检测激光多普勒信号的新方法

　　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、非接触测量等特点在流体流速测量方面得到很大的发展[1]。随着近代工业的迅速发展,对计量测试技术要求越来越高。航空、军工、机械等各个领域中的许多测量,要求在特殊的条件下进行,如高温、高压、高速、放射或腐蚀介质或小空间等,根据工业生产实际的需要,将多普勒测量技术应用到固体的运动参数测量越来越受到重视。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很大的意义,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,有时还会出现信号的淹没,影响测量精度[2,3]。因此,利用固体表面散射的激光多普勒效应进行测量时,信号的质量至关重要,提高信号强度对实现可靠测量具有重要意义。

　　20世纪80年代中期出现的小波变换,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,它被广泛地应用到各种领域中。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

　　2　多普勒频移估计的算法

　　多普勒信号通常是淹没在噪声下的非平稳正弦信号,即

　　要想从u(t)提取确定的信号y(t),解决方法是做u(t)在集合M中的投影,也就是说求出y(t)和u(t)之间的最小距离,即

式中出现了时间变量t,由于所有参数都是随时间变化的,在不影响结果的前提下,将这个时间t通过u(t)用常数m代替。原微分方程组变为

　　3　算法的实现条件

　　根据庞加莱映射稳定原理,先求出系统的庞加莱映射p(x,u),通过求解不动点处Jacobi矩阵Dλp(x,u)的特征值λr来进行分析系统稳定条件。若λr的模小于1,即特征根全部位于单位圆内,则系统是渐近稳定的,可以得到系统稳定的条件。即

　　参数u3的作用是控制系统的收敛速度,下面进行讨论。回到原方程组(15)中,可以得到

　　从式(18)可知,当u3增大时,系统的总相位的变化步长加大,说明系统的收敛或者发散速度加快。相反,当u3减小时,系统的总相位的变化步长减小,说明系统的收敛或者发散速度变慢。

　　4　应用实验和测试结果

　　图1所示为位移测量的差动多普勒系统。该系统具有调整方便、可大口径接收散射光能量、充分利用激光功率的优点。系统由激光器、声光调制器、相位光栅、会聚透镜、反射镜、直角棱镜、光电接收器组成。