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f₀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f₀+Δf_D，其中Δf_D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：

f_det＝40MHz+Δf_D            (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Δf_D，从而得到运 动物体的速度V：

$V=\frac{\mathrm{\lambda \Delta }{F}_D}{2\cos \beta }---\left(2\right)$

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t_g内的信号周期数N，则

$\Delta f_D=\frac{N}{t_g}---\left(3\right)$

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匀或微粒 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，S1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V0在侧后向的速度分量V1和V2，两路测量光束与 目标运动方向的夹角分别为β1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1μs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S1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t_g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t_g，以及在一个t_g内 可能出现的最大周期数N_max和最少周期数N_min，t_g根据测速目标的最大加速度 而定，一个时间段长度t_g内可能的最多周期数N_max和最少周期数N_min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t_a内所含时间段长度t_g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t_g内每个信号周期的长度t_j，并计数当前时 间段长度t_g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N_max和最少周 期数N_min，在N_min≤N≤N_max的情况下，统计当前时间段长度t_g内全部信号周 期长度t_j的分布，并从中求出最频繁的信号周期长度t_m，该周期长度对应的周 期数为N_m，1≤m≤N；

(4.3)若N_m＞1，以周期长度接近t_m的所有信号周期的统计平均值为当 前时间段长度t_g的周期长度t_d，即设定允差δt，统计周期长度在t_m-δt至 t_m+δt间的所有周期的平均值；若N_m＝1，则将N个信号周期长度t_j的平均值 作为当前时间段长度t_g的周期长度t_d；

(4.4)在N＜N_min或N＞N_max的情况下，若k＝1，则令周期长度t_d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t_d作为当前时间段长度t_g的周期长度 t_d；

(5)将当前时间段t_g内的周期长度t_d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t_g为0.5μs。

根据本发明，δt的设定值为t_m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t_g内全部周期N的平均频率，而是分析 各时间段t_g内每个周期的时间值分布，取它们中最频繁的时间值t_d作为该时 间段t_g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。

附图说明

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t_g，以及在一个t_g内可能出现的最多周期数N_max和最少周期数N_min。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(2)、式 (3)确定时间段长度t_g，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t_g为0.5μs。一个时间段长度t_g内可 能的最多周期数N_max和最少周期数N_min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0m/s。由于散射光束接收点S1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t_g(0.5μs)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，N_min取值为小于 (0.8×18.6×10⁶×t_g)的第一个整数7、N_max取值为大于(1.2×40×10⁶×t_g)的第一个 整数24。

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t_a内所含时间段长度t_g的数量M， M为小于t_a/t_g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t_g内每个信号周期的长度t_j，并对当前时间 段长度t_g内包含的信号周期计数，j＝1～N，这里j对应于时间段t_g内第j个 信号周期，N为该时间段长度t_g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N_max和最少周 期数N_min。在N_min≤N≤N_max的情况下，统计当前时间段长度t_g内全部信号周 期长度t_j的分布，并从中求出最频繁的信号周期长度t_m，该周期长度对应的 周期数为N_m，1≤m≤N。所谓信号周期长度分布是指：设当前时间段长度t_g内共有L个不同的周期长度t_i(i＝1～L)，统计出对应每个周期长度为t_i的周 期个数N_i(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N_i(i＝1～L)中的最大值N_m，该最大值对应的周期长度即为t_m。

(4.3)如果找到t_m，即N_m＞1时，逐个比较全部信号周期的分布，以周 期长度接近t_m的所有信号周期的统计平均值为当前时间段长度t_g的周期长度 t_d，即：

$t_d=\frac{\Sigma N_i{t}_i}{\Sigma N_i}$(t_m-δt＜t_i＜t_m+δt)

δt为所述的周期长度接近t_m的允差，在本实施例中，δt的值设定为t_m的 5％。

如果找不到t_m，即N_m＝1时，说明本时间段t_g内每一个信号周期的长度都 不相同，则将N个信号周期长度t_j的平均值作为当前时间段长度t_g的周期长度 t_d，这也就是传统的周期计数法的处理方法：

$t_d=\frac{\Sigma t_j}{N}$(j＝1～N)

(4.4)在N＜N_min或N＞N_max的情况下，如果是第一次调用频率解调子 程序，即k＝1，则令周期长度t_d为测速目标在静止状态下多普勒信号的周期 长度，即取t_d为1/40μs。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t_d作为当前时间段长度t_g的周期长度t_d。

第五步，按照下式将当前时间段t_g内的周期长度t_d转换为当前频率值：

$f_{\det }=\frac{1}{t_d}$

第六步，根据式(1)和式(2)将信号的当前频率值转换为测速目标的 当前速度值，并将当前速度值送入计算机的显示器进行显示；

第七步，重复第四～六步，直到k＝M，此时，计算机显示屏所显示的是 一条速度随时间变化的曲线，保存计算结果。

本发明基于给定时间段长度t_g内的周期分布统计，简称为“周期分布解调 法”。这一解调方法是从分析应用系统所获取的多普勒信号特性得出的，适用 于固体目标从静止状态开始运动的速度测量。

下面结合本实施例对本发明产生的技术效果进行分析。

对于附图4所示的在给定时间段内多普勒信号的大多数周期的长度基本 不变，也存在个别周期的长度变宽或变窄的情况，本发明的频率解调处理子 程序分析给定时间段t_g内每个信号周期的时间长度分布，再取它们中最频繁的 时间值t_d作为该时间段t_g内的周期长度，可以有效消除因个别周期长度异常引 起的多普勒频率计算误差。在更一般的情况下，散射光波不稳定性也会引起 信号局部丢失、噪声等现象，按照本方法所述的解调处理步骤，通过信号限 幅处理可以消除信号顶部或底部噪声(在本实施例中不必考虑信号底部噪声) 对解调结果的影响；步骤(4.4)对应当前时间段长度t_g的信号存在十分显著 的周期变宽或变窄、信号局部丢失或噪声等现象，在这些情况下，用前一个 信号正常的时间段求出的周期长度作为本时间段的处理结果，由于测速目标 的机械运动速度变化频率远低于多普勒信号的频率，这种方法可以排除个别 时间段的信号严重失真对多普勒频移处理的影响。因此，本发明提出的多普 勒信号周期分布解调方法对目标速度的处理精度比传统的周期计数法高。

将本发明的多普勒信号时域解调方法应用于背景技术部分所述的气炮激 励高冲击校准系统，解调处理所获得的两条速度分量曲线V1和V2图示于附 图7，图中为了便于观察，将速度分量V2曲线倒置显示。与附图3中同一应 用系统通过测速仪硬件解调后获取的速度曲线相比较，可以看出速度曲线上 突变的毛刺得到有效抑制。对所获得的速度曲线进行低通滤波，即可获得平 滑的目标速度的变化曲线。