【正文】 產(chǎn)生機(jī)理尚沒有完善的理論闡述。當(dāng)觀察者移動(dòng)當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)，也能得到同樣的結(jié)論。為了處理這類信號，通常采用光電器件將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。兩束光重合、平行，而且波前具有相同的曲率，換句話說，當(dāng)它們?nèi)恐睾蠒r(shí)，就達(dá)到了這一要求。 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(jìn)行理論解釋。由此可見，基底頻譜和多普勒頻譜的帶寬都與多普勒頻率成正比，與測量體中的條文數(shù)成反比。對于一定的信號處理器來說，區(qū)分所能適應(yīng)的“波群密度’’是很重要的，因?yàn)檫@與測量的精度有關(guān)；4． 光強(qiáng)極低的信號當(dāng)粒子的散射光強(qiáng)非常低時(shí)，光檢測器接收到的是單個(gè)光子。這樣，接受到的光頻率由下式給出： （37）在LDA中，激光器是靜止光源， 在微小的流動(dòng)的粒子上散射,然后由光電探測器接收。多普勒電信號的形式和特點(diǎn)受光學(xué)系統(tǒng)，粒子條件和流動(dòng)狀態(tài)影響很大，至今還沒有哪一種信號處理器能滿足所有情況。將這兩個(gè)有個(gè)采樣的序列再分為4個(gè)有個(gè)采樣的子序列，對這4個(gè)更短的序列進(jìn)行獨(dú)立的點(diǎn)DFT，可以進(jìn)一步降低計(jì)算量。與需要64次復(fù)數(shù)乘法和64次復(fù)數(shù)加法的8點(diǎn)DFT相比，這一計(jì)算要求實(shí)質(zhì)性地降低了計(jì)算量。故采用FIR濾波器對采集的信號進(jìn)行高通濾波處理。信號處理器是數(shù)字信號處理器，采用德州儀器TMS320F2812芯片。 ，光點(diǎn)小，光強(qiáng)集中，并具有相干性、單色性好、方向性強(qiáng)和亮度高等優(yōu)點(diǎn)，可滿足測量要求。 下面是系統(tǒng)的探測器輸入輸出特性：1． APD輻射靈敏度：／W(在800納米處，增益為1)2． APD增益：30(初始值為30，實(shí)際可調(diào)范圍為：0200)3． 運(yùn)放增益：V／A4． 頻率帶寬4K到100M，響應(yīng)波長范圍：4001000納米，峰值響應(yīng)為800納米。此外，該處理器有多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的可編程的、多用途通用輸入/輸出(GPIO)引腳，這些在片硬件資源都可由用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行軟件設(shè)置，使得該芯片在應(yīng)用上具有極大的靈活性，特別適合用于實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中。采樣方式為：自動(dòng)轉(zhuǎn)換、級聯(lián)模式、序列采樣和連續(xù)運(yùn)行。加窗運(yùn)算是為了減小頻譜泄漏，要求在進(jìn)行FFT變換之前，對輸入序列值進(jìn)行加窗。LED顯示屏性能超群：發(fā)光亮度強(qiáng) 在可視距離內(nèi)陽光直射屏幕表面時(shí)，顯示內(nèi)容清晰可見。該系統(tǒng)主要包括兩部分：光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元和數(shù)字信號處理單元，還有顯示模塊單元。 5 總結(jié)與展望隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是它具有的非接觸測量，高分辨率，以及高測量精度等優(yōu)點(diǎn)，使其在測量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。4. 分裂計(jì)算。11． 序列發(fā)生器可以運(yùn)行在“啟動(dòng)／停止”模式下，允許多個(gè)“時(shí)間序列”觸發(fā)以使轉(zhuǎn)換同步。F2812片內(nèi)集成了128K字節(jié)Flash存儲器和18K字ARM存儲器。它們與勢壘區(qū)中晶格原子碰撞，可將價(jià)鍵電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子空穴對。由于光線需經(jīng)過分光元件才能到達(dá)被測物，期間有將近30％的光能損失。首先對五種多普勒信號的處理法進(jìn)行了特性分析，然后著重介紹了快速傅里葉變換處理法，后面的設(shè)計(jì)將會用到這種處理方法；因?yàn)樵诘玫降男盘栔杏械皖l成分，為了不影響測量結(jié)果，要將低頻信號過濾掉，因此又介紹了濾波處理法。而數(shù)字濾波器有兩種主要類型：有限脈沖響應(yīng)濾波器或稱FIR濾波器，無限脈沖響應(yīng)濾波器或稱IIR濾波器。圖 32 蝶形計(jì)算流程圖 The flowchart of the butterfly operation 圖32表示了第m級蝶形單元結(jié)構(gòu)，在圖中清楚的顯示了DFT蝶形單元，它包括一次與旋轉(zhuǎn)因子 ，,的復(fù)數(shù)乘法、一次復(fù)數(shù)加法和一次復(fù)數(shù)減法。可以利用現(xiàn)在逐漸成熟的數(shù)字信號處理器件，實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)的小型化，高性能。 這樣在實(shí)際測量中，便可以通過式( 313）確定出交疊半角的值，從而根據(jù)式(312)及測得的頻移得到所需求得的速度。 具體算法第一種情況：光源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)。多普勒信號以單個(gè)“波群”的形式出現(xiàn)。由于入射激光束光截面強(qiáng)度為高斯分布，所以信號基座幅度也按高斯分布，且是個(gè)低頻信號。這樣就使得參考光模式的有效信號減少，信噪比降低。只有這樣，才能得到比較高的信噪比和良好的多普勒信號。下面就這兩種情況的多普勒效應(yīng)來討論激光多普勒流速儀( laser Doppler anemometry,LDA)的原理，并計(jì)出所求速度 。2 激光多普勒測速系統(tǒng)原理 激光多普勒效應(yīng)測速原理多普勒效應(yīng)是激光多普勒測速方法實(shí)現(xiàn)的理論基石。對固體表面的速度測量以后，很容易得到位移(長度)和加速度等參數(shù)。優(yōu)化多普勒信號處理方法，將數(shù)字信號處理技術(shù)運(yùn)用于多普勒信號的分析處理，將有助于提高LDV測速系統(tǒng)的性能，為相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)技術(shù)支持；同時(shí)研究多普勒信號的處理方法也具有普遍意義，可以為其它類型信號分析與處理提供參考和借鑒，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、低功耗、實(shí)用性強(qiáng)的重要環(huán)節(jié)。90年代以來，R．G．