基于多普勒效应的速度测量仪毕业设计

III基于多普勒效应的速度测量仪摘 要流场中有各种物理量，比如压力，密度，速度，其中以速度测量最为复杂。传统的测量方法，如热线热膜流速计、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等是接触式的，必须把探头插入流场，对流场有较大干扰，影响测量的真实性和可靠性，并且对于一些特殊的流场如高温烟气、喷燃火焰、腐蚀性流体等也不便于进行接触式测量。而激光多普勒测速技术(LDV，Laser Doppler Velocimetry)是一种非接触式测量方法。它以光的多普勒效应为理论基础，利用流体中的散射粒子对入射激光进行散射，并通过光电探测器探测散射光的频率变化，这种频率变化通常称为频移，根据其中包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈线性关系)得到流体的运动速度。其动态响应快、空间分辨率高、测量范围大，在测量精度以及实时性上都具有突出的优点。本文分析比较了现有的激光多普勒测速技术。针对已有激光多普勒测速仪适用面窄，信号处理能力有限，稳定性和测量精度较差等缺点，提出了一种基于数字信号处理技术的激光多普勒测速仪设计方案。本文详细介绍了多普勒信号的处理方法，给出了多普勒信号采集卡的硬件实现方案。第一章叙述了研究该课题的目的和意义。通过对现有激光多普勒测速技术的分析比较，证明了研制数字信号处理式激光多普勒测速仪的可行性和必要性。第二章分析了激光多普勒测速仪的工作原理，对差动LDV模型进行了简要介绍，推导出激光多普勒信号的数学模型。在参考现有LDV光路系统的基础上对传统的差动式LDV模型进行了改造，给出了一种新的光路系统设计方案:一维差动偏振式光路系统。第三章详细介绍了数字信号处理式激光多普勒测速仪的设计方案。其中包括基于TMS320C6713的多普勒信号采集卡硬件电路(前向通道、数据存储部分、主机通信部分)和软件设计(外扩EEPROM的在线编程、数据采集卡boot程序、数据采集卡驱动程序)。第四章给出了多普勒信号处理的具体方法。主要是以FFT变换为基础的周期图法和峰值逼近法。第五章对全文进行总结，给出了多普勒信号处理的改进措施。关键词:多普勒效应,激光多普勒测速(LDV),数字信号处理,TMS320C6713,FFT,峰值逼近The Speed Measuring Instrument Based on Doppler EffectABSTRACTThere are various physical quantities in the flow field, such as pressure, density, velocity, of which the most complex velocity measurement. Traditional measurement methods, such as HWFA, piezoelectric sensor, mechanical flow meter, electromagnetic flow meter, is the contact, and must probe into the flow field, flow field have a greater interference of the true measurement And reliability, and for some special fields such as high temperature gas flow, burner flame, corrosive fluids are not convenient for contact measurement. The laser Doppler velocimetry (LDV, Laser Doppler Velocimetry) is a non-contact measurement method. It is the Doppler effect of light based on the theory, the use of scattering particles in the fluid in the scattering of incident laser and scattered light through the photoelectric detector of the frequency change, this frequency is often referred to as frequency shift, according to which contains Speed information (light scattering frequency shift and a linear relationship between particle velocity) are the fluid velocity. The fast dynamic response, high spatial resolution and wide measurement range, measurement accuracy and in real time, both have outstanding advantages.This article analyzes and compares existing variety of LDV technology. According to existing LDVs deficiencies such as limited signals processing