【正文】 1可以看出，運動粒子P以速度U 通過測量區(qū)域時，粒子相對于入射光來說是運動的，即光源靜止，接收器運動；而相對于光電探測器來說，運動粒子的散射光相對于探測器是運動的，即光源運動，接收器靜止。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。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。這里存在著光波從(靜止的)光源到(運動的)微粒到(靜止的)的光檢測器這三者之間的傳播關(guān)系。從運動物體散射圓來的光波相對于入射光波頻率會發(fā)生一定的頻率偏移，這種頻率變化即為多普勒頻移。假設(shè)原有波源的波長為，波速為c，觀察者移動速度為v：當(dāng)觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時頻率變低。奧地利科學(xué)家Christian Dopper于1842年首先提出了這一理論。 第五章，總結(jié)和展望部分，對該激光多普勒測速系統(tǒng)進(jìn)行了總結(jié)，概述了本系統(tǒng)的性能和工作特點，并展望了其發(fā)展前景。然后分別具體介紹了各部件的性能。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(shè)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(shè)計打下理論基礎(chǔ)。然后介紹了激光多普勒信號的條紋模型及其特性，方便后面對信號的處理。論文的具體結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排如下：第一章，緒論部分，主要介紹了論文的研究背景和論文的主要內(nèi)容，包括激光多普勒測速系統(tǒng)的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢，以及激光多普勒測速的優(yōu)點和研究此課題的意義，從而確定了本文的立題依據(jù)。國內(nèi)沒有固體表面速度高精度測量儀的生產(chǎn)廠家，現(xiàn)在國內(nèi)使用的激光多普勒測速儀器全都是進(jìn)口的，因而研制激光多普勒測速儀不僅具有重大意義，其市場前景也非常樂觀。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。這些應(yīng)用需要速度測量有很高的精度，而且要求有較大的場深和動態(tài)范圍。用激光測速計測定在軋制生產(chǎn)中高速行進(jìn)鋼板的移動速度，不僅可以采用不接觸鋼板進(jìn)行測定的方式，而且鋼板移動速度愈大其測量精度越高。激光多普勒技術(shù)測量粒子的運動速度是十分有意義，它能使這一技術(shù)在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。目前已有一維，二維，三維的激光多普勒測速儀。目前已可在每秒幾毫米到每秒千米的寬廣速度范圍內(nèi)進(jìn)行測速。多普勒頻移量與待測目標(biāo)的運動速度呈線性關(guān)系，是一個精確的物理公式。3． 測量精度高是LDV的最大優(yōu)點，％。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。 本課題的研究意義激光器發(fā)出的激光具有單色性、相干性、方向性和高亮度等特點，這就為激光多普勒測速提供了非常理想的光源。LDV系統(tǒng)光路部分中激光器和光探測的技術(shù)都取得了長足的進(jìn)展，LDV系統(tǒng)的信號處理部分仍是制約該激光多普勒測速技術(shù)小型化，輕質(zhì)化，以及實時性，動態(tài)范圍等技術(shù)參數(shù)改進(jìn)的瓶頸，這正是我們從事對激光測速技術(shù)的信號處理部分研究的出發(fā)點和最終目標(biāo)。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。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(yīng)速度較慢。并且多普勒信號的頻率一般都較高，通常在千赫茲的量級以上，當(dāng)速度較高時可達(dá)到幾十兆赫茲，甚至上百兆赫茲。這是因為LDV系統(tǒng)中的光電探測器接收的是粒子散射光，其強度本身就比較微弱，而且信號還受到諸如光路系統(tǒng)、雜散光、光檢測器件噪聲、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子濃度等因素的影響。受頻率分辨率的限制，目前這一技術(shù)比較適用于中高速流暢的測量，但是可以預(yù)期，隨著科技水平的不斷提高，DGV技術(shù)也必將在新世紀(jì)中得到更大的發(fā)展和應(yīng)用。20世紀(jì)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(jìn)展。Ross采用參考光和差動光路相結(jié)合的辦法提出了一種LDY三維測量的新方法，在保持結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便的特點上，提高了信噪比，空間分辨率和測量精度也達(dá)到了工程要求。這使得它具有穩(wěn)定的處理性能。其系統(tǒng)可以在通用計算機上開發(fā)，實現(xiàn)容易，成本低，而且數(shù)字信號處理運算可以方便地根據(jù)實際情況進(jìn)行修改（通常只要改變程序，或?qū)拇嫫髦匦录虞d即可實現(xiàn)）。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(jìn)行分析：首先對光電探測器輸出的多普勒信號進(jìn)行預(yù)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(jìn)行運算處理，提取多普勒信號頻率。這樣就可以使入射光單元和接收光單元與相對體積較大的分光裝置或光電轉(zhuǎn)換器分開，將體積盡可能地做得小巧牢固，便于移動測量位置和應(yīng)用于各種有特殊要求的場合。 多普勒測速的發(fā)展趨勢激光多普勒技術(shù)本身還在發(fā)展，如多維系統(tǒng)（主要是三維），光線傳輸技術(shù)及數(shù)字信號處理技術(shù)和微機數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的出現(xiàn)把LDV 技術(shù)推向更高的水平，使調(diào)整更加簡單、方便。這個時期LDV的另一個重大進(jìn)展是相位多普勒測速技術(shù)。八十年代末九十年代初，半導(dǎo)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(yīng)激光多普勒測速方法[6]。在信號處理方面，頻率跟蹤器、計數(shù)式處理器[5]以及光子相關(guān)器件都陸續(xù)成為產(chǎn)品并被投入市場，它們同集成式光學(xué)系統(tǒng)一起成為研究復(fù)雜流體的有用工具。現(xiàn)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。隨著對湍流動態(tài)流動研究的深入，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。