【正文】 3 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。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?nèi)恐睾蠒r，就達到了這一要求。下面我們主要介紹參考光模式和雙光束模式。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。 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）。當觀察者移動當觀察者移動時，也能得到同樣的結論。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。國外雖然有成形的產(chǎn)品，但是對于固體激光多普勒信號的產(chǎn)生機理尚沒有完善的理論闡述。由于LDV系統(tǒng)復雜、技術含量高，涉及光、機、電、計算機軟件和流體力學，我國長期依賴進口來滿足科研和教學需要，花費了大量外匯。2． 多普勒信號以光速傳播，響應速度極快，只要配以快速光電接收器及信號處理器，是進行實時測量的理想方法。隨著電路器水平的不斷進步，F(xiàn)FT運算速度的提高[7]，使頻域內(nèi)的信號處理方法用于準實時測量或趨向實時測量計劃。它將散射光的多普勒頻移信息轉變?yōu)楣鈴娦畔?，從而可以用傳統(tǒng)的圖像處理方法來得到一個平面場中微粒的三維速度信息。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。而后，又發(fā)展了雙自混頻技術，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。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，但為推廣應用創(chuàng)造了條件。 和 [3]，激光多普勒測速技術獲得飛速的發(fā)展。激光測速技術發(fā)展至今已有40年歷史。各種外差檢測模式都在被采用和實驗當中，頻移技術雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但由于器件的效率不高和增加了光學系統(tǒng)的復雜性，難以得到推廣。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，它們同集成式光學系統(tǒng)一起成為研究復雜流體的有用工具。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用于各種有特殊要求的場合。Ross采用參考光和差動光路相結合的辦法提出了一種LDY三維測量的新方法，在保持結構緊湊、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。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，當速度較高時可達到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲。 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。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。這些應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。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。奧地利科學家Christian Dopper于1842年首先提出了這一理論。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。 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。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。為此，入射參考光束的強度應遠低于產(chǎn)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。 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。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。光的這種分布可以用光束中心的最大強度和光束半徑?；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。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。為衡量測量體中粒子數(shù)的多少，引入“波群密度’’的概念。這種信號的重要特點是光子速率相當?shù)?，以致脈沖是一個一個的，堆積(重疊)不起來。這里接收器的速度用向量來表示。這個頻差，就是通常所說的拍頻， 在散射光中就測得了?！　　　　　? 圖26　交疊半角的確定 The determine of the overlap angle 本章小結本章主要介紹了激光多普勒效應的基本原理，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)設計打下了理論基礎。 由上表對以上各種LDV性能進行了總結，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。 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用中。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。這里的所有乘加運算都是以復數(shù)運算計算的。一方面，F(xiàn)FT需要對原始自然序列進行碼倒序排列；另一方面，由于是復數(shù)，蝶形運算是復數(shù)運算，需要多次查表相乘運算才能實現(xiàn)。有限脈沖濾波器僅取決于過去的輸入，而與過去的輸出無關。窗函數(shù)的作用是從理想低通脈沖響應的無限個采樣點中選取有限個采樣點，這個重要的步驟使脈沖響應采樣值可實現(xiàn)為一個實際濾波器。在這兩者是系統(tǒng)設計中信號處理過程的重要部分。波群檢測器是信號處理器的關鍵部分，它的任務是判斷有無波群信號出現(xiàn)，并估計信號頻率，通知采樣控制器選擇最佳的采樣頻率。且差拍信號的振幅與參加差拍的兩束光的振幅乘積成正比，故提高光信號的強度，有利于提高信噪比并可簡化信號處理。4．1．3光收集系統(tǒng) 光收集系統(tǒng)由三部分組成：透鏡、光電探測器、放大電路。激發(fā)產(chǎn)生的二次電子與空穴在電場下得到加速也可以碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對。用軟件啟動AD采樣，并將采樣值放在一個數(shù)組中，直到采集到1024個數(shù)，停止采樣，然后對采樣信號進行高通濾波處理，最后進行FFT交換，處理結果用液晶顯示出來，然后再啟動采用，如此反復進行。 大量的片內(nèi)存儲器使得信號處理算法能夠在片內(nèi)存儲器上高速運行。5． 16通道，多路選擇輸入。12． EVA和EVB觸發(fā)器在雙序列發(fā)生器模式下，可以獨立運行。本系統(tǒng)AD采樣頻率為1666KHZ。5. 計算幅度的平方。再根據(jù)多普勒速度公式： （410） 多普勒頻率計算出，是系統(tǒng)參數(shù)，已知，故可計算出運動的速度。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。先進的數(shù)字化視頻處理，技術分布式掃描，模塊化設計，恒流靜態(tài)驅動，亮度自動調節(jié)，超高亮純色象素，影像畫面清晰、沒有抖動和重影現(xiàn)象。激光多普勒測速技術自60年代末出現(xiàn)以來，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的檢測手段。例如：本系統(tǒng)的顯示模塊只能顯示所要求得的運動速度，不能顯示測量過程中的一些數(shù)字，例如FFT處理的結果；由于現(xiàn)在的測量只能夠測量出運動速度，而不能判斷物體的運動方向，下一步可以考慮采用聲光調制技術，做出可以分別運動方向的測速儀。主要包括激光多普勒測速的原理，激光多普勒信號的特性及其處理方法，最后詳細介紹了具體系統(tǒng)的完整設計。該系統(tǒng)主要包括兩部分：光路結構設計單元和數(shù)字信號處理單元。 將數(shù)字信號處理器處理信號的結果用LED顯示器顯示出來，方便觀看和調試。 顯示模塊本激光多普勒系統(tǒng)采用LED數(shù)碼顯示器顯示。其中src是指向輸入序列數(shù)組的指針，dst是存儲位反轉后序列數(shù)組的指針，必須分配1024個存儲單元空間，size的大小為512。實數(shù)FFT要求1026個存儲單元來計算1024點FFT，和用復數(shù)FFT計算1024點，需要2048個存儲單元比較而言，效率高很多。 由于多普勒信號是一路，故選通16路中的其中一路。每個轉換可編程對1 6個輸入通道的中的任何一個進行選擇。F2812外圍資源豐富，有多達1MB的存儲器，可編程等待狀態(tài)數(shù)，可編程讀／寫選通計數(shù)器，三個獨立的片選端；內(nèi)置雙采樣和保持的12位精度模數(shù)轉換器(ADC)，80ns流水線轉換時間；支持動態(tài)的改變鎖相環(huán)的頻率，具有片內(nèi)振蕩器和看門狗定時器模塊；128位的密鑰，保護Flash／OTP和L0／L1 SRAM，防止ROM的程序被盜；外部中斷擴展(PIE)模塊，可支持96個外部中斷，當前使用了45個外部中斷；低功耗模式和節(jié)能模式，支持空閑模式、等待模式、掛起模式，停止單個外圍模塊的時鐘；兩個事件管理器(每個事件管理器都含有兩個可編程定時器)，兩個通信接口模塊(SCIA和SCIB)，串行外設接口模塊(SPI)，緩沖串行口(MCBSP)，CAN控制器模塊等外設。為—般的數(shù)字信號處理運算所專門設計的數(shù)字信號處理器的特點是，它們能夠實時地完成其他處理器所不能完成的任務。APD的信號輸出電流Is=MP，這里(A／W)是雪崩光電二極管的固有率，M是增益