ability,poor adaptability and low precision，a new design scheme of the LDV based on digital signais processing is inctroduced in the artiele. The first chapter describes the study purpose and significance of the subject. By laser Doppler velocimetry of the existing analysis and comparison, show the development of digital signal processing laser Doppler velocimetry of the feasibility and necessity. Chapter II of the laser Doppler velocimetry of the working principle of differential LDV model is introduced to derive the mathematical model of laser Doppler signal. In reference to the existing LDV optical system based on the traditional differential LDV model was modified, given a new design of optical systems: one-dimensional differential polarization type optical system. Chapters III detail the digital signal processing laser Doppler velocimetry of the design. Including the TMS320C6713-based Doppler signal acquisition card hardware circuit (prior to the passage, data storage part of the host communication part) and software design (EEPROM foreign expansion of online programming, data acquisition card boot process, data acquisition card drivers.)Chapter IV gives the specific method of Doppler signal processing, mainly based on FFT, period gram-based method and the peak approximation.Chapter V summarizes the full text, given the Doppler signal processing improvement.Keywords: Doppler Effect, Laser Doppler velocimetry (LDV) ,digital signal processing, TMS320C6713,FFT,peak approximation朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典V目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 本课题的研究意义11.2 现有LDV的原理和性能比较21.3 本文的主要内容42 激光多普勒测速仪测量原理52.1 LDV测速原理的实现52.1.1 光的多普勒效应52.1.2 差动式LDV72.2 多普勒信号的条纹模型82.3 差动LDV技术的改进102.3.1 方向的鉴别102.3.2 消除基座信号112.4 多普勒信号的特点142.5 课题所采用的光路系统153 基于DSP芯片的激光多普勒测速仪设计183.1 整体硬件结构框图183.2 中央处理单元193.3 前向通道213.3.1 前向通道简介213.3.2 前置放大器223.3.3 低通滤波器243.3.4 AD转换器253.4 数据存储部分293.4.1 TMS320C6713EMIF简介293.4.2 FLASH接口313.4.3 SDRAM接口323.5 主机通信部分333.5.1 TMS320C6713HPI简介333.5.2 PCI总线简介353.5.3 PCI9052简介373.5.4 硬件连接393.6 FLASH在线编程413.6.1 FLASH的在线编程方案413.6.2 COFF文件转换工具423.6.3 FLASH在线编程的实现433.7 TMS320C6713的boot程序443.8 信号采集卡驱动程序463.8.1 VxD简介463.8.2 WinDiver简介483.8.3 PCI总线驱动程序504 多普勒信号的处理524.1 多普勒信号处理524.1.1 信号处理方法的选择524.1.2 周期图法及其改进措施524.1.3 周期图法的实现544.2 多普勒信号频率的逼近595 总结与展望61致 谢63参 考 文 献6363基于多普勒效应的速度测量仪1 绪论1.1 本课题的研究意义流场测试是测量流场中每一点的物理量及其随时间的变化。