【導讀】目前，在科研領域，激光多普勒技術已廣泛的應用到流體力學、空氣動力學、燃燒學、生物學、航空、航天、機械和醫(yī)學，工業(yè)生產等領域的速度測量和其他有關測量也有其成功運用的范例。激光測速技術發(fā)展至今已有40年歷史。1842年奧地利科學家Doppler,ChristianJohann首次發(fā)現，任何形式的波傳播，由于波源，接收器，傳播介質或散射體的運動，會使頻率發(fā)生變化，即產生多普勒頻移。和[3]，激光多普勒測速技術獲得飛速的發(fā)展。隨著對湍流動態(tài)流動研究的深入，給多普勒測速技術提出了新的問題，這就是所謂的多普勒頻率的不確定性問題。現在對多普勒頻率加寬的因素已基本清楚，同時提出了一些修正方法。目前，國際上的LDV信號處理系統的性能發(fā)展水平比較高，功能強、體積小、重量輕的數字瞬態(tài)采樣型信號處理系統已取代舊式系統，但其響應速度較慢。作為LDV系統的關鍵部分一信號處理部分，是LDV系統性能指標提高和實現系統小型化的關鍵技術，因此對于信號處理部分的研究應成為

　　

【正文】 3． 運放增益：V／A4． 頻率帶寬4K到100M，響應波長范圍：4001000納米，峰值響應為800納米。 4．2數字信號處理隨著數字信號處理技術和半導體技術的發(fā)展，數字信號處理器在軍事、工業(yè)，生活中應用的范圍越來越廣。本系統采用數字信號處理器來處理光收集系統所檢測到的信號。 光電檢測器檢測到的信號經運算放大處理后出來的是模擬信號。由于輸入信號是模擬信號，但數字信號處理器只能夠處理數字信號，這就要求對信號進行模數轉換，將模擬信號轉換為數字信號，然后再進行處理。用軟件啟動AD采樣，并將采樣值放在一個數組中，直到采集到1024個數，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。圖 42 多普勒信號處理流程圖 Flowchart of Doppler signal processing4．2．1數字信號處理器所有處理器都具有執(zhí)行數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。為—般的數字信號處理運算所專門設計的數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。實時是指在實際運算中，輸出的速度跟得上采樣點輸入的速度。數字信號處理器(DSP)是一種用來快速執(zhí)行信號處理算法的處理器，能夠達到實時應用的要求。本系統選用Texas Instruments公司專為工業(yè)控制設計的TMS320F2812處理器.圖 43 F2812 芯片 The chip of DSPTMS320F2812(以下簡稱F2812)處理器Texas Instruments公司的32位定點DSP處理器。該DSP采用圍繞8條總線的改進型哈佛結構，CPU經過專門的硬件邏輯設計，指令的執(zhí)行采用流水線方式，加上高度專業(yè)化的指令系統使得F2812具有高度的并行性、實時性。F2812片內集成了128K字節(jié)Flash存儲器和18K字ARM存儲器。 大量的片內存儲器使得信號處理算法能夠在片內存儲器上高速運行。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。F2812外圍資源豐富，有多達1MB的存儲器，可編程等待狀態(tài)數，可編程讀／寫選通計數器，三個獨立的片選端；內置雙采樣和保持的12位精度模數轉換器(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。此外，該處理器有多達56個獨立的可編程的、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自己的需求進行軟件設置，使得該芯片在應用上具有極大的靈活性，特別適合用于實時處理系統中。 AD轉換 激光多普勒測速系統所采用的DSP為TMS320F2812，該處理器有內置的模數轉換器(ADC)，ADC模塊的功能包括：1． 12位ADC核，內置雙采樣．保持器(S/H)。2． 序列采樣模式或并發(fā)采樣模式。3． 模擬輸入：0V～3V。4． 快速轉換時間運行在25MHZ，ADC時鐘或MSP12．5S。5． 16通道，多路選擇輸入。6． 自動序列化，在單一時間段內最大能提供16個自動A／D轉換。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。7． 序列發(fā)生器可按兩個獨立的8狀態(tài)序列發(fā)生器或一個16狀態(tài)序列發(fā)生器(即兩個狀態(tài)序列發(fā)生器)來運行。8． 16個轉換結果寄存器(分別設置地址)保存轉換數值。9． 多觸發(fā)源啟動序列轉換(SOC)包括：軟件直接啟動(S／W)；事件管理器A(EVA內有多個事件源)；事件管理器B(E，B內有多個事件源)；外部引腳。10． 靈活的中斷控制，允許中斷請求出現在每一個序列結束，或其他每一個序列結束。11． 序列發(fā)生器可以運行在“啟動／停止”模式下，允許多個“時間序列”觸發(fā)以使轉換同步。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。13． 采樣/保持的采集時間窗口可以分別預先設定控制。 由于多普勒信號是一路，故選通16路中的其中一路。采樣方式為：自動轉換、級聯模式、序列采樣和連續(xù)運行。最大采樣通道數為1。采取軟件啟動／停止AD采樣。由于對采樣的數據進行1024點的FFT變換。故開辟一個1024個元素的數組，存放AD采樣的結果，當采集到1024個采樣值時，停止采樣，進行FFT變換，處理完畢后，啟動采樣，反復進行。本系統AD采樣頻率為1666KHZ。 