一种新的信号分析方法在激光多普勒信号检测中的应用

　　1　引　言

　　激光多普勒测量技术以其精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触等特点在流体流速测量方面得到很大的发展[1]。在实际应用中,利用固体散射面的多普勒效应,进行固体运动参数测量有更大的意义。但是固体散射面的多普勒信号十分微弱,信噪比低,并且受多种因素的影响,此时信号为非平稳正弦信号[2,3]。对它分析有不同的方法。傅里叶变换是一种最常用最基本的分析方法。它是一种频域分析法,能很好地刻画信号的频率特性,但不提供任何时域信息。与傅里叶变换不同,短时傅里叶变换的基本思想是,把信号划分为许多小的时间间隔,再用傅里叶变换分析每一间隔,以便确定在那个时间间隔存在的频率[4,5]。当我们选定某一特定窗后所得频率分辨率和时间分辨率便固定不变了[6]。然而我们希望在分析由短时高频成分和长时低频成分组成的信号时,时间分辨率和频率分辨率在时频平面上变化,令时间分辨率在高频时变得非常细,而频率分辨率在低频时变得非常好,这样便可以得到更好的分析,短时傅里叶变换不能完成。

　　20世纪80年代中期出现的小波变换(Wavelet),通过一种可伸缩和平移的小波(相当于变焦显微镜)对信号作变换达到了时频局部化分析的目的,小波变换在信号处理中的作用非常重要,它被广泛应用于各种领域中。但是小波变换本质上是一种窗口可调的傅里叶变换,因而没有根本摆脱傅里叶分析的局限[7~9]。另外,小波基一旦选定,在整个信号分析过程中就只能使用这一个小波基。自适应滤波器分析非平稳信号可以获得最佳的效果,但在实际应用中,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[10,11]。因此,自适应效果难以得到实现。

　　本文提出一种新型分析方法,能够检测这种多普勒信号,估计多普勒信号的频率。实际测试结果表明该方法是可行的。

　　2　测量原理

　　激光多普勒效应测量固体运动参数原理如图1所示,由激光器发出频率为f0的激光束,经分束器分为两平行光束Ⅰ和Ⅱ,其频率均为f0,经透镜会聚在被测表面上,被测物以速度v平移。对于光束Ⅰ,Ⅱ,假设其中一条散射光线与运动方向成δ角,则沿着该散射光线接收所得的多普勒频移分别为f1,f2,则每条散射光线中的f1与f2的频差为

　　3　非平稳信号分析的算法

　　利用固体散射面的多普勒效应,进行固体运动参数测量时,物体表面存在多个粒子,多个粒子的散射光叠加得到信号。但由于多个粒子的先后次序差别及速度的微小差异,使散射信号以不同的相位叠加,造成固体散射面的多普勒信号十分微弱,信噪比低,有时还会出现信号的淹没[12,13]。所以多普勒信号被认为是淹没在噪声下的非平稳正弦信号(非平稳正弦信号就是其统计量是随时间变化的函数而不是常数),即