这些物理量有压力、密度、温度、速度等，其中以流场的速度测量最为复杂，它对测量仪器提出了如下高要求:放入流场中的检测元件必须足够小，它对流场只引起极小的可容许的扰动;在元件所占据的区域中，瞬时速度的分布应是均匀的，这意味着检测元件应该比湍流中最小的涡还要小些;仪器的惯性必须低，这样一来，即便对于最迅速的脉动而言，它也可做出瞬时的响应;由于脉动量往往只有主流的百分之几，因此仪器必须充分灵敏，以便可以反应脉动量;仪器必须是稳定的，至少在一个实验的运转期内它的校准参数不应发生明显的变化。传统的测量方法，如热线热膜流速计、毕托管、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等自发明以来为流动领域的研究和发展起了极大的促进作用，但是这些测量方法是接触式的，必须把探头插入流场，对流场有较大干扰，影响测量的真实性和可靠性，并且对于一些特殊的流场如高温烟气、喷燃火焰、腐蚀性流体等也不便于进行接触式测量。激光多普勒测速技术(LDV，Laser Doppler Velocimetry)是一种非接触式测量方法，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光进行散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系)得到流体或固体表面的运动速度。它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米):获得分辨率为20100微米的极高的测量精度;而且从原理上讲，LDV响应没有滞后，能跟得上湍流的快速脉动;它还可以实现一维、二维、三维的速度测量;从原理上看LDV输出信号的频率和速度成线性关系，它能覆盖从每秒几毫米到超音速很宽的流速范围，且测量不受压力、温度、密度、粘度等流场参数的影响.总的来说，LDV动态响应快、空间分辨率高、测量范围大，在测量精度和实时性上都具有突出优点。现在LDV已成为科学研究和实际工程中测量固体表面运动速度和复杂流场流动速度的一种有力手段，甚至己经从最初的流速测量领域扩展到风洞速度场测量、边界层流测量、二相流测量，以及喷气过程和燃烧过程的研究。自从1964年第一台激光多普勒测速仪问世以来，国内外学者针对多普勒信号的特殊性进行了大量研究，研制出了各种用于激光多普勒测速的专门仪器，但它们几乎全部采用模拟器件实现。近十年来，随着计算机技术的飞速发展，尤其是数字信号处芯片(DSPs)的出现，人们开始考虑采用数字信号处理的方法对LDV信号进行分析:首先对光电探测器输出的多普勒信号进行预处理，然后通过A/D转换器得到离散的的多普勒信号序列，最后利用DSPs对信号序列进行运算处理，提取多普勒信号频率。这种方法与现有的各种模拟信号处理方法相比具有更好的稳定性和抗干扰性;其系统可以在通用计算机上开发，实现容易，成本低，而且数字信号处理运算可以方便地根据实际情况进行修改(通常只要改变程序，或对寄存器重新加载即可实现);另外，数字信号处理运算单纯地基于加法和乘法，这使得它具有稳定的处理性能。在采用数字信号处理技术的LDV系统中，多普勒信号的处理至关重要。这是因为LDV系统中的光电探测器接收的是粒子散射光，其强度本身就比较微弱，而且信号还受到诸如光路系统、杂散光、光检测器件噪声、散射粒子尺寸和位置分布以及粒子浓度等因素的影响。这就造成了激光多普勒测速系统的光电信号具有信号弱、噪声干扰大的特点，还伴有信号脱落(即信号不连续)现象。并且多普勒信号的频率一般都较高，通常在KHz的量级上，当流速较高时达到几十兆赫兹，甚至上百兆赫兹(如运用于高速风洞的测量)。当运用于湍流流场的测量时，信号频率还会有较大范围的波动。要从质量这么差的高频信号中尽可能地提取我们所需的信息，同时必须满足实时性、精度、测速范围的要求，这对LDV系统的硬件设计和软件编程无疑提出了很高的要求。努力改进LDV系统的光路结构，优化多普勒信号处理方法，将数字信号处理技术运用于多普勒信号的分析处理，将有助于提高LDV测速系统的性能，为相关学科的发展提供强有力的实验技术支持;同时研究多普勒信号的处理方法也具有普遍意义，可以为其它类型信号的分析与处理提供参考和借鉴。1.2 现有LDV的原理和性能比较现有的激光多普勒测速仪种类较多，按照其工作原理可分为频谱分析型、滤波器库型、频率跟踪型和计数型。(1)频谱分析型频谱分析型激光多普勒测速仪是最早出现的LDV之一，其测量对象是多普勒信号的功率谱或与其等价的多普勒频率的概率密度函数。它采用一中心频率可调的窄带带通滤波器匀速扫过所研究的频率范围以分辨输入信号的各种频率分量并进行显示和记录。频谱分析是LDV用于诊断目的时最通用的方法。在不利的条件下，频谱分析法对做初步测量是非常有用的:在稳定流动中，即使非常差的信号质量或者非常不连续的信号也可以实现频谱记录。其工作频率范围很宽，最高可达100MHz。同时它也具有几个主要缺点:因为在窄频带外面的所有信号都去掉了，所以这种方法不能充分地利用有用的信号;要获得由许多粒子信号所构成的可靠频谱需要很长的测量时间，因此频谱分析法不能给出瞬时速度的实时记录;以模拟形式来处理频谱既缓慢又麻烦。(2)滤波器库型滤波器库型激光多普勒测速仪的工作原理与频谱分析型相同，不过滤波器库使用的不是单个滤波器，而是调谐在量程中不同频率上的许多并行滤波器，所以多普勒频谱的建立时间就要快得多。滤波器库法比频谱分析法更有效，因为所有存在的多普勒信号都能同时影响滤波器库的输出。它具有比其他方法好得多的信噪比，在处理质量差的间断多普勒信号时极其有效。但是由于实际上我们只能采用有限个滤波器，它的分辨率比较粗，因而只适合于高湍流流动而不适合于精确测量。并且由于滤波器频率的固定分布，它对于频谱分布不宽的低湍流度测量并不合算。