本发明涉及基于FPGA的多普勒信号处理算法,具体涉及一种基于FIR的滤波带自适应选择算法,尤其涉及激光多普勒信号滤波带自适应选择方法。
背景技术：
当一束激光照射在物体表面时，由于物体的运动速度使得物体表面接收的散射的激光的频率发生改变，即多普勒频移，因此利用物体运动速度和多普勒频移的关系可以实现物体运动速度的测量，还可进一步实现加速度和长度的测量。
在测量物体速度时，需要对激光多普勒频移信号进行提取，提取前往往需要对初始信号进行一定的处理，其中最为重要的过程在于滤除噪声和基底信号。尤其是在测量速度范围较大的时候，当速度较大的时候，基底信号的频率也随之增大，其频谱会与通频带重叠，必须有效滤除噪声和基底信号才能保证测量的精度。
固定带宽滤波是频率信号处理的一种常用方法，该方法通过限制测量系统带宽来达到滤除噪声的目的，该方法的优点是容易实现，结构简单，但是此种技术只适用于信号频谱和噪声频谱没有重叠的前提下，这样才能把信号和噪声完全分离开来，但实际情况信号频谱和噪声频谱往往是重叠的，只适用于信号频带固定的情况，而多普勒信号的频率是跟随物体的运动速度变化的，尤其是速度变化范围较大时，该方法在测量高速时不能滤除基底信号；时域信号的平均处理技术，该方法在噪声信号是随机分布的情况下，通过对信号进行多次测量取平均值的方法来滤除部分噪声，该方法的优点是计算量相对较小，但是该方法只适用于低频信号的处理，而多普勒信号的频率根据物体运动速度而定，速度快则频率高；自相关检测技术，该技术是运用信号的周期性和噪声的随机性，通过自相关和互相关运算达到去除噪声的一种技术，特别适用于检测混有大量随机噪声中的周期信号，但是多普勒信号中存在基底信号，该基底信号也是周期性的，因此该方法并不能有效滤除多普勒信号中存在的基底信号；频谱分析法，频谱分析仪依次通过滤波放大、混频、窄带滤波检波和平滑等步骤来获取多普勒信号，该方法工作频率带宽高，对信噪比要求不高，但该方法只适用于速度较稳定的情况下，而多普勒信号的频率一直跟随物体运动速度变化而变化，且该方法信息利用率低，测量时间长，效率低；小波变换技术，基于小波变换的降噪方法中所使用的参数需要人为设置，这些参数往往要凭经验获得，而不能根据信号与噪声各自的特点自动产生，所以使用这种方法有一定的复杂性；当自适应滤波器需要较多级数时，结构复杂，而且对参数的设置和状态的初值敏感；频率跟踪法，该方法在宽频范围内均匀放大，且进行窄带滤波，实时易数字化，但要求信号连续且信噪比高，否则可能失去或错误跟踪；光学频移法，该方法通过在光路中添加光学频移器件(如旋转光栅、电光器件)来消除基底信号，旋转光栅转动质量和光栅质量都会影响频移质量，不易控制，而电光器件结构比较复杂，使光路结构趋于复杂化。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，本发明旨在实现实时跟踪多普勒信号频率，有效滤除基底信号，实现较大的速度测量范围，效率高，成本低。为此，本发明采用的技术方案是，激光多普勒信号滤波带自适应选择方法，根据多普勒频率的带宽将滤波的通频带分成四个滤波带，每一滤波带分别由一个固定带宽的有限长单位冲激响应滤波器FIR滤波器实现；四个滤波带是依次进行判断选择的，即按照滤波带1，滤波带2，滤波带3，滤波带4的顺序执行，相邻两个滤波带之间相互重叠；记录自适应滤波前及多普勒频率提取后的时刻，并求出两者的差值即信号处理花费的时间，根据被测物体的最大加速度计算出在时间Δt内被测物体运行速度变化的最大值，根据多普勒频率与速度之间的关系，求出下一时刻多普勒频率变化的最大值Δfd，根据该频率变化最大值来确定四个滤波带之间的重叠部分。
