专利名称：激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法
技术领域：
本发明属于激光多普勒测速技术领域，主要涉及一种激光多普勒测速仪的多普勒信号时域解调方法，尤其涉及一种对固定运动目标速度进行测量的外差式干涉计的多普勒信号周期分布解调方法。
背景技术：
光源与物体相对运动时会产生多普勒效应，激光多普勒测速仪是依靠运动微粒散射光与照射光之间的频移获得速度信息的，常用的参考光模式的光学外差干涉计原理见附图1。单一频率4的激光束照射到一个运动物体上时，接收到的散射光频率为f^+AfD，其中Af11为散射光与照射光之间的频移。另一束参考光通过分光器取自同一发射光束，经布喇格声光单元(Bragg-cell)引入40MHz的附加频移，这一参考光束与接收的散射光束相调制，光检测器(例如光电倍增管)接收调制光的光强变化，外差干涉计产生的多普勒电信号频率为fdet = 40MHz+ Δ fD(1)对该多普勒信号进行频率解调处理，即可以获得散射光频率Δ fD，从而得到运动物体的速度V V = ^-(2)
2 cos β式中，λ为发射的激光光源的光波波长，β为投射光束与物体运动方向的夹角。多普勒信号处理可以采用多种方法，时域处理的周期计数法直接计算每个给定时间段％内的信号周期数N，则￥d =γ~( 3 )
tS其原理简单，处理简便，是目前激光多普勒测速仪常用的硬件信号处理方法，但是，这种采用周期计数方式的多普勒时域解调方法的抗干扰能力较差。在实际的激光多普勒测速应用中，运动物体表面微粒分布不均勻或微粒重叠、激光束的会聚点因物体振动而偏离散射面、激光发射和接收器本身的振动、光束路径空间的微尘等外部因素都会影响接收到的散射光波的稳定性，使采集的多普勒频移信号中形成周期变宽或变窄、信号局部丢失和噪声，从而增大频移量处理的动态误差，影响物体运动速度的测量精度。实验证实采用侧向投射和接收光束测速方法时散射光波的稳定性更差。某气炮激励高冲击校准系统采用双路侧向激光多普勒测速方法测量固体目标的运动速度，示意图见附图2，图中P为运动目标，Sl和S2为位于运动目标后侧向的两个激光束投射及散射光接收点。该系统采用两路互相独立的参考光模式外差多普勒测速仪获取目标速度VO 在侧后向的速度分量Vl和V2，两路测量光束与目标运动方向的夹角分别为β 和β2。附图3为通过外差多普勒测速仪硬件对多普勒信号解调处理后获取的两条速度曲线，图中为了便于观察，将速度分量V2倒置显示，可见所获取的速度曲线存在许多突变的毛刺。观察外差干涉计输出的多普勒信号，其中增速时段内的1 μ s时间间隔的信号波形在图4中显示，上部为40MHz附加频移信号曲线，中部为Sl方向的多普勒信号曲线，下部为S2方向的多普勒信号曲线，可见这一时间段内S2方向的多普勒信号存在周期长度突变。由于采用多普勒信号的周期计数解调方法求出的是一定时间段tg内全部周期N的平均频率，这种散射光波不稳定引起的信号周期变化会影响到频率解调结果，这就是周期计数解调方法抗干扰能力较差并会形成速度测量曲线毛刺的本质原因。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有多普勒信号周期计数解调方法存在的问题，为激光多普勒测速仪提供一种抗干扰能力强的多普勒信号周期分布解调方法，该方法能够在脱机方式下对外差式干涉计输出的多普勒信号进行频率解调，提高对固体目标运动速度的测量精度。为解决上述技术问题，本发明周期分布解调方法包括以下步骤(1)设置多普勒信号解调处理的周期计数时间段长度tg，以及在一个tg内可能出现的最大周期数Nmax和最少周期数Nmin，tg根据测速目标的最大加速度而定，一个时间段长度tg内可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin通过估算目标运动的最小速度和最大速度确定；(2)调用存盘的测速多普勒信号，并对该信号进行限幅处理；(3)求出测速多普勒信号总时间长度ta内所含时间段长度tg的数量M ；(4)设k为调用频率解调处理子程序的循环次数变量，即1彡k彡M，对k从1递增到M，逐次调用频率解调处理子程序进行如下计算和判断(4. 1)计算当前时间段长度％内每个信号周期的长度、，并计数当前时间段长度 tg内包括的总周期数N，j = 1 N ；(4. 2)比较该时间段内的总周期数N与可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin， 在Nmin彡N彡Nfflax的情况下，统计当前时间段长度tg内全部信号周期长度、的分布，并从中求出最频繁的信号周期长度tm，该周期长度对应的周期数为Nm，1 < m < N ；(4. 