(3)频率跟踪型频率跟踪型激光多普勒测速仪是一台带有频率负反馈系统的解调器。它可以自动跟踪频率调制信号，并且把信号频率变为模拟电压，把调制信号的频率变为模拟电压的变化频率，得到一个始终正比于所测流体速度的模拟信号。频率跟踪型激光多普勒测速仪最大的优点在于实时性很好，可以得到正比于瞬时速度的实时信息，与频谱分析仪相比，其数据的获得和处理要快得多。但是频率跟踪器要求输入信号必须是连续的，这就必须保证流体中具有较高的粒子浓度，除非机内有良好的脱落保护;另外它能测量的最大湍流强度受动态响应、跟踪范围和转换速率的限制;对于大多数跟踪器来说，最大的瞬时多普勒频率为20MHz或略低一些，随着信噪比降低性能变坏，并且有可能跟踪假信号。(4)计数型计数型激光多普勒测速仪是一种计时装置。它的主要工作是测量规定数目的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间就是粒子穿越测量区域中同样数目的条纹所需的时间，利用快速数字电子装置就可以得到多普勒信号频率和对应的粒子瞬时速度。计数型激光多普勒测速仪的设计、制造和应用非常经济;适用于粒子稀少的流动场合，即使多普勒信号不连续也能快速地得到瞬时速度信息;此外，它是一种时域的处理方式，没有仪器的动态响应问题，也没有粒子有限渡越时间加宽的影响，因而可以达到较高的时间分辨率;但计数法对于噪声非常敏感，不适于噪声较强的情况。表1-1 各种LDV性能比较LDV信号处理器跟随速度脉动的能力工作于非常间断的信号从噪声提取信号的分辨力典型精度%能处理的最大频率MHz频谱分析仪差行好（在一定时间内）1100滤波器库信号处理器好行很好2-5100频率跟踪器好不行好0.515计数式信号处理器好行尚好0.5100表1-1对以上各种LDV性能进行了总结，可以看出，现有的LDV种类虽多，但没有哪一种方法能适用于所有的情况。同时，对于模拟信号处理手段而言，它们在进行复杂信号处理时只有有限的能力，从而造成处理的不灵活性和系统时间的复杂性。对于不同的信号，一个特定的模拟信号处理系统往往不能都获得满意的效果。1.3 本文的主要内容本文通过对现有激光多普勒测速系统的结构、原理、适用范围进行分析比较，提出了一种新型数字信号处理式激光多普勒测速仪的设计方案。介绍了该方案的硬件实现、软件算法。具体来说，本文所做的工作包括:(1)参考已有的激光多普勒测速仪光路系统，对传统的差动式光路进行改良，提出了一种新的光路设计方案:一维偏振差动式光路。该光路不仅可以实现多普勒基座信号的光学滤波，而且具有良好的对偶消噪性能。(2)在信号处理方面采用了以FFT为基础的周期图法和峰值频率逼近算法。首先对采所得的多普勒信号序列加窗，然后进行FFT变换，求出该信号的功率谱估计。在功率谱估计的基础上采用峰值频率逼近算法求出多普勒信号的频率。最后利用公式(2.10)求出频率对应的流速。这种算法易于实现、计算量小，很好地满足了系统的实时性需求。在信号处理程序中根据水流速度对AD转换器的采样率进行了分段设置，这在很大程度上减轻了数据采集卡的存储量和运算量。(3)给出了基于DSP的多普勒信号采集卡设计方案。其中包括前向通道部分、数据采集卡与主机通信部分和数据存储部分。前向通道为全差分结构，具有优良的抗干扰性能并可手动调节信号增益。采集卡与主机的数据传输由PCI总线接口芯片PCI9052完成，不仅解决了高速数据传输的瓶颈问题，而且不会造成资源的浪费。在硬件编程方面采用仿真模式下的在线编程方法实现TMS320C6713的外部EEPROM写入，这种方法省去了使用编程器反复擦写的繁琐过程。2激光多普勒测速仪测量原理2.1 LDV测速原理的实现2.1.1 光的多普勒效应多普勒效应是LDV测速方法实现的理论基石。任何形式的波的传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化，奥地利科学家多普勒(Doppler)于1842年首次研究了这个现象:当观察者向着声源运动时，他所接收到的声波会较他在不动的情况下来的频繁，因此，听到的是较高的声调;相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低;假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象。后来就把这种频率变化称作为多普勒频移。爱因斯坦1905年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。1964年Yeh和Cummins首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。静止的观察者图2-1 运动光源产生的多普勒效应如图2-1所示，我们考虑一个以速度运动的光源，其光波的传播方向为了，光源原本与观察者的距离为，当光源运动时，光波从光源到观察者的空间距离被压缩到。那么静止观察者所记录到的光源的波长就变为: （2-1）对应的频率为: （2-2）其中v为光波的原始频率，c为光速。考虑到光传播速度远大于光源运动速度，则得出频移量近似为: (2-3)当光源静止而观察者运动时，由于观察者本身的运动使它越过波前比光源发射的光波前多或少，如图2.2所示，我们观察到光波的频率为: (2-4)其中为观察者运动的速度矢量，为光波传播的方向。由此引起的频移为:观察者的速度图2.2 运动光源产生的多普勒效应在实际运用时，我们更为关心的是运动物体所散射的光的频移，此时光源和观察者是相对静止的。我们可以把这种情况看作是一个双重多普勒频移来考虑，即运动物体接收从静止光源发出的光波又重新发射给一个静止的观察者，这可以看成是前面两种情况的综合。