汪 濤,饒 杰

(重慶大學(xué)數(shù)理學(xué)院,重慶400044)

基于TMS320VC5402的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)

汪 濤,饒 杰

(重慶大學(xué)數(shù)理學(xué)院,重慶400044)

介紹了激光多普勒測(cè)量技術(shù)的原理和差動(dòng)后向散射測(cè)量方式以及數(shù)字信號(hào)處理式激光多普勒測(cè)速儀的設(shè)計(jì)方案.其中包括基于TM S320VC5402的多普勒信號(hào)采集卡硬件電路和軟件設(shè)計(jì).運(yùn)用該測(cè)速儀對(duì)固體表面運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量.對(duì)采集到的多普勒信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理,以提高信噪比,運(yùn)用傅里葉變換處理數(shù)據(jù),計(jì)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度并與實(shí)際速度進(jìn)行了比較.結(jié)果表明該系統(tǒng)用于固體表面速度的測(cè)量切實(shí)可行,精度可達(dá)到2%.

激光多普勒測(cè)速儀;差動(dòng)型;TMS320VC5402;數(shù)字信號(hào)處理

1 引 言

激光自發(fā)明以來(lái),就以其獨(dú)特的優(yōu)越性運(yùn)用于各種場(chǎng)合.激光多普勒測(cè)速儀的研究項(xiàng)目屬于激光測(cè)量技術(shù)范疇.它是以激光作光源,利用光射到運(yùn)動(dòng)物體上產(chǎn)生的多普勒效應(yīng),并使用光外差技術(shù)及信號(hào)處理方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)量.激光多普勒效應(yīng)在光學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景,但由于受到數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算能力以及相關(guān)算法不成熟的限制,激光多普勒測(cè)速一直發(fā)展緩慢.近年來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片運(yùn)算能力越來(lái)越強(qiáng)以及數(shù)字信號(hào)處理方法越來(lái)越成熟,激光多普勒測(cè)量技術(shù)的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)步,測(cè)量精度也越來(lái)越高.本文在分析激光多普勒測(cè)速基本原理的基礎(chǔ)上,采用運(yùn)算能力較強(qiáng)的且應(yīng)用廣泛的DSP芯片[1-3](TM S320VC5402),設(shè)計(jì)出用于固體表面速度測(cè)量的差動(dòng)激光多普勒測(cè)速系統(tǒng),并采用快速傅里葉變換(FFT)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,得到較為滿意的結(jié)果.

2 多普勒測(cè)速原理

如圖1所示,2束具有平面波前的相干激光(在2束高斯光束的光腰區(qū)域可以認(rèn)為是這種情況)在空間相交成2α角,其相交區(qū)域形成測(cè)量區(qū)域.將測(cè)量區(qū)域置于流體中的測(cè)速點(diǎn),流體中存在著人為施放或本身含有的微小粒子.當(dāng)粒子穿過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)就會(huì)對(duì)2束光中的每束進(jìn)行散射.利用光學(xué)器件接收這些散射光,在光電檢測(cè)器的陰極進(jìn)行混合[4].通過(guò)信號(hào)處理器求出該電信號(hào)的頻率就可以得到被測(cè)點(diǎn)的流速.

圖1 差動(dòng)多普勒原理

粒子穿越測(cè)量區(qū)域就會(huì)對(duì)2束激光中的每束進(jìn)行散射,根據(jù)多普勒效應(yīng)原理,經(jīng)過(guò)頻移后的2束其中l(wèi)1和 l2分別為2束激光的光傳播方向,v為粒子速度,k為運(yùn)動(dòng)物體到靜止接收者方向上的單位向量,f為激光頻率.這2束不同角度的散射光將會(huì)產(chǎn)生干涉,進(jìn)行光學(xué)混頻,從而形成差拍信號(hào),差拍依賴的頻率由2個(gè)頻率之差 fD=f1-f2給定.當(dāng)粒子速度遠(yuǎn)小于光速時(shí),頻差可以近似為這個(gè)頻率是可被現(xiàn)有光電檢測(cè)器所檢測(cè)到的.按圖1的符號(hào)把式(3)寫成標(biāo)量形式,得:(3)～(4)式就是一維差動(dòng)多普勒測(cè)速公式.其中v為ν在(l1-l2)方向上的速度分量大小,α角是兩光束夾角的半角,λ是入射光的波長(zhǎng).對(duì)確定的光路,λ/2sinα是定值,稱為差動(dòng)式激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的光路常量.從(4)式可以看出,在差動(dòng)型測(cè)量系統(tǒng)多普勒頻差只與入射光的方向、波長(zhǎng)、粒子運(yùn)動(dòng)速度有關(guān),且與粒子速度保持線性關(guān)系.只要求出 fD即可求得測(cè)點(diǎn)的速度.

