【正文】 ，于所加的反向偏壓、pn節(jié)的材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，是入射光頻率。由于接受的光比較微弱，光電探測器采用雪崩二極管。輸出激光功率不高，相干性及方向性均很強，居各類激光器的首位?？删幊炭刂破髌鸬娇刂艫/D采樣器和波群檢測器的作用。 激光多普勒測速系統(tǒng)框架圖如圖41所示。 激光多普勒測速系統(tǒng)采用的是哈明窗，下面介紹哈明窗：長度為N的哈明窗定義為： (38)其他處為零。根據(jù)激光多普勒測速信號的特點，求得的速度信號只和信號的輸入有關(guān)，而和過去的速度信號無關(guān)。DSP控制器就是針對這些需求而設計，具有這樣的指令和運算能力。因此，這個8點FFT的總計算要求僅為8次復數(shù)乘法和24次復數(shù)加法。此外，需要另外次乘加運算。例如，將一個N點數(shù)據(jù)序列分為兩個點序列，并分別對這兩個序列執(zhí)行DFT，得到的復雜度為，而原來的N點DFT需要次運算。對于不同的信號，一個特定的模擬信號處理系統(tǒng)往往不能都獲得滿意的效果。 激光多普勒信號處理方法 由于多普勒測速儀具有多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進步，信號處理方法也在不斷的改進，有頻譜分析法，頻率跟蹤法，計數(shù)型處理法，濾波器組，光子相關(guān)頻譜法，數(shù)字相關(guān)信號處理，數(shù)字FFT信號處理法。這樣，用電子的方法來精確地探測和測量這個頻率就是可能的了。第二種情況：光源移動，接收器靜止。在高光通量時，光子喪失了它的離散性。反之，“高波群密度表示測量體中出現(xiàn)多于一個粒子的概率很高。尤其是實際的濾波器都具有有限陡度，濾掉較低頻率的多普勒信號的可能性也增加了。對式（34）作傅里葉變換，可以得到檢測信號在頻域的表達式 （35） 由上式可知，它的頻譜由兩部分組成，一部分是低頻的基底信號頻譜，其帶寬按10％最大幅值計算為e／2，另一部分是多普勒信號頻譜，頻帶范圍為到。 由于多普勒信號是由粒子切割條紋，并散射條紋的光而產(chǎn)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(diào)制的同時還受到了幅度調(diào)制。 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。這一點恰巧是參考光束方式的缺點。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。 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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。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。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(shù)來確定流體速度。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。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(chǔ)。對于激光多普勒測速儀，國際上已有產(chǎn)品投放市場，但大多為八十年代末的產(chǎn)品，急需技術(shù)更新。目前已有一維，二維，三維的激光多普勒測速儀。由于激光束可以被會聚成很小的光斑，所以空間分辨率極高，可測很小體積中的速度。目前，國際上的LDV信號處理系統(tǒng)的性能發(fā)展水平比較高，功能強、體積小、重量輕的數(shù)字瞬態(tài)采樣型信號處理系統(tǒng)已取代舊式系統(tǒng)，但其響應速度較慢。20世紀90年代出現(xiàn)的全場多普勒測速(Dopplerglobal velometry，DGV)技術(shù)可以說是LDV用于多點測量的突破性進展。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，人們開始考慮采用數(shù)字信號處理的方法對LDV信號進行分析：首先對光電探測器輸出的多普勒信號進行預處理，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器得到離散的多普勒信號序列，利用DSP對信號序列進行運算處理，提取多普勒信號頻率。八十年代末九十年代初，半導體激光器被用在激光多普勒測速儀上，使得激光多普勒測速儀向小型化發(fā)展，發(fā)展了自混頻效應激光多普勒測速方法[6]。發(fā)表的論文中70%都是應用研究成果，遍及剪切流、內(nèi)流、兩相流、分離流，燃燒、棒束間流動、旋轉(zhuǎn)機械，固體測速和測長等各領(lǐng)域。早在1905年愛因斯坦就證明了在光波中也存在多普勒效應。1842年奧地利科學家Doppler,Christian Johann 首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳播，由于波源，接收器，傳播介質(zhì)或散射體的運動，會使頻率發(fā)生變化，即產(chǎn)生多普勒頻移。從八十年代開始，激光多普勒測速應用得到迅速發(fā)展，有關(guān)流動研究的論文急劇增加，這一時期明顯的標志是1982年首次在里斯本召開的“激光技術(shù)在流體力學中的應用國際討論會”，該國際會議每兩年召開一次。如果說，計算機的發(fā)展給計算流體力學發(fā)展創(chuàng)造了物質(zhì)條件，那么，現(xiàn)代測量技術(shù)的發(fā)展則開創(chuàng)了實驗流體力學的新局面，并為驗證數(shù)值計算結(jié)果的正確性提供了實驗依據(jù)，而激光測速就其發(fā)展速度或是應用范圍都名列前茅。