运动物体所接收到的静止光源的光波频率可由式(2-2)给定。由于运动物体相对于接收者是运动的，当光从运动物体反射到接收者时，光波的频率再次经多普勒频移，故得到的最终频率为: (2-5)式中，为运动物体的速度矢量，是沿静止光源到运动物体方向上的单位向量，是沿运动物体到静止接收者方向上的单位向量。于是可以得到的总的频移为: (2-6)2.1.2 差动式LDV激光多普勒测速仪的速度测量正是基于上一部分的理论实现的。在LDV系统中，激光器作为光源，悬浮在流体中的粒子对入射激光束进行散射，因此可以把这些粒子看成是运动的光波接收者和传送者。根据式(2.6)可知，只要检测出经频移后的散射光波频率，就可以得到粒子速度。如果示踪粒子体积等参数选取得当，则其速度就可近似认为是流体的速度。但是直接用光检测器来探测运动粒子的散射光波频率是行不通的，这是因为受到器件响应时间的限制，现有检测器不可能检测出光波的频率，所以在实际运用时必须采用特殊的光路设计使接收到的光波频率在光检测器响应能力范围之内。目前使用最广的是差动LDV，它是1974年由Durst和Stevenson首次提出的，在此我们以差动多普勒光路布置来说明LDV测速原理的实现。差动LDV是利用散射光的多普勒效应，经过光混合求得散射光的多普勒频差，最后确定流体速度的技术。如图2-3是差动LDV系统的光路简图:两束具有平面波前的相干激光(在两束高斯光束的光腰区域可以认为是这种情况)在空间相交成2角，其相交区域形成测量区域，即差动LDV测速系统的探头.将测量区域置于流体中的侧速点，流体中存在着人为施放或本身含有的微小粒子。当粒子穿过测量区域时就会对两束光中的每一束进行散射。利用光学器件接收这些散射光，在光电检测器的阴极进行混合。通过LDV信号处理器求出该光电信号的频率就可以得到被测点的流速。图2-3 差动多普勒铡速系统光路简图粒子穿越测量区域时会对两束激光中的每一束进行散射，根据多普勒效应原理，经过频移后的两束散射光的频率可由下面的关系式得到: (2-7) (2-8)其中，分别为两束激光的光传播方向，为粒子速度，为运动物体到静止接收者方向上的单位向量，为激光频率。这两束不同角度的散射光将会产生干涉，进行光学混频，从而形成一个差拍信号，差拍信号的频率由两个频率之差给定。当粒子速度远小于光速时，此频差可近似为: (2-9)这个频率是可以为现有的光电检测器所检测到的。按图2-3(b)的符号把式(2-9)写成标量形式，得: (2-10)上述两个式子就是一维差动多普勒测速公式。其中为在方向上的速度分量的大小，角是双光束夹角的半角，是入射光的波长。对一个确定的光路，是一定值，称为差动式LDV测速系统的光路常数。从式(2-10)可以看出，在差动LDV里多普勒频差只和入射光的方向、波长、粒子运动速度有关，并且多普勒频差与粒子速度保持线性关系。只要求出即可求得测点的流速。2.2 多普勒信号的条纹模型1974年Rudd提出了差动多普勒信号的干涉条纹解释，利用干涉条纹模型可以很容易地理解差动多普勒系统的工作情况，并且很好的推导出差动多普勒信号的数学模型。 图2.4 相交光束干涉条纹条纹干涉模型将激光多普勒信号看成是由一组干涉条纹产生的。在差动多普勒系统中，两束模激光在光腰区相交形成测量区域，通过光学知识我们可以分析得出测量区域的形状为一个椭球，其中分布着明暗相间的干涉条纹，条纹间距可用以下公式表示: (2-11)也就是差动式LDV测速系统的光路常数。当示踪粒子以速度厅通过测量区域时，粒子将穿过这些平行的干涉条纹，在亮条纹区时，粒子散射的光多，在暗条纹区时，粒子散射的光少。因此，如果用一个光探测器来接收这些散射光，所接收到的光强将按粒子穿过这些条纹的速度波动，也就是以粒子切割条纹的频率对光信号进行了调制，此频率为: (2-12)其中各参数的定义同式(2.10)。这个频率即为差动多普勒频率，它与式(2-10)表示的一维差动多普勒测速公式相同。由于用于多普勒测速的大多数激光器是非常近似地工作在 (横向磁场)模式的理想激光器，这种模式的激光束在光腰部位的相位波阵面可以看作是一平面波，且其强度符合高斯分布。光的这种分布可以用光束中心的最大强度和光束半径来表示，是从光束中心到光强为点的距离。在光平面内光强为半径的函数，可以表示为: (2-23)此式所表示的光强分布如图2-5(a)所示。测量区域中的各涉条纹的光强也符合高斯分布。（a）高斯光强分布（b）干涉条纹的光强分布图2-5 测量区域的光强分布由于多普勒信号是由粒子切割条纹，并散射条纹的光而产生的，因此信号的强度也将发生变化，即信号光强在受到频率调制的同时还受到了幅度调制。那么综合来看，单个粒子穿越测量区域所产生的信号其幅度包络对应于测量区域光强的高斯分布，而光强变化的频率则对应于粒子切割条纹的频率，如图2-5(b)所示。由此可以得到单个粒子信号的数学表达式为: (2-14)其中A是粒子的信号幅值: 为粒子到达测量区域中心线的时间: 为激光多普勒频移; ，粒子穿过测量区域的有限渡越时间，即信号闪烁持续的时间，为测量区域积中的干涉条纹数。2.3 差动LDV技术的改进2.3.1 方向的鉴别速度方向的鉴别是LDV中的一个基本问题。从式(2-9)可以看出:多普勒差频是两个频率之差，不可能知道哪个频率较高，因此速度方向的变化对产生的频率没有差别。在某些应用中流动的方向是知道的，而且总是相同的。但是在许多LDV技术最有用的场合，如回流区和脉动流区中包含着反向速度。Durst和Zare于1974年指出了这一事实，并且在假想的流动情况下简要的说明了由于方向模糊性而产生的误差。对于一维湍流流动，它的概率密度为，则流动的平均速度和均方脉动可以用以下公式计算: (2-15)当存在方向二义性时，在数值处理时将把负向速度和正向速度值认为是等同的。