专利名称：基于小波变换实时处理激光相位多普勒信号的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于小波变换实时处理激光相位多普勒(PDA)信号的装置和方法，属于信号实时提取与处理技术。
背景技术：
在众多工业生产领域中，都涉及到与粒子密切相关的技术问题，人们不断开发新的测量技术来了解生产过程中有关粒子速度、尺寸分布、材料特性及其空间分布等方面的动态信息。激光相位多普勒测量(PDA)技术是有效的粒子尺寸及速度同时测量技术，可实现亚微米粒子的测量，具有测量范围宽、测量精度和空间分辨力高等特点，被广泛应用到化工、医药、食品、海洋、环境、动力、航空航天等众多工程领域，是一项具有广泛应用前景的动态测量技术。
PDA信号的频率和相位与被测粒子物理参数间具有良好的线性关系。PDA信号处理的目的就是提取信号的频率和相位，进而获取粒子的大小、速度、折射率等特性。目前常用的处理方法可以分为时域处理和频域处理两大类时域处理方法包括过零计数法和协方差处理。过零计数法以信号通过零点的时刻作为依据，过零点间的平均时间间隔为信号的周期，是最早被采用的PDA信号处理方法。过零计数法计算简单，所需的计算量较小，但易受信号噪声影响，只适用于高信噪比(10dB以上)条件下应用。协方差处理通过计算两路PDA信号的协方差来获取信号参数，比过零计数法有较高的数据处理速率，但同样易受噪声的影响，在信噪比10dB以上时，可以获得较好的处理性能，另一方面，由于协方差处理器存在电路(尤其是乘法器和积分器)非线性和偏置的影响，测量精度不高，与过零计数法相比较，性能没有明显提高。
基于快速傅立叶变换(FFT)的互谱密度(CSD)方法是目前普遍应用的PDA信号的频域处理方法。与时域处理方法比较，频域处理方法具有很强的噪声抑制能力，能将被噪声淹没的信号提取出来，在信噪比较低的情况下(-6dB)，仍可以获得可靠的测量结果。同时，频域处理技术具有更高的数据处理速率和更宽的频率处理范围，可以在较少的采样数据和较低的采样率条件下获得与时域处理相同的测量精度。但是，频域处理不能做局部分析，即它不提供信号在时域上的任何信息，不能反映信号的时变特性。而PDA信号只有在粒子通过测量体时才会出现，具有间隙性和随机性(如附图2，附图3所示)，这是极其明显的时间特征，因此，在利用频域处理技术处理PDA信号的同时，往往需要采用其它辅助技术手段(如包络检测、门限判决等)对PDA信号加以识别，以捕捉信号的时间特征，致使识别过程易受噪声影响，造成漏检和错检。同时，粒子运动轨迹、多粒子散射和粒子形状等众多因素都可能导致信号畸变，表现为PDA信号的相位变化，频域处理方法无法剔除这种畸变，一律按线性关系对待，导致粒子的特性难以真实反映。因此，利用时频联合分析技术，开发新的PDA信号处理方法，既充分发挥频域处理方法具有强噪声抑制能力、效率高等特点，又保证PDA信号处理过程不损失其时间特征，提高PDA信号的时域处理能力，减小上述因素对PDA测量的影响，增加PDA信号识别的可靠性和处理速度，对提高PDA测量的精度，加速PDA测量技术的应用开发具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于小波变换实时处理激光相位多普勒(PDA)信号的装置和方法，该技术可提高PDA信号识别的可靠性、处理速度和精度。
本发明是通过下述技术方案加以实现的。一种基于小波变换实时处理激光相位多普勒(PDA)信号的装置，其特征在于，该装置包括信号拓展器，小波基函数实部存储器，移位寄存器，小波基函数虚部存储器，卷积积分器，平方器，累加器，PDA信号捕捉器，频率判决器和相位判决器。
