二维计数跟踪型激光多普勒测速系统的智能化及其应用

　　1　引　言

　　激光多普勒测速技术(LDA)[1]在流体力学、燃烧、水利、化工等科学领域的不定常复杂流动测量研究方面有着广泛的运用。对于不定常脉动流的 研究,往往需要同时测量二维速度分量,图1是可用于对不定常脉动流研究的二维智能计数跟踪型激光多普勒测速系统原理图[2]:利用两个计数跟踪光电混合反 馈环路分离二维速度分量信息,分别通过采集信号、信息处理等工作来获得二维速度分量的大小。

　　为了在使用固定的较窄带宽计数器的前提下能测量较大范围变化的运动速度,采用了光电混合反馈方法[3_5]和频率跟踪技术。对于某一环路,设某一时刻的光学频移档次为n(对应的光学频移量为n·Δfs),则光电信号的频率fR为:

　　fD为多普勒频率,它与被测速度V之间的关系为:

　　λ为激光的波长; V⊥为被测速度在LDA测量方向上的投影。

　　可见,为使LDA光路中引入的光学频移量大致跟随多普勒频率也即被测速度大范围变化,同时维持光电信号频率只在较窄的计数器处理带宽内变化,需 要找到适当的光学频移档次。因此,寻找初始光学频移档次n10、n20,使两路有效的光电信号频率分别落入固定的较窄的两路计数型信号处理器的处理带宽 内,也就是让两个环路捕捉被测速度,使整个仪器进入正常的计数跟踪状态,是进行有效测量的前提,也是二维计数跟踪型LDA智能控制中的关键。

　　2　计数跟踪型LDA的智能控制及其工作过程

　　二维计数跟踪型LDA系统正常工作时两环路分别在某一频移档次时会出现较高的光电信号强度,如图2所示。其对应的频率即为多普勒频率。找到此刻的频移档次,即可以计算出相应的多普勒频率。

　　寻找n10、n20的原理类似于LDA中的频谱分析技术[6]:微机从低到高扫描光学频移量,同时通过A/D接口得到对应每一频移档次的光电信 号强度,并求出最大的光电信号强度Im对应的频移档次nm。nm是否可能所需的初始光学频移档次,还要先作以下的判断:将Im与使用者所设置的信号强度 Is比较,如果Im< Is,则否定,说明光电信号较弱,微机增大计数型信号处理器中程控增益放大器的放大倍数,然后再次寻找Im和nm;当增益调至最大时仍没有合适的nm,即 对应的Im仍小于Is,则说明输出的光电信号太弱或Is设置的太大,需要相应的考虑更换较大功率的光发生器或降低Is的设置值。只有出现了Im大于Is, 对应的nm才可以作为可能的初始光学频移档次,等待进一步的判别。

　　二维LDA中光电信号的频谱结构较复杂,寻找某一环路的初始光学频移档次时,必须将另一环路的光学频移值设为最大值。也就是,寻找环路1的初始 光学频移档次n10时,将环路2的光学频移档次n2置为16;寻找n20时置n1为16。微机寻找得到了两个环路可能的初始光学频移档次n1m和n2m 后,再作进一步的处理,将n1m和n2m输入二维差分驱动源,并监视两路光电信号的强度,如果光电信号的强度仍然较大,则将n1m和n2m作为初始的光学 频移档次,否则重新返回开始寻找,直到得到合适的两个初始光学频移档次为止。之后,进入实测阶段,对两维速度分量进行测量并显示的同时,检测光电信号的强 度,以确定二维LDA系统已处于正常的工作状态。微机得到需要开始测量的信息后,立即按用户设置的数据采集参数开始正式测量,采集两个环路的光电信号频率 和光学频移量,计算两个分量对应的多普勒频率值,求出瞬时运动速度的大小和方向,测试过程中也同时监视整个仪器的工作状态,必要时重新捕捉被测速度。微机 按用户要求,采集到所需的数据点数后,可选择进入数据处理状态,对测量的数据作统计分析,如计算平均速度的大小和方向,求概率密度函数,频谱分析和结果打 印输出等。图3所示是智能二维计数跟踪型LDA的工作流程图。