【文章內(nèi)容簡介】 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。 當粒子在不同位置上穿過測量體時，由于光強分布不同，信號波形也不一樣，但是都包含了這兩個部分。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。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，它們決定了檢測信號的信噪比特性。對于大多數(shù)激光測速系統(tǒng)，都不會小于10。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。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。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。 多普勒信號的特點 在實際使用中，信號電流是由許多隨機通過測量體的粒子產(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動固體表面；2． 連續(xù)的隨機振幅波當流體中粒子濃度較大時，可以得到連續(xù)的多普勒信號波形，但振幅是隨機變化的。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。當兩個不同相位的粒子信號疊加時，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． 間斷的信號波形這種波形出現(xiàn)在粒子稀少的場合，如人工播粒的氣體和火焰。多普勒信號以單個“波群”的形式出現(xiàn)。為衡量測量體中粒子數(shù)的多少，引入“波群密度’’的概念。“低波群密度”表示在測量體中出現(xiàn)多于一個粒子的概率很低。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。對于一定的信號處理器來說，區(qū)分所能適應的“波群密度’’是很重要的，因為這與測量的精度有關；4． 光強極低的信號當粒子的散射光強非常低時，光檢測器接收到的是單個光子。由于光電子發(fā)射的離散性，在光檢測器中產(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器上的光通量。如果頻帶很寬，光檢測器的輸出呈現(xiàn)為離散的脈沖。再引入“光子密度”概念。在低光通量時，可以利用的能分辨光子的信號，稱為“低光子密度”信號。這種信號的重要特點是光子速率相當?shù)停灾旅}沖是一個一個的，堆積(重疊)不起來。這種信號可以用典型的數(shù)字系統(tǒng)，例如光子相關器來分析光子速率，得到與粒子速度有關的信息。在高光通量時，光子喪失了它的離散性。光子脈沖堆積起來使光檢測器輸出的是一個正比于輸入光通量的模擬信號，這種信號稱為“高光子密度”信號。由于“高光子密度”信號實際上是由重疊的脈沖所組成的，所以在模擬信號中有相當大的“噪聲”。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。產(chǎn)生頻譜加寬的原因通常有以下幾種：粒子通過測量區(qū)域時具有有限渡越時間；粒子在測量區(qū)域中通過時的速度脈動和測量區(qū)域中存在著速度梯度；信號處理器本身的帶寬、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，接收器運動。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，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， 在微小的流動的粒子上散射,然后由光電探測器接收。 應用上面的式(36)和式(37)，就可以得出激光束經(jīng)過運動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。流經(jīng)這個體積內(nèi)的粒子會對這兩束光都發(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) 。這個頻差，就是通常所說的拍頻， 在散射光中就測得了。 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。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。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是粒子運動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量流過測量體積MCV的粒子的多普勒頻率來測得。 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觀察屏，測量屏上兩個光點之間的距離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?！　　　　　? 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。 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)字相關信號處理法。 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，光子相關頻譜法，數(shù)字相關信號處理，數(shù)字FFT信號處理法。多普勒電信號的形式和特點受光學系統(tǒng)，粒子條件和流動狀態(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。 幾種處理方法的性能比較 下面是幾種信號處理方法的比較，見表31。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。 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頻率跟蹤法可差好50計數(shù)法可可差200數(shù)字相關法可可很好100數(shù)字FFT法可可很好150 雖然在激光強度低，粒子直徑非常小或光收集裝置效率低時，在散射光強度和信噪比非常低的情況下，光子相關頻譜法比信號處理器更具有優(yōu)點，但是計算量大，精度低，且不能獲得瞬時速度，得到的只是平均速度。濾波器組雖然可獲得瞬時速度信息，能在低信噪比情況下工作，但是其分辨率隨著濾波器的個數(shù)較小而降低，且可測最大頻率低。 由上表對以上各種LDV性能進行了總結(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。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。 數(shù)字FFT處理法 時域內(nèi)的信號處理雖然比較容易實現(xiàn)，但卻存在一個致命弱點，即在信噪比非常低時，可靠性大大降低。因此，目前LDV系統(tǒng)信號處理的發(fā)展是在頻域內(nèi)進行處理，即把探測到的信號轉(zhuǎn)換成它的頻譜，用FFT計算得到其最大值，并求信號的多普勒頻率。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。實用的頻域處理器應包括帶通預處理、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的運算?？梢岳矛F(xiàn)在逐漸成熟的數(shù)字信號處理器件，實現(xiàn)處理系統(tǒng)的小型化，高性能。 FFT是一系列用于DFT的快速計算