采用上述小波处理器实时处理激光相位多普勒(PDA)信号的方法，其特征在于包括以下步骤1.选择复值小波基选择复值函数ψ(t)=π-14e-i22s2ejω0t]]>作为小波基函数，以利于信号识别和提取信号的相位信息。其中s为时窗宽度，用以调整信号处理时的时间分辨率，ω0为中心频率。PDA信号x(t)的小波变换为Wf(m,n)=ΣkΣnx(k)ψm,n(n)]]>其中n，k分别表示对基函数和信号的时间离散化参数，m表示频率离散化参数。
2.信号识别刻画不同尺度(即对应于不同的频率成分)信号的能量分布并用小波系数W(m，n)描述。在各时刻各尺度上比较信号小波变换系数的大小，取最大值
Wfmax(n)＝max{Wf(m，n)}n＝1，2，…，N根据Wfmax在各时刻的分布，可准确地捕捉PDA信号。
3.频率提取在PDA信号识别的同时，也得到了信号的频率尺度α。对于给定的小波基函数ψ(t)，其单位尺度频谱 和尺度α的频谱 均具有带通性质，相应的频率中心 与 之间存在关系ωψ‾a,b0=ωψ‾1,0a]]>由此可以将尺度信息转变为信号的频率信息，得到PDA信号的频率。PDA信号的频率是了解粒子飞行速度的重要参数。
4.相位提取将PDA信号的小波变换分为实数和虚数两部分，信号的相位为，φm,n=tan-1(Im[Wf(m,n)]Re[Wf(m,n)])]]>φm，n代表的是不同尺度下、信号各时刻的相位，小波变换中信号能量最大对应尺度下的相位信息即反映了PDA信号的相位。PDA信号的相位信息反映了粒子尺寸的构成情况。
本发明的优点在于充分利用了PDA信号间隙性、随机性的结构特点，利用PDA信号出现导致的小波系数变化，可靠地捕捉和识别信号；同时通过信号的频率尺度计算得到信号参数，简单方便，提高了信号处理速度；提高了在多粒子识别、粒子轨迹、粒子形状等因素影响下的信号处理性能。本发明的信号识别方法适用于其它信号的除噪和识别过程，频率和相位提取方法也可以应用于需要获取这些参数的其它信号的处理。
图1为本发明的装置结构框图；图2为粒子浓度较高情况时PDA信号示意图；图3为粒子浓度较低情况时PDA信号示意图；图4为粒子识别过程信号的时域波形示意图；图中X轴表示时间，单位毫秒(ms)，Y轴表示信号幅度，单位毫伏(mV)；图5为粒子识别过程信号小波系数三维分布图；图中X轴表示时间尺度，Y轴表示频率尺度，Z轴表示小波系数的大小；
图6为粒子识别过程信号小波系数最大值二维分布图；图中横坐标为时间，单位毫秒(ms)，纵坐标为信号小波系数最大值；图7为粒子识别过程信号的频率分布图；图中X轴表示频率，单位赫兹(Hz)，Y轴表示信号的相对强度；图8为粒子识别过程信号相位差随时间的变化图；图中X轴表示时间，单位毫秒(ms)，Y轴表示信号相位差，单位度(degree)。
图9为相同飞行速度条件下的多粒子信号的时域波形示意图；图中X轴表示时间，单位毫秒(ms)，Y轴表示信号幅度，单位伏(V)；图10为相同飞行速度条件下的多粒子信号小波系数分布图；图中X轴表示时间尺度，Y轴表示频率尺度，Z轴表示小波系数的大小；图11为相同飞行速度条件下的多粒子信号的时间分布图；图中横坐标为时间，单位毫秒(ms)，纵坐标分别为信号幅度，单位伏(V)和信号小波系数最大值。
具体实施例方式
下面结合附图和实际信号处理过程对本发明的应用做进一步说明本发明通过如附图1所示结构的小波处理器实施。小波处理器是一个全并行、流水式数字信号处理器，可以用DSP或FPGA实现。对PDA信号进行小波处理之前需对进行数字化和常规预处理。为避免信号重构时产生畸变，首先经信号拓展器对PDA信号进行对称周期延拓后，送入两个相同的移位寄存器，再分别与小波基函数实部存储器和虚部存储器中的基函数进行卷积并求其平方和，确定信号的小波系数。PDA信号是否被捕捉必须由PDA信号捕捉器形成判决，若确认PDA信号被捕捉，则可进一步认定信号参数和信号的出现时间，否则需调整小波基函数的尺度，重新进行卷积，计算新的小波系数。