这样，同样的流动所测得概率密度变为了: (2-16)由此计算得来的概率密度存在着误差，且误差将随湍流度的增加而快速上升。那么由速度概率密度计算出来的平均速度和均方脉动值必然与实际情况存在出入，并且可能相差很大。所以方向的鉴别是必不可少的。图2-6 引入光线平移后的干涉条纹最常用的办法是利用光线频移技术，使两束相交激光之间产生频率差，这样可在测量区域中得到一组运动的干涉条纹，如图2-6所示，干涉条纹的运动速度为: (2-17)测量区域中一个静止的粒子产生的信号频率等于。粒子运动方向与条纹运动方向相同时信号频率变低，相反时频率变高。此时差动多普勒技术得到的信号表达式为: (2-18)采用旋转衍射光栅、声-光技术、电-光技术等都可以实现光学频移。目前使用最多的是专门为激光多普勒测速仪设计的频移器，它结合了多种频移技术的优点，频移量可以根据使用环境方便地调节，使后续信号处理器获得最佳的输入信号频率。2.3.2 消除基座信号在上面的部分中讨论了单个粒子穿越测量区域时所产生的信号的情况，然而在实际情况下，入射的激光束也存在于流体中，那么就存在这样的情况:有部分粒子会穿过光束，产生一个散射光信号，这个散射光信号称为基座信号。由于入射激光束光截面强度为高斯分布，所以信号基座幅度也为按高斯分布，且是个低频信号。基座信号与差动多普勒信号同时存在，并叠加在多普勒信号上为光检测器共同接收，如图2-7实际上光检测器所得的信号表达式为: (2-19)这是我们所不希望的，因而在对多普勒信号进行处理前必须把基座信号和我们所需的多普勒信号分开。图2-7 基座信号与差动多普勒信号的叠加通常情况下，基座信号的频率位于多普勒信号频带之外，我们可以利用高通滤波器将多普勒信号和基座信号分开。但是，当平均速度趋于零或湍流度增大时要确定高通滤波器的截止频率，使其去除基座信号就变得困难了。尤其是实际的滤波器都具有有限陡度，滤掉较低频率的多普勒信号的可能性增加了。传统的差动多普勒测速仪通常采用光学频移来解决这一问题。光学频移利用光线频移技术使得两束相交激光具有一定的频差，这样可以提高多普勒频率而不改变基座信号的.频率，高通滤波器的截至频率也就不会达到临界，如图2-8所示。但是，当需要测量流体中的不同部位时，要用不同的频率量程测对应的多普勒信号，这就必须在每次测量时对高通滤波器的截止频率进行调整。这必然增加了多普勒信号处理器的复杂度，使测速工作变得繁琐。Bossel、Hiller和Meier于1972年首次采用偏振差动式光学系统进行了基座消除，成功的解决了这一问题，图2-9给出了该系统消除基座信号的光路图。图2-8 频移消除基座谱的影响图2-9 改进的差动多普勒测速系统光路简图涯拉斯通棱镜是一种双折射棱镜，它可以将一束入射光分解为偏振方向互相垂直的两束。当入射光的振动方向垂直于入射面时折射光只有寻常光;入射光的振动方向在入射面内时折射光只有非常光;入射光的振动方向为斜向时，双折射的两束光强度按振幅分解来计算。一束入射激光经过涯拉斯通棱镜后得到两束分开的，偏振面互相垂直的线偏振光。两束线偏振光相交后其测量区域里没有明暗相间的干涉条纹，但偏振态将按照普通条纹间距的周期而循环变化。如果光束的偏振方向是水平和垂直的，横穿测量区域偏振态将以这样的方式变化:从与垂直方向成45度的线偏振经过圆偏振变到与水平方向成45度的线偏振，再返回到原偏振态。这样，假如散射光的偏振方向保持不变，从穿越测量区域的粒子接收到的光的偏振态将以同样的方式变化。散射光被聚焦到第二棱镜上，它的主轴置于入射光的偏振平面中。由收集透镜和第二棱镜所形成的两个焦点被引导到双光电器件上。每个光电器件得到的信号频率相同，但相位相差180度。将这两个信号通过差分放大器就可以得到一个对称的正弦信号，它具有正确的多普勒频率，这样就消除了信号基座。如果粒子穿越只有一束光照射的区域，散射光的偏振方向或是垂直的，或是水平的，两只光电检测器的响应相同，没有差动信号产生。假定该系统是调整好了的，两个光电器件产生的信号能用下面的方程加以描述: (2-20) (2-21)上式表明信号的相减消除了基座。从光学上消除基座信号比用频移和高通滤波器来得好，它不会有多普勒信号损失和信号强度损失，同时也可以进一步简化多普勒信号处理器的硬件结构。当然，这种改进决定于能否严格保持散射光的偏振方向。任何非偏振都会降低两个光电器件信号之间的差。完全的非偏振，象固体表面时常发生的散射会使信号产生损失。有幸的是用于激光多普勒研究的微米量级的粒子非偏振程度不是很严重，在消除与基座有关的误差时通常是很有用的。2.4 多普勒信号的特点对多普勒信号进行处理之前必须充分了解其特性。根据本课题采用的光路系统，双光电二极管的输出具有如图2-10所示的波形，由于采用了光学滤波，信号中不含基座成分。从图2-10可见:多普勒信号是一个调幅信号，它的幅度随时间变化，其包络的形成主要是因为激光光束强度按高斯分布引起的。两束光在被测流体的测量点会聚后测量区的干涉条纹亮度是不均匀的，中间最亮，越靠边缘越暗。粒子通过测量区域时散射光强也是中间强、两端弱。图2-10 多普勒信号波形图2-10给出的多普勒信号只是表示单一粒子在较理想情况下穿越测量区域时得到的光电流信号。实际上，测量区内有时没有粒子通过，有时又有多个粒子存在，各个粒子穿过测量区的位置又不相同，所以，多普勒信号是非常复杂的。这一信号不同于一般光学仪器中的光电信号。归纳起来，多普勒信号具有下列几个特点:(1)多普勒信号的频率很高，通常在几千到几兆赫兹之间。(2)它是一连串的包络波。包络中的信号为多普勒信号。在湍流流体中，由于粒子的速度变化，这一信号又是频率调制的。(3)它是不连续的，有时出现一个包络，有时没有信号。在出现的信号中，它们的包络幅度及包络中包含的信号周期数基本上都不一样。