3 光路設(shè)計(jì)

在對(duì)流體進(jìn)行測(cè)量時(shí),無(wú)論是參考光模型還是差動(dòng)模型[5],都是采用前向散射接收裝置.而在對(duì)固體表面速度進(jìn)行測(cè)量時(shí),由于固體的不透明性只能采用后向散射接收裝置.激光照在運(yùn)動(dòng)物體上,在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象.從運(yùn)動(dòng)物體散射回來(lái)的光線相對(duì)于入射光線頻率將會(huì)發(fā)生偏移.根據(jù)以上原理,設(shè)計(jì)了測(cè)量固體表面速度的多普勒測(cè)速儀的光路如圖2所示.

圖2 光路設(shè)計(jì)

圖2中,由半導(dǎo)體激光器射出的激光束經(jīng)由光束分束器被分成2束強(qiáng)度相等、偏振方向相同、而又相互平行的光束,這2束平行光的間距 d=50 mm.2束激光經(jīng)聚焦透鏡會(huì)聚于被測(cè)物體測(cè)點(diǎn)上(透鏡焦距 f1=200 mm),由此可算出2束會(huì)聚光的夾角2α=2arctan(d/2f1)≈14°16′.由測(cè)量區(qū)中的微粒向后散射的散射光任由同一塊聚焦透鏡收集,變?yōu)槠叫泄?經(jīng)反射鏡1反射后,再由會(huì)聚透鏡2會(huì)聚,經(jīng)過(guò)全反射鏡2,將它們聚集于雪崩光電二極管[6](APD)前的小孔光闌上,并入射到雪崩光電二極管(APD)接收面.一般情況下,由微粒向后散射的光比前向散射的光弱得多,大約要低2～3個(gè)量級(jí).因此,本系統(tǒng)采用了功率較高的激光器、高效率的光學(xué)頭部、高靈敏的光電接收器件(APD)以及性能良好的信號(hào)處理機(jī)(TMS320VC5402).

4 信號(hào)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 信號(hào)處理總體設(shè)計(jì)方案

信號(hào)處理系統(tǒng)主要包括2部分,一是硬件連接設(shè)計(jì),另一個(gè)是軟件程序的編寫.硬件部分主要有前置預(yù)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、中央處理單元(TM S320VC5402)、程序存儲(chǔ)部分(FLASH)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分(SDRAM)主機(jī)通訊以及時(shí)鐘電路、看門狗復(fù)位電路、JTAG接口、顯示電路接口等必要的電路部分.實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的硬件連接如圖3所示.

圖3 硬件連接框圖

從光電雪崩二極管(APD)輸出的信號(hào)首先必須經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路的放大和濾波才能輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換.TM S320VC5402為中央處理單元,它的工作包括:讀取A/D轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào),對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算,提取信號(hào)包絡(luò)對(duì)應(yīng)的多普勒頻移 fD,并計(jì)算相應(yīng)的固體運(yùn)動(dòng)速度v;最后將計(jì)算所得速度存入外擴(kuò)SDRAM中供主機(jī)使用.此外,程序還可以改變TM S320VC5402中的 PLL(鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生電路)控制寄存器值,調(diào)整A/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率,使其能按照運(yùn)動(dòng)速度的大小分段設(shè)置采樣頻率.FLASH用來(lái)存儲(chǔ)多普勒信號(hào)處理的主程序.主機(jī)負(fù)責(zé)讀取TM S320VC5402外擴(kuò)SDRAM中的數(shù)據(jù),計(jì)算固體運(yùn)動(dòng)平均速度、速度概率分布等統(tǒng)計(jì)量.顯示模塊用于顯示實(shí)時(shí)測(cè)量速度.