滤波带1的上下限频率为f1L～f1H,滤波带2的上下限频率为f2L～f2H,滤波带3的上下限频率为f3L～f3H,滤波带4的上下限频率为f4L～f4H，则滤波带1与滤波带2之间的重叠部分为f1H-f2L,同理可知滤波带2与滤波带3，滤波带3与滤波带4之间的重叠部分分别为f2H-f3L和f3H-f4L，重叠部分： f1H-f2L＝ f2H-f3L＝f3H-f4L≥Δfd。
激光多普勒信号滤波带自适应选择测试方法，通过光电探测器采集多普勒原始信号，并经过模拟滤波放大电路，再经由AD转换，将数据传送至所述四个滤波带进行滤波，通过信号的滤波带自适应选择，然后将滤波处理后的信号进行FFT变换，提取最终的多普勒频率。
本发明的特点及有益效果是：
本发明提出了一种有效提取多普勒信号的算法，根据多普勒信号的频带以及基底信号跟随多普勒信号频率变化的规律，设置了四个滤波带，并根据反馈回来的多普勒信号自动选择滤波带进行滤波处理，实现了滤波带自适应选择，有效去除了基底信号，从而提取更加准确的多普勒信号，实现了大范围速度的测量。
附图说明：
图1滤波带自适应选择的结构框图。
图2频率为2.265MHz时的测量结果。
(a)原始多普勒信号 (b)普通滤波器输出信号
(c)自适应选择滤波器输出信号 (d)原始多普勒信号频谱
(e)普通滤波后频谱 (f)自适应选择滤波后频谱。
图3频率为3.477MHz时的测量结果。
(a)原始多普勒信号 (b)普通滤波器输出信号
(c)自适应选择滤波器输出信号 (d)原始多普勒信号频谱
(e)普通滤波后频谱 (f)自适应选择滤波后频谱
图4频率为3.770MHz时的测量结果。
(a)原始多普勒信号 (b)普通滤波器输出信号
(c)自适应选择滤波器输出信号 (d)原始多普勒信号频谱
(e)普通滤波后频谱 (f)自适应选择滤波后频谱
图5频率为4.521MHz时的测量结果。
(a)原始多普勒信号 (b)普通滤波器输出信号
(c)自适应选择滤波器输出信号 (d)原始多普勒信号频谱
(e)普通滤波后频谱 (f)自适应选择滤波后频谱。
具体实施方式
本发明的目标在于实时跟踪多普勒信号频率，有效滤除基底信号，实现较大的速度测量范围。本发明基于现场可编程门阵列(FPGA)，设计了一种滤波带自适应选择算法，相比于其他方法能够自适应选择滤波带，响应带宽较大，可以实现大范围的速度测量，效率高，成本低。
实际的激光多普勒信号存在基底信号且该基底信号跟随多普勒信号的频率的变化而变化,本发明针对上述其他方法不能很好的滤除基底信号,提出了一种基于有限长单位冲激响应滤波器(FIR)的滤波带自适应选择算法。该算法可以有效滤除多普勒信号中的基底信号，提取较高精度的多普勒频率，从而达到较高的测量精度。
基于FIR的滤波带自适应选择的实质就是使滤波器的通频带与前一时刻的多普勒频率之间建立联系，从而达到无论多普勒频率如何变化，其始终在滤波器的通频带的范围内。具体的实现方法如下。
根据多普勒频率的带宽将滤波的通频带分成四段，每一段分别由一个固定带宽的FIR滤波器组成。
在算法中四个滤波带是依次进行判断选择的，即按照滤波带1，滤波带2，滤波带3，滤波带4的顺序执行，因此为了任意时刻的多普勒信号能够正常进入其所对应的滤波带，需要相邻两个滤波带之间相互重叠。
记录自适应滤波前及多普勒频率提取后的时刻，并求出两者的差值即信号处理花费的时间，根据被测物体的最大加速度即可计算出在时间Δt(算法运行时间)内被测物体运行速度变化的最大值，根据多普勒频率与速度之间的关系，求出下一时刻多普勒频率变化的最大值Δfd，根据该频率变化最大值来确定四个滤波带之间的重叠部分。
