计数型激光测速仪信号处理器及其应用研究

　　1　引　言

　　流体中所含杂的微粒或固体表面的颗粒对入射激光要产生散射,且散射光所携带的多普勒频率与微粒或颗粒的运动速度成正比。激光多普勒测速仪(简称 LDA)就是通过探测散射光所携带的多普勒频移值来测量流体或固体表面运动的速度[1-2]。由于LDA测量具有不干扰被测对象、空间分辨率高、不需标 定、动态响应快等特点,已被公认为是科学研究中测量复杂流场流动速度的最先进的手段,受到了普遍的重视。

　　由于有效的散射光很弱,又受杂散光、散射粒子尺寸和位置随机分布等的影响,使得LDA光电探测器输出的光电信号随机间断,且信噪比较低,如何从 LDA光电信号中实时地提取出多普勒频移值成为了一个特殊问题。各国学者一直在探索该问题,追求噪声适应能力强、动态响应快和精度高的信号处理方法 [2-4]。

　　目前LDA信号处理研究以讨论数字信号处理方法为主[3-4],因为其具有噪声适应能力强的特点。该方法的工作过程是:先对光电信号进行采样, 再利用软件分析其频率成分,并将最强成分对应的频率值作为多普勒频移量,最终计算出被测速度的大小。随着微机处理速度和各种数字信号处理器件的飞速发展, 该方法的处理速度有了很大的提高,逐步实用化。但由于主要是靠软件分析实现信号提取,处理速度有限,特别是测量精度要求较高时,计算量更大,处理时间更 长,跟踪速度变化的能力受到限制。虽然噪声适应能力不及数字信号处理,但是闪烁计数型信号处理方法具有响应速度快和精度高的特点[2]。同样,受集成电路 高速发展的推动,计数型信号处理方法也有长足的进步。本文研究的以全硬件方式实现的闪烁计数型LDA信号处理器,通过合理设计高-低通滤波放大器、闪烁包 络检测器、计数有效性判别电路,既增强了处理器的噪声适应能力,又进一步提高了处理速度。实际应用结果[5-9]表明:在信号质量相对较好的场合,如在前 向散射接收方式[2]LDA系统中,计数型信号处理器具有较大竞争优势。

　　2　仪器的工作原理以及硬件构成

　　闪烁计数型LDA信号处理器的基本工作原理是:利用高频时钟脉冲填充法,求得所选定的N个多普勒信号周期所持续的时间TN,再算出多普勒频率fD。具体实现原理如图1所示。

　　设高频时钟的频率为fC(周期τc=1/fc),如在TN时间内填充了n个时钟脉冲,则多普勒信号周期为:

　　在N,τc(或fC)已知的情况下,得到n,便可求得多普勒信号频率fD,再由光路参数就可以求出被测速度的大小。

　　实际LDA系统的光电信号很复杂,主要是信号中包含许多噪声,同时在时间上间断,且频率随时间变化。作为LDA信号处理器必须能消除各种噪声的 影响,捕捉信号的出现(闪烁),实时分析出多普勒频率值并记录其变化规律。针对这些基本要求,精心设计了闪烁计数型LDA信号处理器。它主要由四大部分构 成,如图2所示。