Brown等介紹了“小型固態(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。但是，在大多數(shù)場合，它一般不是測量的關(guān)鍵問題。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(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物學(xué)、航空、航天、機(jī)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(yùn)用的范例。隨著對湍流動(dòng)態(tài)流動(dòng)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。其系統(tǒng)可以在通用計(jì)算機(jī)上開發(fā)，實(shí)現(xiàn)容易，成本低，而且數(shù)字信號處理運(yùn)算可以方便地根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改（通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d即可實(shí)現(xiàn)）。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(shí)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。激光多普勒技術(shù)測量粒子的運(yùn)動(dòng)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。然后分別具體介紹了各部件的性能。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。此外在雙光束模式光路中，進(jìn)入光電接收器的散射光來自兩束光具有同樣強(qiáng)度光束的交點(diǎn)，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(jìn)入測控區(qū)中的每一微粒都產(chǎn)生多普勒信號。 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(qiáng)分布在空間傳播的。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(yùn)動(dòng)固體表面；2． 連續(xù)的隨機(jī)振幅波當(dāng)流體中粒子濃度較大時(shí)，可以得到連續(xù)的多普勒信號波形，但振幅是隨機(jī)變化的。由于“高光子密度”信號實(shí)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”。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(yùn)動(dòng)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。因此，目前LDV系統(tǒng)信號處理的發(fā)展是在頻域內(nèi)進(jìn)行處理，即把探測到的信號轉(zhuǎn)換成它的頻譜，用FFT計(jì)算得到其最大值，并求信號的多普勒頻率。一個(gè)N點(diǎn)的DFT可以被分解為兩個(gè)點(diǎn)的DFT，每個(gè)點(diǎn)的DFT又可分為兩個(gè)點(diǎn)的DFT。另外，DSP控制器能在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘和累加的工作。哈明窗的旁瓣比直流幅度低41dB。4．1光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單元 該系統(tǒng)的光學(xué)單元由光源、分光系統(tǒng)、收集系統(tǒng)幾部分組成。它是利用雪崩管在高的反向偏壓下發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)而制成的光電探測器。數(shù)字信號處理器(DSP)是一種用來快速執(zhí)行信號處理算法的處理器，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)應(yīng)用的要求。8． 16個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器(分別設(shè)置地址)保存轉(zhuǎn)換數(shù)值。 實(shí)數(shù)FFT計(jì)算分以下幾步：1. 把1024個(gè)采樣值打包封裝成為512個(gè)復(fù)數(shù)值，并進(jìn)行碼位反轉(zhuǎn)。顯示模塊由LED燈組成的點(diǎn)陣構(gòu)成，LED是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱數(shù)碼管，其外形結(jié)構(gòu)如圖43所示，由圖可見它由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，通過不同的組合可用來顯示09，AF及小數(shù)點(diǎn)。信號處理方面采用數(shù)字信號處理器。本激光多普勒測速系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：能夠準(zhǔn)確的測量出所要測得的速度，而且測量精度較高，測量范圍較大；且本系統(tǒng)采樣了高速的數(shù)字信號處理器（DSP），因此能夠確保實(shí)時(shí)測量，而且系統(tǒng)具有簡單的顯示功能。自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)具有自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能，可在不同亮度環(huán)境下獲得最佳播放效果。FFT變換結(jié)果，實(shí)數(shù)部分頻點(diǎn)為“0”對應(yīng)著宣流分量，而虛部所有頻點(diǎn)的值都為零，而實(shí)部中頻點(diǎn)為“512”對應(yīng)著奎斯特頻率。由于對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行1024點(diǎn)的FFT變換。3． 模擬輸入：0V～3V。 光電檢測器檢測到的信號經(jīng)運(yùn)算放大處理后出來的是模擬信號。偏振片使激光成為偏振光。圖中的APD為光電探測器，它是光收集系統(tǒng)的一部分，另外光收集系統(tǒng)還包括：透鏡和放大電路。一般來說，濾波器的滾將越陡峭，需要的系數(shù)也就越多，對于FIR濾波器，要得到滿意的性能，通常需要100至200個(gè)系數(shù)。這些數(shù)字都是上限，這是因?yàn)橐恍┬D(zhuǎn)因子的數(shù)值為1，可以跳過與這些旋轉(zhuǎn)因子的相乘。例如，一些旋轉(zhuǎn)因子的實(shí)部或虛部等于177。 表31幾種信號處理方法的比較Table31 Performance parison of the means of signal processing處理方法可否得到U(t)可否接收間斷信號從噪聲中提取信號能力典型精度/%可測最大頻率/MHZ頻率分析法否可好11000頻率跟蹤