(fā)展更加復雜和高效率的光學系統(tǒng)，光束擴展、空間濾波、偏振分離、光學頻移等現(xiàn)代技術(shù)相繼應用到激光測速儀中，并成為系列化產(chǎn)品不可缺少的一部分。青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文）1 緒論自上世紀60年代末， 激光多普勒測速（ Laser Dopper velocimeter ，LDV）技術(shù)末出現(xiàn)以來，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的檢測手段[1]，伴隨著近現(xiàn)代激光技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是因其所具有的非接觸測量[2]，高分辨率，動態(tài)響應快以及高測量精度等優(yōu)點，使激光多普勒測速系統(tǒng)被應用于科研和工業(yè)領(lǐng)域。其發(fā)展大體可分為三個階段：上世紀七十年代前后，是激光測速發(fā)展的初期?，F(xiàn)在對多普勒頻率加寬的因素已基本清楚，同時提出了一些修正方法。 多普勒測速的發(fā)展趨勢激光多普勒技術(shù)本身還在發(fā)展，如多維系統(tǒng)（主要是三維），光線傳輸技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)和微機數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的出現(xiàn)把LDV 技術(shù)推向更高的水平，使調(diào)整更加簡單、方便。這使得它具有穩(wěn)定的處理性能。這是因為LDV系統(tǒng)中的光電探測器接收的是粒子散射光，其強度本身就比較微弱，而且信號還受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測器件噪聲、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子濃度等因素的影響。LDV系統(tǒng)光路部分中激光器和光探測的技術(shù)都取得了長足的進展，LDV系統(tǒng)的信號處理部分仍是制約該激光多普勒測速技術(shù)小型化，輕質(zhì)化，以及實時性，動態(tài)范圍等技術(shù)參數(shù)改進的瓶頸，這正是我們從事對激光測速技術(shù)的信號處理部分研究的出發(fā)點和最終目標。多普勒頻移量與待測目標的運動速度呈線性關(guān)系，是一個精確的物理公式。用激光測速計測定在軋制生產(chǎn)中高速行進鋼板的移動速度，不僅可以采用不接觸鋼板進行測定的方式，而且鋼板移動速度愈大其測量精度越高。論文的具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排如下：第一章，緒論部分，主要介紹了論文的研究背景和論文的主要內(nèi)容，包括激光多普勒測速系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢，以及激光多普勒測速的優(yōu)點和研究此課題的意義，從而確定了本文的立題依據(jù)。 第五章，總結(jié)和展望部分，對該激光多普勒測速系統(tǒng)進行了總結(jié)，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。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。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。表明可以利用下列之一的光電機理實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為電信號，在激光多普勒測速技術(shù)中使用的大多數(shù)檢測采用光發(fā)射。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。多普勒信號與接收方向有關(guān)，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。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。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(diào)制，此頻率為： （32） 這個頻率即為差動多普勒頻率。 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(chǎn)生一個散射光信號，這個散射光信號稱為基座信號。由此可見，由原入射激光產(chǎn)生的基底信號確實存在于探測信號中，它們