在这里假设滤波带1的上下限频率为f1L～f1H,滤波带2的上下限频率为f2L～f2H,滤波带3的上下限频率为f3L～f3H,滤波带4的上下限频率为f4L～f4H，则滤波带1与滤波带2之间的重叠部分为f1H-f2L,同理可知滤波带2与滤波带3，滤波带3与滤波带4之间的重叠部分分别为f2H-f3L和f3H-f4L，且f1H-f2L＝f2H-f3L＝f3H-f4L≥Δfd,该条件可以保证只有在多普勒频率位于相邻滤波带重叠部分时，才会由于被测物体的大加速度导致的多普勒信号频率的突变，使得多普勒信号频率超过滤波带的上限频率。
假设被测物体的速度为v,且各个滤波带的重叠部分满足上述条件，该速度所对应的多普勒频率位于滤波带1的上下限频率范围内，则当算法开始执行时，如果前一次经过FFT所测得的多普勒频率位于小于f2L的范围内，若在算法运行时间Δt内，被测物体通过自身的加速度，即使达到了最大加速度，会使下一次的运动速度所对应的多普勒频率位于f2L～f1H范围内，而不会超过滤波带1的频率上限，由于四个滤波带的判别条件都是根据上一次的多普勒频率，因此进行条件判别时，由于上一次的多普勒频率位于滤波带1，多普勒信号会继续经过滤波带1，经过这次滤波后得到的多普勒信号的频率已经超出滤波带2的频率下限f2L，因此下一次多普勒信号就会进入下一个滤波带，即滤波带2。而当前一次的多普勒频率位于f1L～f2L时，若滤波带的重叠部分不符合上述条件，即重叠部分小于Δfd，若此时被测物体的加速度达到了最大，下一次的多普勒信号频率就有可能超过滤波带1的上限频率，由于根据上一次的多普勒频率所处的频带，下一次多普勒信就会经过滤波带1，由于此时多普勒信号频率就会超过滤波带1的上限频率，因此原始多普勒信号被滤除，无法得到准确的滤波信号。同理，由滤波带2过渡到滤波带3和由滤波带3过渡到滤波带4的过程也是如此。
实际上，原始多普勒信号中存在的基底信号的频率是随着多普勒信号频率的增加而增加的，通过设置四个滤波带，且滤波带的上下限频率也是随着多普勒信号频率的增加而增加的，因此可以有效滤除基底信号。
假设多普勒信号频率位于滤波带1的上下限频率范围内，此时基底信号的频率小于f1L，当多普勒信号频率位于滤波带2,3,4的上下限频率范围内时，基底信号的频率分别小于f2L，f3L,f4L，因此四个滤波带可以有效滤除基底信号，得到准确的多普勒信号。
本发明的一个实例中，在实验平台上搭建好光路后，首先将算法程序烧至FPGA开发板，然后通过光电探测器采集多普勒原始信号，并经过模拟滤波放大电路，再经由AD转换，将数据传送至FPGA数据接收端，通过信号的滤波带自适应选择，将处理后的信号进行FFT变换，提取最终的多普勒频率。
实验过程中，由于速度在一直变化，因此通过一定时间内的测量长度来间接的反应速度测量的精度。实验数据如表1所示。其中测量速度是通过高精度转盘设定，当转盘转到指定长度后自动停止。由表中数据可知，共测量了十种不同速度下的长度，相对误差在0.1％以下，精度较高。
表1不同速度下的长度测量结果
本发明提出了一种有效提取多普勒信号的算法，根据多普勒信号的频带以及基底信号跟随多普勒信号频率变化的规律，设置了四个滤波带，并根据反馈回来的多普勒信号自动选择滤波带进行滤波处理，实现了滤波带自适应选择，有效去除了基底信号，从而提取更加准确的多普勒信号，实现了大范围速度的测量。
从实验结果图2来看，原始多普勒信号在经过普通的固定带宽的滤波器以及自适应滤波后，基底信号都被滤除，都得到了较为理想的多普勒信号，但是从实验结果图3,4，5来看，当多普勒信号频率发生较大变化以后，经过普通滤波器后虽然基底信号被滤除，但是由于固定带宽的原因，多普勒频率已经超出其带宽，有效的多普勒信号也被滤除，而经过自适应滤波以后，基底信号明显被滤除，谱峰值相对于原始信号而言单一且尖锐，且得到较为准确的多普勒信号。