3)若Nm > 1，以周期长度接近tm的所有信号周期的统计平均值为当前时间段长度tg的周期长度td，即设定允差δ t，统计周期长度在tm_ δ t至tm+ δ t间的所有周期的平均值；若Nm = 1，则将N个信号周期长度、的平均值作为当前时间段长度tg的周期长度 td；(4. 4)在N < Nmin或N > Nfflax的情况下，若k = 1，则令周期长度td为测速目标在静止状态下多普勒信号的周期长度；若k > 1，则将第k-1次频率解调计算子程序运行中解算出的周期长度td作为当前时间段长度tg的周期长度td ；(5)将当前时间段tg内的周期长度td转换为当前频率值；(6)将信号的当前频率值转换为测速目标的当前速度值；(7)重复第(4) (6)步，直到k = M。根据本发明，所述的多普勒信号周期的计数时间段长度tg为0. 5μ S。根据本发明，δ t的设定值为tm的5%。本发明的多普勒信号周期分布解调方法采用基于周期计数法的时域处理原理，但是它不计算每个给定时间段tg内全部周期N的平均频率，而是分析各时间段tg内每个周期的时间值分布，取它们中最频繁的时间值td作为该时间段％内的周期长度，换算为该时间段的信号频率。采用本发明提出的多普勒信号频率解调，可以有效消除信号中个别周期长度异常引起的多普勒频移计算误差，抑制因散射光波不稳定形成的多普勒频移信号周期变宽或变窄、信号局部丢失和噪声，改善周期计数法频率解调的信号处理精度。
图1是参考光模式的外差干涉计原理图。图2是双路侧向多普勒测量固体目标的运动速度示意图。图3是经测速仪硬件对多普勒信号解调后获取的速度曲线。图4是外差干涉计输出的实际多普勒信号图。图5是本发明周期分布解调方法的主程序的工作流程图。图6是图5中所示频率解调计算子程序的工作流程图。图7是应用本发明对多普勒信号解调后获取的速度曲线。
具体实施例方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。本发明的优选实施例是通过计算机数据处理系统实现的。当用外差干涉计对测速目标进行激光多普勒测速时，外差干涉计输出的测速多普勒信号被数字示波器实时采集和存储。测量结束后，计算机数据处理系统读取数字示波器保存的测速多普勒信号并转存在计算机硬盘中。随后，可按照图5所示的工作流程进行多普勒信号的频率解调。第一步，设置解调处理所用到的相关参数。这些参数包括多普勒信号解调处理的周期计数时间段长度tg，以及在一个tg内可能出现的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin。 如背景技术部分所述，外差干涉计输出的多普勒信号是频率为几十MHz的高频信号，而测速目标的速度变化是机械运动的低频信号。根据应用系统的技术指标估算测速目标运动的最大加速度，根据式O)、式(3)确定时间段长度tg，使该时间段内的多普勒信号频率改变量在测量精度许可范围内。对于本优选实施例来说，测速目标运动的最大加速度为 2，000, 000m/s2,因此，设定时间段长度tg为0. 5 μ S。一个时间段长度tg内可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin通过估算目标运动的最小速度和最大速度确定。在本实施例中， 测量目标从静止状态增速，速度上限为130m/s，测量光束与目标运动方向间的夹角β为 78°，则在测量光束方向上的速度分量最大值为30m/s，最小值为Om/s。由于散射光束接收点Sl和S2位于运动目标侧后向，即目标背离观察点运动，根据多普勒效应原理和式(2)、 式(3)可知当目标从原始的静止状态加速到可能的最大速度，频移信号的频率从40MHz减小到18. 6MHz，即在时间段长度tg (0.5 μ s)内的信号周期数从20减小到9。考虑可能的允差，适当加宽估算的信号频率范围，Nmin取值为小于(0.8X 18. 6X IO6Xtg)的第一个整数7、 Nmax取值为大于(1.2X40X IO6Xtg)的第一个整数对。第二步，调用存盘的测速多普勒信号，并对该测速多普勒信号进行限幅处理。对一个变频信号的频率解调，只需要对信号每个周期的时间长度进行处理，信号的幅值不影响处理结果，通过限幅处理处理还可以消除信号顶部和底部的高频干扰。对于实施例中的外差干涉计输出的测速多普勒信号，直接取信号半波进行处理，即将信号上限限幅到零电平。第三步，求出测速多普勒信号总时间长度ta内所含时间段长度tg的数量M，M为小于、/%的第一个整数。第四步，设k为调用频率解调处理子程序的循环次数变量，即1 < k < M，对k从1 递增到M,逐次调用频率解调处理子程序，按照图6所示的工作流程进行如下计算和判断(4. 