这依赖于流体中散射粒子的大小、浓度，以及通过测量区域时所在的部位。(4)在以上所述各式各样的信号中，还叠加有来自激光源、光路、双光电二极管等的噪音。(5)多普勒信号的信噪比随测量对象而变化，速度越高，信噪比越低。(6)多普勒信号的频谱具有一定的带宽，称为频谱加宽。产生频谱加宽的原因通常有以下几种:粒子通过测量区域时具有有限渡越时间;粒子在测量区域中通过时的速度脉动和测量区域中存在着速度梯度;信号处理器本身的带宽、分辨率等性能造成的仪器加宽。可见，采用数字信号处理技术对激光多普勒信号进行分析是具有一定难度的，它在实时性和可靠性方面对信号处理器的软硬件实现提出了很高的要求。2.5 课题所采用的光路系统根据以上各部分的内容，并参考已有的差动LDV光路系统，本课题采用了如图2-12所示的光路。该光路为一维偏振差动式，由激光器、发射系统、接收系统三部分组成。其接收系统为前向散射式，即接收系统正对着发射系统，流场置于接收与发射之间。所谓前向散射是指散射光方向与入射光方向相同，反之则称为后向散射。根据G.Mie的散射理论，散射光的强度与方向有关，前向散射时强度最大，后向散射时为前向散射的几百分之一。在前向散射方向上，散射光的偏振方向与入射光是一致的。(1)激光器激光器为氮氖激光器，可以产生连续稳定的模激光。其功率为15mw，波长为632.8nm。(2)发射系统发射系统由准直器、分光器、扩束器、频移器和聚焦透镜组成。准直器为一组凹凸透镜之间距离可调的共焦透镜组，用来改变光腰(光束最细处)在轴向的位置，使得两束激光在光腰处相交。如果两束激光不在光腰处相交，测量区域内的偏振态分布将发生弯曲。当散射粒子穿过测量区域内的不同部位时，由于偏振态分布不同，测得的速度也将不同。图2-11 分光器简图分光器用来将入射光分为强度相等、互相平行的两束。为了得到良好的偏振态分布，分光器必须为等光程分光。本课题选用的是由渥拉斯通棱镜和透镜组成的偏振分光器，如图2-11所示。扩束器的作用是增大光束直径，减小光束发射角，改善光束的聚焦特性。对于高斯光束，增大光束直径可以减小测量区域积，提高空间分辨率。频移器用来鉴别粒子运动方向。聚焦透镜可以提高光束相交区的入射光功率，减小相交区尺寸。(3)接收系统接收系统包括成像透镜、小孔光栏、渥拉斯通棱镜、双光电二极管。成像透镜的作用是收集带有多普勒频移的散射光信号，使它良好地在握拉斯通棱镜上成像。为了尽可能多的收集散射光信号，应适当加大成像透镜的有效通光口径。小孔光阑的作用是使测量区域通过聚焦透镜所成的像准确的通过，防止测量区域边缘或测量区域以外的光线到达渥拉斯通棱镜。渥拉斯通棱镜和双光电二极管则共同完成多普勒基座信号的消除。由于多普勒闪烁信号光强很弱，普通光电二极管产生的电信号十分微弱，要获得带宽足够的低噪声放大是一个问题。这里采用“雪崩”型光电二极管，它兼有光电倍增管和光电二极管的优点。值得指出的是双光电二极管输出信号的信噪比取决于双光束的相对强度、激光器功率、粒子尺寸与光路常数比，以及光路系统的调准等因素。当信噪比较大时信号处理器的复杂程度和花费都有所减少。所以，在设计光路系统时要遵循以下原则:选择合适的激光器功率，使其功率大小与所测流体的速度成正比;保证双光束的强度相等;粒子尺寸与光路常数比选在一比四的量级;此外，还必须保证光路系统已经得到了正确的调准。图2-12 一维偏振差动式激光测速仪光路系统3 基于DSP芯片的激光多普勒测速仪设计3.1 整体硬件结构框图多普勒信号采集卡按功能可分为四个部分:中央处理单元、前向通道、数据存储部分、主机通信部分。图3-1是多普勒信号采集卡的总体框图: 图3-1 整体硬件结构框图从双光电二极管输出的差分信号首先必须经过信号调理电路的放大和滤波才能输入AD转换器进行采样转换。信号调理电路主要采用全差分器件构成，后续的AD转换器也具有差分输入，这样可以有效抑制信号传输过程中产生的共模噪声，提高信噪比。TMS320C6713为中央处理单元，它的工作包括:读取AD转换所得的数字信号;对其进行分析计算，提取信号包络对应的多普勒频移，并计算相应的水流速度;最后将计算所得的水流速度存入外扩SDRAM中供主机使用。此外，程序还可以改变TMS320C6713中的PLL(锁相环时钟发生电路)控制寄存器值，调整AD转换器的工作频率，使其能按照流速的大小分段设置采样频率。FLASH用来存储多普勒信号处理的主程序。主机负责读取TMS320C6713外扩SDRAM中的数据，计算水流平均速度、湍流度、速度概率分布等统计量。此外系统中还含有时钟电路、看门狗复位电路、JTAG接口芯片等必须的组成部分。3.2 中央处理单元TMS320C6713是TI(德州仪器)公司新近推出的32位高性能浮点DSP芯片，其最高时钟频率为225MHz，最大处理能力为1800MIPS(百万条指令/秒)或1350MFLOPS(百万次浮点操作/秒)。是迄今为止TI公司推出的DSP芯片中运算能力最强的一款。其详细性能可参考TI公司的TMS320C6713数据手册。图3-2给出了TMS320C6713的内部结构框图。图3-2 TMS320C6713的内部结构TMS320C6713的CPU结构如图3.2所示。其中包括2个通用寄存器组(A和B)、8个功能单元(.L1、.L2、.S1、.S2、.Ml、.M2、.Dl和.D2)、2个存储器装载数据通道(LD1和LD2)、2个存储器到存储器的数据通道(ST1和ST2)、2个数据寻址通道(DA1和DA2)、2个寄存器文件数据交叉通道(1X和2X)。TMS320C6713CPU的第一个特征是采用了VILW结构。从程序高速缓冲存储器或取的指令总是8条，它们组成一个取指包。进行必要的优化后可以使尽可能多(最多为8条)的指令平行执行，平行执行的指令称为一个执行包。