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1、第13卷 第3期实 验 力 学Vol.13No.31998年9月JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSSep.1998X激光测速数字相关信号处理器的研制沈熊 张松 董鹏 于金凤(清华大学工程力学系,北京,100084)摘要 激光多普勒测速是当代流速测量技术中最具有实用价值和得到广泛应用的技术。多普勒信号处理器在整套测速系统中起着十分关键的作用。为赶超国际先进水平,本文作者独立研制开发出一种新型信号处理器。该处理器采用数字相关原理,对每个多普勒波群直接完成波群检测和自相关处理,得到其频率值。处理器与微机组成一体,各种参数的设置和控制全部采用软件。
2、实测和应用表明,该信号处理器具有抗噪声能力强、功能完善、结构紧凑、成本低等优点,为实现智能化的信号处理和数据处理结合的激光测速系统创造了条件。关键词 激光测速 信号处理 数字相关1 引言 激光多普勒测速(LDV)是流体力学实验中一种重要的测量方法。它具有非接触测量、线[l]性特性、较高分辨率和快速动态响应等特点。LDV技术应用已遍及机械、动力、航空、水力、海洋、核能、化工、医学等部门。信号处理器是LDV系统中的重要组成部分。目前,国际上的LDV信号处理系统的性能已经发展得很高,功能强、体积小、重量轻的数字瞬态采样型信号处[2,3]理系统已取代旧式系统。但国内还没有
3、成熟的LDV数字信号处理器的产品出现,许多地方仍在使用旧式跟踪型和计数型处理器,从国外进口则价格昂贵。因此,研制国内自己的LDV数字信号处理器是一个相当紧迫的课题。本文作者研制的新型激光测速信号处理器,采用了80年代发展起来的数字波群相关技术(简称DBC)。它的主要优点有:1.利用自相关噪声抑制作用,使对信噪比的要求降低,数据有效率大大增加;2.使用双钳位技术,使多普勒频率测量可以在一位数字上进行,从而提高了数字化速率和实时性能;3.利用自动可选采样率方法,实现采样率的最佳化,提高测量精度;4.采用全自动检测技术,简化操作过程,排除了旧式信号处理器依赖操作者技术水平
4、和流动知识的弊病。同时,配套软件做到了信号采集及数据处理的智能化和一体化,改变了旧式系统中信号[4]处理和数据处理互相分离的局面。X国家自然科学基金资助项目本文于1998年1月30日收到©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第3期 沈熊等:激光测速数字相关信号处理器的研制 2952 数字波群相关处理器2.1DBC基本原理由激光测速仪光学系统得到的电信号中包含有基座信号,且信号振幅很小。经过滤波放大后,便可得到图1所示的去除了基座后的典型多普勒
5、信号,数字波群相关器就是用来确定信号[5]的多普勒频率的。DBC技术是通过计算信号的双钳位自相关函数的周期来获得原始信号周期的。这样,可以从混有噪音与多普勒信号中提取所需的信号,剔除噪声。图1 典型多普勒信号自相关函数一般形式如下:+∞R(T)=1öR(0)∫f(t)×f(t+S)dt(1)-∞ 离散型自相关函数n-1R(j)=1öR(0)6x(i)õx(i+j)(2)i=0 其中x(i)和x(i+j)分别是f(t)和f(t+S)离散N位和M位的采样值。R(j)是j个采样延时的自相关函数。若M和N大于1,则为多位自相关。若N大于1而M等于1,则是单钳位自相关,若
6、M和N都等于1,则是双钳位自相关。一个无量纲化的理想自相关系数1öR(0)的值应该等于1。在离散双钳位自相关中将为n-1R(j)=6x(i)õx(i+j)(3)i=0这样,x(i)和x(i+j)的乘积可以用专门硬件“XOR”运算来完成,大大简化了系数的计算。实际应用中,采样点数为256,则(3)式改写为:127R(j)=6x(i+64)õx(i+j)(4)i=0128个R(j)系数可以从256个输出信号的数字采样值算出。由于波群信号中间部分的信噪比较高。采样块中间部分的重复利用可以提高信号的有效性。图2中展示了方程(4)对不同信号噪声情况下的双钳位自相关函数。当信噪
7、比较好时,多普勒信号经双钳位的信号为标准方波,其自相关函数为三角波。当信噪比较差时,自相关函数更象余弦波,但自相关函数的过零点保持相对稳定。可以证明,即使是带有很大噪声的多普勒信号(信噪比低至-5dB),其自相关函数的周期仍能准确地代表原始信号的周期。因此,可以通过计算自相关周期获得多普勒频率。13Freq=Cö(DSp)2C=相关图中函数的过零次数(有效半周期)D=第一个和最后一个过零点之间延时数差©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.2