附图4-8示意了单粒子信号的识别和参数提取过程粒子信号经过小波变换得到小波系数，比较不同尺度条件下的小波系数形成小波系数最大值(如附图5和附图6)。在t1和t2之间，信号的小波系数在某一尺度下取得最大并持续稳定，可确定为PDA信号，而在其它时段，小波系数相对较小或分布比较分散，应视为噪声。同时，小波系数最大值反映了PDA信号的包络，因此利用本方法可以进行信号的包络检测。根据小波系数取得最大并持续稳定时对应的尺度值确定PDA信号的频率为1.5×105Hz。计算信号的相位，t1时刻的值即为PDA信号的初始相位，约25°。由于信号相位与其出现时刻有关，处理器获取的是相位差值，对单个信号的处理，相位差的基准是测量前设置的，对多个信号的处理，可以确定各信号间的相位差。
附图9～附图11示意了相同飞行速度条件下多粒子信号的识别过程。如附图9所示，由于粒子飞行速度相同，在信号出现期间信号频率没有变化，信号的时域波形与单粒子情形(如附图4)没有差别，频率处理方法将把该信号作为单一粒子对待，导致误差。而小波处理器却能准确识别，小波系数在t2时刻的变化表明信号由两个飞行速度相同的粒子产生。对于飞行速度不同条件下的多粒子，则可利用信号的不同频率值进行识别。多粒子的识别避免了将实际的多粒子视为单一粒子可能引入的误差，这对保证浓度测量的精度非常重要。
权利要求
1.一种基于小波变换实时处理激光相位多普勒信号的装置，其特征在于该装置包括信号拓展器、小波基函数实部存储器、移位寄存器、小波基函数虚部存储器、卷积积分器、平方器、累加器、PDA信号捕捉器、频率判决器和相位判决器。
2.一种采用权利要求1的装置实时处理激光相位多普勒信号的方法，其特征在于包括以下步骤1)、选择复值小波基选择复值函数ψ(t)=π-14e-t22s2ejω0t]]>作为小波基函数，以利于信号识别和提取信号的相位信息，其中s为时窗宽度，用以调整信号处理时的时间分辨率，ω0为中心频率；PDA信号x(t)的小波变换为Wf(m,n)=ΣkΣnx(k)ψm,n(n)]]>其中n，k表示时间离散化参数，m表示频率离散化参数；2)、信号识别刻画不同尺度信号的能量分布并用小波系数W(m，n)描述，在各时刻各尺度上比较信号小波变换系数的大小，取最大值Wf max(n)＝max{Wf(m，n)} n＝1，2，Λ，N根据Wf max在各时刻的分布，可准确地捕捉PDA信号；3)、频率提取在PDA信号识别的同时，也得到了信号的频率尺度a；对于给定的小波基函数ψ(t)，其单位尺度频谱 和尺度a的频谱 均具有带通性质，相应的频率中心 与 之间存在关系ω)ψa,b0=ω)ψ1,0a]]>由此可以将尺度信息转变为信号的频率信息，得到PDA信号的频率；4)、相位提取将PDA信号的小波变换分为实数和虚数两部分，信号的相位为，φm,n=tan-1(Im[Wf(m,n)]Re[Wf(m,n)])]]>φm，n代表的是不同尺度下、信号各时刻的相位，小波变换中信号能量最大对应尺度下的相位信息即反映了PDA信号的相位。
全文摘要
本发明公开了一种基于小波变换实时处理激光相位多普勒(PDA)信号的装置和方法，属于信号实时提取与处理技术。所述装置包括信号拓展器，小波基函数实部存储器，移位寄存器，小波基函数虚部存储器，卷积积分器，平方器，累加器，PDA信号捕捉器，频率判决器，相位判决器。所述方法包括针对PDA信号特点所设计的小波基，PDA信号的捕捉与识别，PDA信号的频率和相位提取。本发明的特点在于充分利用激光相位多普勒测量过程中粒子散射信号的结构特征，能实现PDA信号的快速识别和信号参数的准确提取，抗噪声性能强，可靠性高，满足动态测量的要求。本方法也可以应用于其它具有随机性、间隙性特征和低信噪比信号的实时处理。
文档编号G01B21/06GK1587906SQ20041007233
公开日2005年3月2日 申请日期2004年10月19日 优先权日2004年10月19日
发明者曾周末, 詹湘琳, 朱爱华, 潘寅生, 靳世久 申请人:天津大学