1)计算当前时间段长度tg内每个信号周期的长度、，并对当前时间段长度tg 内包含的信号周期计数，j = 1 N，这里j对应于时间段tg内第j个信号周期，N为该时间段长度％内包含的总周期数。信号周期长度的计算根据被处理信号限幅后的上限进行， 本实施例是根据零线上每个周期的持续时间计算周期长度。(4. 2)比较该时间段内的总周期数N与可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin。 在Nmin彡N彡Nfflax的情况下，统计当前时间段长度tg内全部信号周期长度、的分布，并从中求出最频繁的信号周期长度tm，该周期长度对应的周期数为Nm，1 < m < N。所谓信号周期长度分布是指设当前时间段长度tg内共有L个不同的周期长度、(i = 1 L)，统计出对应每个周期长度为、的周期个数Ni (i = 1 L)。所谓最频繁的信号周期长度是指求出信号周期个数集合Ni (i = 1 L)中的最大值Nm，该最大值对应的周期长度即为tm。(4. 3)如果找到tm，即Nm > 1时，逐个比较全部信号周期的分布，以周期长度接近 tm的所有信号周期的统计平均值为当前时间段长度tg的周期长度td，即
权利要求
1.一种激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)设置多普勒信号解调处理的周期计数时间段长度tg，以及在一个tg内可能出现的最大周期数Nmax和最少周期数Nmin，tg根据测速目标的最大加速度而定，一个时间段长度tg 内可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin通过估算目标运动的最小速度和最大速度确定；(2)调用存盘的测速多普勒信号，并对该信号进行限幅处理；(3)求出测速多普勒信号总时间长度ta内所含时间段长度tg的数量M；(4)设k为调用频率解调处理子程序的循环次数变量，即1< k < M，对k从1递增到 M，逐次调用频率解调处理子程序进行如下计算和判断(4. 1)计算当前时间段长度tg内每个信号周期的长度、，并计数当前时间段长度tg内包括的总周期数N，j = l N;(4. 2)比较该时间段内的总周期数N与可能的最多周期数Nmax和最少周期数Nmin，在 Nfflin ^N^ Nfflax的情况下，统计当前时间段长度tg内全部信号周期长度、的分布，并从中求出最频繁的信号周期长度tm，该周期长度对应的周期数记为Nm，1 < m < N ；(4. 3)若Nm > 1，以周期长度接近tm的所有信号周期的统计平均值为当前时间段长度 tg的周期长度td，即设定允差δ t，统计周期长度在tm- δ t至tm+ δ t间的所有周期的平均值；若Nm = 1，则将N个信号周期长度、的平均值作为当前时间段长度tg的周期长度td ；(4. 4)在N < Nmin或N > Nfflax的情况下，若k = 1，则令周期长度td为测速目标在静止状态下多普勒信号的周期长度；若k > 1，则将第k-Ι次频率解调计算子程序运行中解算出的周期长度td作为当前时间段长度tg的周期长度td ；(5)将当前时间段tg内的周期长度td转换为当前频率值；(6)将信号的当前频率值转换为测速目标的当前速度值；(7)重复第(4) (6)步，直到k= M。
2.根据权利要求1所述的激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法，其特征在于所述的多普勒信号周期的计数时间段长度tg为0. 5 μ S。
3.根据权利要求1所述的激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法，其特征在于St的设定值为乜的5%。
全文摘要
本发明公开了一种激光多普勒测速仪的多普勒信号周期分布解调方法。该方法采用基于周期计数法的时域处理原理，但是它不计算每个给定时间段内全部周期的平均频率，而是分析各时间段内每个周期的时间值分布，取它们中最频繁的时间值作为该时间段内的周期长度，换算为该时间段的信号频率。本发明的主要优点是，可以提高多普勒频移信号处理的计算精度，有效减小散射光不稳定带来的多普勒频移信号周期变宽或变窄、信号局部丢失和噪声对目标运动速度测量结果的影响。
文档编号G01S7/48GK102236092SQ201010160189
公开日2011年11月9日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者姬建荣, 寿光裕, 王国庆, 苏健军 申请人:西安近代化学研究所