由于輸入的信號都是實數，所以采用實數FFT變換對信號進行處理。實數FFT要求1026個存儲單元來計算1024點FFT，和用復數FFT計算1024點，需要2048個存儲單元比較而言，效率高很多。且實數FFT算法計算的速度幾乎是通常FFT算法的兩倍。 實數FFT計算分以下幾步：1. 把1024個采樣值打包封裝成為512個復數值，并進行碼位反轉。2. 對1024個采樣值進行加窗運算(可選)。3. 512點基二的復數FFT計算。4. 分裂計算。5. 計算幅度的平方。然后對打包封裝好的序列進行碼位反轉,這一步是通過調用函數RFFT 32 brev函數實現的。其中src是指向輸入序列數組的指針，dst是存儲位反轉后序列數組的指針，必須分配1024個存儲單元空間，size的大小為512。加窗運算是為了減小頻譜泄漏，要求在進行FFT變換之前，對輸入序列值進行加窗。這一步通過函數RFFT32 win來實現，可以選擇不同的窗函數。然后進于512點的復數FFT計算，分裂計算是為了從512點的復數FFT變換結果中提取出輸入為1024點實數序列的頻譜點前面的513個值。FFT變換結果，實數部分頻點為“0”對應著宣流分量，而虛部所有頻點的值都為零，而實部中頻點為“512”對應著奎斯特頻率。幅度平方計算計算公式如下： （48） （49） 然后進行求最大值運算，取出幅度最大值得點，這點就是多普勒頻率點，然后繼而可以算出多普勒頻率值。再根據多普勒速度公式： （410） 多普勒頻率計算出，是系統參數，已知，故可計算出運動的速度。％，測量速度范圍為：。 顯示模塊本激光多普勒系統采用LED數碼顯示器顯示。LED顯示屏又稱電子顯示屏或飄字屏幕，由LED點陣組成，通過紅色或綠色燈珠的亮滅來顯示文字、圖片、動畫、視頻，內容可以隨時更換。顯示模塊由LED燈組成的點陣構成，LED是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件，也稱數碼管，其外形結構如圖43所示，由圖可見它由8個發(fā)光二極管構成，通過不同的組合可用來顯示09，AF及小數點。圖44 二極管管腳配置 Configuration of the diode39。s pinLED顯示屏，可以讓屏幕顯示文字、圖片、視頻等內容；電源系統負責將輸入電壓電流轉為顯示屏需要的電壓電流。LED顯示屏可以顯示變化的數字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內環(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。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。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，特別是視域寬、顯示信息量大、長壽命和人機對話良好等優(yōu)點。 將數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。LED顯示屏性能超群：發(fā)光亮度強 在可視距離內陽光直射屏幕表面時，顯示內容清晰可見。超級灰度控制，具有10244096級灰度控制,色彩清晰逼真,立體感強。靜態(tài)掃描技術采用靜態(tài)鎖存掃描方式，大功率驅動，充分保證發(fā)光亮度。自動亮度調節(jié)具有自動亮度調節(jié)功能，可在不同亮度環(huán)境下獲得最佳播放效果。全面采用進口大規(guī)模集成電路，可靠性大大提高，便于調試維護，全天候工作 ，完全適應戶外各種惡劣性環(huán)境，防腐，防水，防潮，防雷，抗震整體性能強、性價比高、顯示性能好，像素筒可采用P10mm、P16mm等多種規(guī)格。先進的數字化視頻處理，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、沒有抖動和重影現象。 本章小結　　 本章介紹了完整的激光多普勒測速系統的設計。該系統主要包括兩部分：光路結構設計單元和數字信號處理單元。其中光路結構設計單元采用氦氖激光器為光源，光電探測器采用雪崩二極管。信號處理方面采用數字信號處理器。該系統運行狀態(tài)穩(wěn)定，處理速度快，可實時測量出固體運動的多普勒頻率值和幅度值、速度值。測量精度較高，測量速度范圍較大。 5 總結與展望隨著激光技術的不斷發(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，使其在測量領域得到廣泛應用。激光多普勒測速技術自60年代末出現以來，已經成為現代化生產必不可少的檢測手段。本文詳細論述了一種利用激光多普勒現象進行測速的系統。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的完整設計。該系統主要包括兩部分：光路結構設計單元和數字信號處理單元，還有顯示模塊單元。其中，光路結構設計單元包括：光源，分光系統和光收集系統。其中，光源采用的是氦氖激光器，光收集系統中的光電探測器采用的是雪崩二極管；數字信號處理單元包括：數字信號處理器和具體的信號處理過程（FFT）；而顯示模塊則主要介紹了LED數碼顯示器的簡單顯示功能。本激光多普勒測速系統具有以下主要特點：能夠準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；且本系統采樣了高速的數字信號處理器（DSP），因此能夠確保實時測量，而且系統具有簡單的顯示功能。本系統設計存在著一些缺點和不足，是可以繼續(xù)改進和發(fā)展的。例如：本系統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字，例如FFT處理的結果；由于現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。33