在一个取指包中执行包的数目可在1到8之间改变。在一个指令周期内，每个执行包把指令调度给它们各自的功能单元。在所有的执行包完成调度前不能获取下一个取指包。解码后，指令连续驱动各自的功能单元，在每个时钟周期内最多可执行8条指令。指令执行结果产生的大部分数据存储在32位的寄存器中，也可以把数据划分成子序列，存储到8位或16位寄存器中，所有装载和存储指令都可以按8位、16位或32位地址执行。TMS320C6713CPU的第二个特征是每一个信号处理器中都含有2个数据通道。每个数据通道有4个功能单元(.L、.S、.M和.D)和一个寄存器组。每个寄存器组包含16个32位寄存器。2组功能单元和2个寄存器组分别组成CPU的A端与B端。CPU每一端的4个功能单元能够独立分享属于同一端的16个寄存器。功能单元执行逻辑、移位、乘法和数据地址操作。另外应该注意到，每一端都有一条单数据总线连接到CPU另一端的所有寄存器，通过这条数据总线，两端的功能单元都能够从CPU另一端的寄存器组接入数据，使每个单元都能够与CPU另外一端的寄存器交换数据。在一个时钟周期内，交叉接入CPU的寄存器支持1次读和写操作。TMS320C6713CPU的第三个特征是装载/存储的体系结构，所有的指令(除了存储器中的数据之外)都在寄存器中操作。数据地址单元(.D1和.D2)专门负责存储器组和存储器间的数据交换。由.D单元驱动的数据地址允许从一个寄存器组产生数据寻址，它可以从另一个寄存器组装载或存储到另一个寄存器组中。TMS320C6713CPU支持不同的寻址模式，既可以使用线性寻址模式，也可以使用循环寻址模式，并具有5位或15位的偏移量。所有指令都是有条件的，大多数指令能够接入到32个寄存器中的任何一个。但是有些寄存器是单向输出的，以便支持专门的寻址，保持条件指令的状态。.M功能单元应用于乘法器。.S和.L功能单元完成一般的算术、逻辑和分支功能，通常在一个时钟周期内完成。除此之外，TMS320C6713还具有一系列高性能的内部外设，本系统中使用到的有EMIF和HPI，它们将在接下来的章节中详细讨论。需要指出的是:TMS320C6713具有BGA和QFP两种封装形式。BGA封装具有更好的高频电气性能和更长的使用周期，而且尺寸小、制造成本低。但是，对于原型系统的设计人员来说，却造成了很多不便之处，焊装、检测与调试都比以前更困难，因此本系统采用的是QFP封装。3.3 前向通道3.3.1 前向通道简介前向通道是多普勒信号采集卡的关键部分，直接影响着信号处理器的性能。它的合理设计能增强电路的抗干扰能力，提供预期的采样率。它包括由低噪声全差分放大器THS4500组成的前置放大器、低通滤波器和高速AD转换器。如图3-1所示，从双光电二极管输出的信号首先进入前置放大器，由于该信号非常微弱(通常只有几毫伏)，受噪声干扰很大，所以必须对它进行放大，使它适合于后续电路的处理范围。除此之外，由于前置放大器由低噪声全差分放大器组成，还起到了防止信号品质恶化，消除基座信号和光电二极管固有噪声的作用。低通滤波器用来滤除超过最大频率测量范围的频率分量。高速AD转换器THS1030也具有全差分输入，它对滤波后的多普勒信号进行采样转换，提供给中央处理单元。值得指出的是在以往的激光多普勒测速仪中前向通道内通常含有混频单元。这是因为以往的光学频移器件通常为布拉格器件，其最佳频移值为40MHz，这样在消除速度方向模糊性的同时也产生了一个问题，就是经过频移后的信号频率往往高于许多信号处理器的量程。因此在进行信号处理前，需要与一台35-40MHz左右的振荡器进行电子学混频，使信号的频率下降。本课题在光路中采用了专用频移器55N10，其频移量可在9MHz范围内方便地调节。同时，信号处理器中也采用了高速AD转换器THS1030和DSP芯片TMS320C6713，使得多普勒信号处理速度大大提高。这样也就省去了原有的混频单元。3.3.2 前置放大器前置放大器由THS4500构成。THS4500是美国TI公司推出的宽带、低噪声、全差分放大器系列THS45xX中的一种。它主要应用于高速AD转换器的前置放大、无线通讯接收机、差分信号有源滤波等领域。 3-3 THS4500对差分输入信号放大图3-3给出了THS4500对差分信号进行放大时的接法，各电路参数计算方法如下: (3-1) (3-2) (3-3)其中，为差模输出电压，为共模输出电压，A为增益倍数，为固定电阻，为电位器，使得A可在一定范围内进行调节。需要注意的是:使用全差分放大器构成各种运算电路时应该尽量使反馈回路保持对称，并采用精密电阻，这样能保证电路获得最佳的共模抑止比。全差分放大器与普通的电压反馈运算放大器在结构上非常相似。其差别在于:全差分放大器为差动输入、差动输出，其共模输出电压可以通过引脚进行调节;而普通运算放大器为差动输入、单端输出，共模输出电压与输出信号是相同的。与普通运算放大器相比，全差分结构具有以下几点优势:(l)抑止外部共模噪声。信号在传输过程中通常会产生线路噪声，应该尽可能缩短输入、输出信号线之间的距离，使得噪声以差分形式出现。通常情况下，电源产生的噪声也表现为差分信号。这样，采用全差分放大器构成的系统具有较强的抗干扰性。(2)提高输出电压摆幅。如图3-4所示，由于全差分放大器输出的差分信号间存在180度的相位差，对于相同的输出电压摆幅，普通运算放大器要求的输入电压是全差分放大器的两倍。这在输入电压较低的情况下是非常适用的。+10+10abVOD=1-0=1VOD=0-1=-1图3-4 全差分放大器的输出(3)消除偶次谐波失真。将电路的传递函数展开为幂级数是分析谐波失真的典型方法。全差分放大器的传递函数可以展开成:和，得到差分输出其中、和是常数，二次项引起二次