這就有利于激光多普勒測速儀向小型化發(fā)展，使多普勒測速系統(tǒng)能夠走出實驗室，更多的應用于工業(yè)和現(xiàn)場。為了彌補LDV單點測量的不足，出現(xiàn)了多點LDV系統(tǒng)，但由于其光路系統(tǒng)太復雜，推廣受到限制。要從質(zhì)量這么差的高頻信號中盡可能地提取我們所需的信息，同時必須滿足實時性、精度、測速范圍的要求，這對LDV系統(tǒng)的信號處理部分無疑提如了很高的要求。與其它測量手段相比，激光多普勒測速技術(shù)有下列優(yōu)點：1． 它是非接觸測量，只需把激光束會聚到待測目標或流體的指定點上即可，因而不會干擾待測目標的運動狀態(tài)，這在遠距離目標的動態(tài)實時測量中有明顯的優(yōu)勢，還適合在高溫，高腐蝕，高濕度等惡劣環(huán)境下的測量。5． 好的方向靈敏性，可測速度分量，也可進行多維測量。由于像鋼板、鋼坯等表面粗糙度不一，周圍環(huán)境惡劣，這就對用于固體表面速度測量的多普勒測速系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提出了很高的要求。最后介紹了測速原理的具體算法，為設計打下理論基礎(chǔ)。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。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。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)。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。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。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。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。從光束中心到光強為點的距離。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(jié)果。但是，當平均速度趨于零或湍流度增大時，要確定高通濾波器的截止頻率，使其去除基座信號就變得困難了?！暗筒ㄈ好芏取北硎驹跍y量體中出現(xiàn)多于一個粒子的概率很低。這種信號可以用典型的數(shù)字系統(tǒng)，例如光子相關(guān)器來分析光子速率，得到與粒子速度有關(guān)的信息。在接收器處的光頻率是光源處發(fā)射的光頻率 的函數(shù)，函數(shù)關(guān)系由下式給出: （36）式中 c為空氣里的光速。 這個拍頻在這里稱作多普勒頻率，已經(jīng)很低了，并且和激光源具有一樣窄的帶寬。 3 激光多普勒信號處理方法及濾波處理激光多普勒測速具有多年的發(fā)展歷史，隨著科技的進步，信號處理方法也在不斷的改進，有頻譜分析法，頻率跟蹤法，計數(shù)型處理法，數(shù)字相關(guān)信號處理法。同時對于模擬信號處理手段而言，它們在進行復雜信號處理時只有有限的能力，從而造成處理的不靈活性和系統(tǒng)時間的復雜性。FFT的基本思想是：將N點DFT分解為數(shù)目逐步增加的較小DFT，與原始N點DFT相比，降低了計算量，提高了運算速度。 上述推導表明：和的計算需要2次乘加運算。 用代替可以很容易地由圖32導出2點DFT，它只需要一次復數(shù)加法和一次復數(shù)減法。因此，為了實現(xiàn)實時的FFT，需要單片機的指令系統(tǒng)有著豐富的間接尋址方式，并且最好能在一個指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。無限脈沖濾波器產(chǎn)生新的輸出，不但需要過去和現(xiàn)在的輸入，還需要過去的輸出。而窗函數(shù)有很多種：矩形窗，哈明窗，布萊克曼窗，凱塞窗。4 激光多普勒測速系統(tǒng)具體設計 在激光多普勒測速系統(tǒng)的具體設計中，選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，并且選擇使用FFT方法處理多普勒信號，建立完整的多普勒測速系統(tǒng)。實際上是對信號做一次FFT預處理，通?？梢圆捎糜布蓸油瓿桑猿醪酱_定波群頻率和波群長度，從而調(diào)整采樣率和采樣長度，使FFT處理得到最大效率。本實驗光路結(jié)構(gòu)選用線偏振光氦氖激光器作為光源，氦氖激光器具有連續(xù)輸出激光的能力。透鏡采用大孔徑透鏡，以便提高信號的強度。如此繼續(xù)下去，此過程猶如雪崩，故名為APD。圖 42 多普勒信號處理流程圖 Flowchart of Doppler signal processing4．2．1數(shù)字信號處理器所有處理器都具有執(zhí)行數(shù)字信號處理任務的能力，但并非所有的處理器都能夠同樣處理快速、有效地完成這些任務。F2812處理器外接30MH Z晶振，時鐘頻率最大可達150兆，指令周期最短可到6．67 n s。6． 自動序列化，在單一時間段內(nèi)最大能提供16個自動A／D轉(zhuǎn)換。13． 采樣/保持的采集時間窗口可以分別預先設定控制。 由于輸入的信號都是實數(shù)，所以采用實數(shù)FFT變換對信號進行處理。然后對打包封裝好的序列進行碼位反轉(zhuǎn),這一步是通過調(diào)用函數(shù)RFFT 32 brev函數(shù)實現(xiàn)的。％，測量速度范圍為：。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能而圖形點陣射，特別是視域?qū)?、顯示信息量大、長壽命和人機對話良好等優(yōu)點。 本章小結(jié)　　 本章介紹了完整的激光多普勒測速系統(tǒng)的設計。本文詳細論述了一種利用激光多普勒現(xiàn)象進行測速的系統(tǒng)。33