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正文內(nèi)容

激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-01-06 17:05 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 以得到檢測(cè)信號(hào)在頻域的表達(dá)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(hào)頻譜,其帶寬按10%最大幅值計(jì)算為e/2,另一部分是多普勒信號(hào)頻譜,頻帶范圍為到。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(cè)量體中的條文數(shù)成反比。 當(dāng)粒子在不同位置上穿過測(cè)量體時(shí),由于光強(qiáng)分布不同,信號(hào)波形也不一樣,但是都包含了這兩個(gè)部分。信號(hào)幅值和,且均與入射光的光強(qiáng)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(qiáng)比等有關(guān)。由此可見,由原入射激光產(chǎn)生的基底信號(hào)確實(shí)存在于探測(cè)信號(hào)中,它們決定了檢測(cè)信號(hào)的信噪比特性。對(duì)于大多數(shù)激光測(cè)速系統(tǒng),都不會(huì)小于10。在流速變化不太大的情況下,通常可以用高通濾波器濾去基底頻譜,保留所需要的多普勒頻率信號(hào)來進(jìn)行處理。但是,當(dāng)平均速度趨于零或湍流度增大時(shí),要確定高通濾波器的截止頻率,使其去除基座信號(hào)就變得困難了。尤其是實(shí)際的濾波器都具有有限陡度,濾掉較低頻率的多普勒信號(hào)的可能性也增加了。 多普勒信號(hào)的特點(diǎn) 在實(shí)際使用中,信號(hào)電流是由許多隨機(jī)通過測(cè)量體的粒子產(chǎn)生的散射光的光電流疊加而成。根據(jù)散射體的不同情況,經(jīng)過高通濾波以后的信號(hào)可以有以下幾種形式:1. 連續(xù)的等幅波此種形式的信號(hào)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(hào)波形,但振幅是隨機(jī)變化的。測(cè)量體中多粒子的存在會(huì)引起相位噪聲和振幅的隨機(jī)脈動(dòng),它不一定能增加信號(hào)強(qiáng)度,相反卻可能起振幅抵消作用。當(dāng)兩個(gè)不同相位的粒子信號(hào)疊加時(shí),除了有振幅抵消作用外,重疊部分的多普勒波形周期也發(fā)生了變化,這就是高頻相位噪聲的來源;3. 間斷的信號(hào)波形這種波形出現(xiàn)在粒子稀少的場(chǎng)合,如人工播粒的氣體和火焰。多普勒信號(hào)以單個(gè)“波群”的形式出現(xiàn)。為衡量測(cè)量體中粒子數(shù)的多少,引入“波群密度’’的概念?!暗筒ㄈ好芏取北硎驹跍y(cè)量體中出現(xiàn)多于一個(gè)粒子的概率很低。反之,“高波群密度表示測(cè)量體中出現(xiàn)多于一個(gè)粒子的概率很高。對(duì)于一定的信號(hào)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(cè)量的精度有關(guān);4. 光強(qiáng)極低的信號(hào)當(dāng)粒子的散射光強(qiáng)非常低時(shí),光檢測(cè)器接收到的是單個(gè)光子。由于光電子發(fā)射的離散性,在光檢測(cè)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(cè)器上的光通量。如果頻帶很寬,光檢測(cè)器的輸出呈現(xiàn)為離散的脈沖。再引入“光子密度”概念。在低光通量時(shí),可以利用的能分辨光子的信號(hào),稱為“低光子密度”信號(hào)。這種信號(hào)的重要特點(diǎn)是光子速率相當(dāng)?shù)?,以致脈沖是一個(gè)一個(gè)的,堆積(重疊)不起來。這種信號(hào)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。在高光通量時(shí),光子喪失了它的離散性。光子脈沖堆積起來使光檢測(cè)器輸出的是一個(gè)正比于輸入光通量的模擬信號(hào),這種信號(hào)稱為“高光子密度”信號(hào)。由于“高光子密度”信號(hào)實(shí)際上是由重疊的脈沖所組成的,所以在模擬信號(hào)中有相當(dāng)大的“噪聲”。通過上面的分析發(fā)現(xiàn)多普勒信號(hào)是一個(gè)相對(duì)比較復(fù)雜的信號(hào),歸納其特點(diǎn)大致可以分為以下幾點(diǎn):1. 多普勒信號(hào)并不是連續(xù)的信號(hào),其具體波形取決于流速場(chǎng)中散射粒子大小,濃度以及通過測(cè)量體的位置;2. 光電探測(cè)器接收的是粒子散射光,其強(qiáng)度本身就比較微弱,而且信號(hào)受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測(cè)器件噪聲影響;3. 多普勒信號(hào)的頻率一般都較高,通常在千赫茲的量級(jí)上,當(dāng)流速較高時(shí)達(dá)到幾十兆赫茲,甚至上百兆赫茲(如運(yùn)用于高速風(fēng)洞的測(cè)量);4. 多普勒信號(hào)的信噪比隨測(cè)量對(duì)象而變化,速度越高,信噪比越低;5. 多普勒信號(hào)的頻譜具有一定的帶寬,稱為頻譜加寬。產(chǎn)生頻譜加寬的原因通常有以下幾種:粒子通過測(cè)量區(qū)域時(shí)具有有限渡越時(shí)間;粒子在測(cè)量區(qū)域中通過時(shí)的速度脈動(dòng)和測(cè)量區(qū)域中存在著速度梯度;信號(hào)處理器本身的帶寬、分辨率等性能造成的儀器加寬。 具體算法第一種情況:光源靜止,接收器運(yùn)動(dòng)。這里接收器的速度用向量來表示。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。第二種情況:光源移動(dòng),接收器靜止。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(cè)器接收。 應(yīng)用上面的式(36)和式(37),就可以得出激光束經(jīng)過運(yùn)動(dòng)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。 (38) 圖25 單個(gè)運(yùn)動(dòng)粒子的散射光 The scattered light of a moving particle本測(cè)量系統(tǒng)中, 采用了雙光束的配置(從一個(gè)光源來的兩個(gè)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(cè)量控制體積MCV (measuring controlvolume)內(nèi),在MCV內(nèi)相交。流經(jīng)這個(gè)體積內(nèi)的粒子會(huì)對(duì)這兩束光都發(fā)生散射。這兩束光的多普勒頻移是不同的(不同的向量,相同的向量) 。這個(gè)頻差,就是通常所說的拍頻, 在散射光中就測(cè)得了。 這個(gè)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。這樣,用電子的方法來精確地探測(cè)和測(cè)量這個(gè)頻率就是可能的了。下面證明多普勒頻率和粒子的速度成正比。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(zhǎng)),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。式(312)表明, 粒子的速度可以通過測(cè)量流過測(cè)量體積MCV的粒子的多普勒頻率來測(cè)得。 通過上面的分析,我們可以知道,若要得到流體流速,必須確定光束交疊半角, 如圖4所示,在距離透鏡L1 2 m左右的距離放置一個(gè)觀察屏,測(cè)量屏上兩個(gè)光點(diǎn)之間的距離D,這樣,交疊半角 由下式得到: (313) (314) 這里, f為透鏡L1 的焦距。 這樣在實(shí)際測(cè)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(cè)得的頻移得到所需求得的速度。       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(cè)速測(cè)速系統(tǒng)的原理,為了推導(dǎo)后面測(cè)速的具體算法,介紹了外差檢測(cè)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(hào)的特性,最后介紹了測(cè)速的具體算法,為后面的信號(hào)處理和具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了理論基礎(chǔ)。 3 激光多普勒信號(hào)處理方法及濾波處理激光多普勒測(cè)速具有多年的發(fā)展歷史,隨著科技的進(jìn)步,信號(hào)處理方法也在不斷的改進(jìn),有頻譜分析法,頻率跟蹤法,計(jì)數(shù)型處理法,數(shù)字相關(guān)信號(hào)處理法。 激光多普勒信號(hào)處理方法 由于多普勒測(cè)速儀具有多年的發(fā)展歷史,隨著科技的進(jìn)步,信號(hào)處理方法也在不斷的改進(jìn),有頻譜分析法,頻率跟蹤法,計(jì)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(hào)處理,數(shù)字FFT信號(hào)處理法。多普勒電信號(hào)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(hào)處理器能滿足所有情況。 幾種處理方法的性能比較 下面是幾種信號(hào)處理方法的比較,見表31。表31列出幾種信號(hào)處理方法,并從可否得到瞬時(shí)速度、可否接受噪聲信號(hào)、從噪聲提取信號(hào)能力、精度四個(gè)方面進(jìn)行比較。 表31幾種信號(hào)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(hào)從噪聲中提取信號(hào)能力典型精度/%可測(cè)最大頻率/MHZ頻率分析法否可好11000頻率跟蹤法可差好50計(jì)數(shù)法可可差200數(shù)字相關(guān)法可可很好100數(shù)字FFT法可可很好150 雖然在激光強(qiáng)度低,粒子直徑非常小或光收集裝置效率低時(shí),在散射光強(qiáng)度和信噪比非常低的情況下,光子相關(guān)頻譜法比信號(hào)處理器更具有優(yōu)點(diǎn),但是計(jì)算量大,精度低,且不能獲得瞬時(shí)速度,得到的只是平均速度。濾波器組雖然可獲得瞬時(shí)速度信息,能在低信噪比情況下工作,但是其分辨率隨著濾波器的個(gè)數(shù)較小而降低,且可測(cè)最大頻率低。 由上表對(duì)以上各種LDV性能進(jìn)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。同時(shí)對(duì)于模擬信號(hào)處理手段而言,它們?cè)谶M(jìn)行復(fù)雜信號(hào)處理時(shí)只有有限的能力,從而造成處理的不靈活性和系統(tǒng)時(shí)間的復(fù)雜性。對(duì)于不同的信號(hào),一個(gè)特定的模擬信號(hào)處理系統(tǒng)往往不能都獲得滿意的效果。 數(shù)字FFT處理法 時(shí)域內(nèi)的信號(hào)處理雖然比較容易實(shí)現(xiàn),但卻存在一個(gè)致命弱點(diǎn),即在信噪比非常低時(shí),可靠性大大降低。因此,目前LDV系統(tǒng)信號(hào)處理的發(fā)展是在頻域內(nèi)進(jìn)行處理,即把探測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成它的頻譜,用FFT計(jì)算得到其最大值,并求信號(hào)的多普勒頻率。理論研究和實(shí)驗(yàn)比較均表明,信號(hào)處理采用離散傅立葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)處理多普勒信號(hào)可有效地從低信噪比的信號(hào)中提取頻率。實(shí)用的頻域處理器應(yīng)包括帶通預(yù)處理、頻率下混頻濾波器、高速A/D變換以及軟件或硬件數(shù)組處理器,以便于DFT的運(yùn)算??梢岳矛F(xiàn)在逐漸成熟的數(shù)字信號(hào)處理器件,實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)的小型化,高性能。 FFT是一系列用于DFT的快速計(jì)算
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