發(fā)表的論文中70%都是應(yīng)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。各種外差檢測模式都在被采用和實驗當(dāng)中，頻移技術(shù)雖然已經(jīng)出現(xiàn)，但由于器件的效率不高和增加了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，難以得到推廣。其發(fā)展大體可分為三個階段：上世紀(jì)七十年代前后，是激光測速發(fā)展的初期。起初的光學(xué)裝置比較簡單，光學(xué)性能和效率不高，調(diào)準(zhǔn)不方便；信號處理方面大多采用頻譜分析儀[4]，這樣就不能得到瞬時速度。早在1905年愛因斯坦就證明了在光波中也存在多普勒效應(yīng)。激光測速技術(shù)發(fā)展至今已有40年歷史。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論自上世紀(jì)60年代末， 激光多普勒測速（ Laser Dopper velocimeter ，LDV）技術(shù)末出現(xiàn)以來，已經(jīng)成為現(xiàn)代化生產(chǎn)必不可少的檢測手段[1]，伴隨著近現(xiàn)代激光技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是因其所具有的非接觸測量[2]，高分辨率，動態(tài)響應(yīng)快以及高測量精度等優(yōu)點，使激光多普勒測速系統(tǒng)被應(yīng)用于科研和工業(yè)領(lǐng)域。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)、空氣動力學(xué)、燃燒學(xué)、生物學(xué)、航空、航天、機械和醫(yī)學(xué)，工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的速度測量和其他有關(guān)測量也有其成功運用的范例。1842年奧地利科學(xué)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。 和 [3]，激光多普勒測速技術(shù)獲得飛速的發(fā)展。隨著光學(xué)系統(tǒng)和信號處理器方面的發(fā)展，首先是集成光學(xué)單元的出現(xiàn)，使光路結(jié)構(gòu)大為緊湊，調(diào)準(zhǔn)也方便多了，因而有可能發(fā)展更加復(fù)雜和高效率的光學(xué)系統(tǒng)，光束擴展、空間濾波、偏振分離、光學(xué)頻移等現(xiàn)代技術(shù)相繼應(yīng)用到激光測速儀中，并成為系列化產(chǎn)品不可缺少的一部分。這個時期的光學(xué)裝置都比較簡單，用各種元件拼搭而成，光學(xué)性能和效率不高，使用調(diào)準(zhǔn)也不方便。從八十年代開始，激光多普勒測速應(yīng)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(biāo)志是1982年首次在里斯本召開的“激光技術(shù)在流體力學(xué)中的應(yīng)用國際討論會”，該國際會議每兩年召開一次。國內(nèi)也出現(xiàn)了一些自行研制的儀器，雖然都處于實驗階段，但為推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。它主要影響到湍流的測量精度。但是，在大多數(shù)場合，它一般不是測量的關(guān)鍵問題。如果說，計算機的發(fā)展給計算流體力學(xué)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(xué)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(yīng)用范圍都名列前茅。而后，又發(fā)展了雙自混頻技術(shù)，但精度始終不高，徘徊在1%左右，無法滿足高精度測量的需求。球形粒子對兩束相交光束散射時，在周圍光場形成明暗相間的干涉條紋：當(dāng)利用兩個探測器接收多普勒信號時，兩路信號之間存在一定相位差，與粒子的大小成正比，具體地說，是與散射點的曲率半徑有關(guān)，隨后，這一發(fā)現(xiàn)被應(yīng)用于粒子大小的測量中，即相位多普勒法（PDA）。此外，半導(dǎo)體激光器，光纖激光器和雪崩光電二極管的應(yīng)用以及光纖微刻器件集成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了光纖LDV，該系統(tǒng)采用光纖來傳輸光束，這包括在入射光系統(tǒng)中將激光器光源的光束傳輸?shù)綔y量點，在散射光系統(tǒng)中將接收到的散射光傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器。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(yīng)用于工業(yè)和現(xiàn)場。這種方法與現(xiàn)有的各種的各種模擬信號處理方法相比較具有更好的穩(wěn)定性和抗干擾性。另外，數(shù)字信號處理運算單純地基于加法和乘法。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。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(fù)雜，推廣受到限制。它將散射光的多普勒頻移信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴娦畔?，從而可以用傳統(tǒng)的圖像處理方法來得到一個平面場中微粒的三維速度信息。在采用數(shù)字信號處理技術(shù)的LDV系統(tǒng)中，多普勒信號的處理是至關(guān)重要的。這就造成了激光多普勒測速系統(tǒng)的光電信號具有信號弱、噪聲干擾大的特點，有時還伴有信號脫落(即信號不連續(xù))現(xiàn)象。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。隨著電路器水平的不斷進(jìn)步，F(xiàn)FT運算速度的提高[7]，使頻域內(nèi)的信號處理方法用于準(zhǔn)實時測量或趨向?qū)崟r測量計劃。由于激光多普勒測速技術(shù)潛在的獨特功能，因而得以吸引各個學(xué)科的研究工作者去研究和解決這些問題，對激光測速技術(shù)的光學(xué)部分和信號處理部分進(jìn)行創(chuàng)新性發(fā)展。優(yōu)化多普勒信號處理方法，將數(shù)字信號處理技術(shù)運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)展提供強有力的實驗技術(shù)支持；同時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，是實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、低功耗、實用性強的重要環(huán)節(jié)。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