4.2 前置放大電路

輸入信號(hào)電壓為幾m V,為了將其放大到伏量級(jí)以供后續(xù)處理,需要將信號(hào)放大1 000倍.設(shè)計(jì)中采用三級(jí)放大,每級(jí)放大10倍.每一級(jí)中信號(hào)先通過(guò)RC濾波濾除低頻信號(hào).這里給出一級(jí)放大電路,如圖4所示.

圖4 前置放大電路

4.3 濾波器設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)中APD所采集的信號(hào)中,低頻信號(hào)干擾信號(hào)很強(qiáng),比如50 Hz的交流信號(hào)干擾以及光源信號(hào)干擾等.選擇高通濾波器來(lái)濾除低頻信號(hào),電路連接如圖5所示.

圖5 高通濾波器

5 軟件設(shè)計(jì)

由于輸入信號(hào)是模擬信號(hào),但數(shù)字信號(hào)處理器只能夠處理數(shù)字信號(hào),這就要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后再進(jìn)行處理.信號(hào)處理流程圖如圖6所示.

由于得到的信號(hào)中含有低頻成分,這要求在進(jìn)行FTF變換之前,必須進(jìn)行濾波,將低頻信號(hào)濾掉.而數(shù)字濾波器有2種主要類型:有限脈沖響應(yīng)濾波器或稱FIR濾波器,無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器或稱IIR濾波器.有限脈沖濾波器僅取決于過(guò)去的輸入,而與過(guò)去的輸出無(wú)關(guān).無(wú)限脈沖濾波器產(chǎn)生新的輸出,不但需要過(guò)去和現(xiàn)在的輸入,還需要過(guò)去的輸出.根據(jù)固體測(cè)速多普勒信號(hào)的特點(diǎn),求得的速度信號(hào)只和信號(hào)的輸入有關(guān),而和過(guò)去的速度信號(hào)無(wú)關(guān).故采用FIR濾波器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行高通濾波處理.

圖6 信號(hào)處理流程圖

輸入的信號(hào)都是實(shí)數(shù),所以采用實(shí)數(shù)FFT變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理.實(shí)數(shù)FFT要求1 026個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)計(jì)算1 024點(diǎn)FFT,和用復(fù)數(shù)FFT計(jì)算1 024點(diǎn)需要2 048個(gè)存儲(chǔ)單元比較而言,效率高很多,且實(shí)數(shù)FFT算法計(jì)算的速度幾乎是通常FTF算法的2倍.存儲(chǔ)在連續(xù)內(nèi)存單元的1 024點(diǎn)實(shí)數(shù)序列 g(n)打包成512點(diǎn)的復(fù)數(shù)序列x(n),方法是實(shí)數(shù)序列中順序號(hào)為偶數(shù)的數(shù)放在復(fù)數(shù)序列數(shù)上的實(shí)部,而為奇數(shù)的數(shù)放復(fù)數(shù)序列數(shù)上的虛部,公式如下:

然后對(duì)打包封裝好的序列進(jìn)行碼位反轉(zhuǎn).這一步是通過(guò)調(diào)用函數(shù) RFFT_32_brev(int＊src,int＊dst,int size)實(shí)現(xiàn)的.其中src是指向輸入序列數(shù)組的指針,dst是存儲(chǔ)位反轉(zhuǎn)后序列數(shù)組的指針,必須分配1 024個(gè)存儲(chǔ)單元空間,size的大小為512.加窗運(yùn)算是為了減小頻譜泄漏,要求在進(jìn)行FFT變換之前,對(duì)輸入序列值進(jìn)行加窗.這一步是通過(guò)函數(shù)RFFT32_w in來(lái)實(shí)現(xiàn)的,可以選擇不同的窗函數(shù),然后進(jìn)行512點(diǎn)的復(fù)數(shù) FFT計(jì)算,分裂計(jì)算是為了從512點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT變換結(jié)果中提取出輸入為1 024點(diǎn)實(shí)數(shù)序列的頻譜點(diǎn)前面的513個(gè)值.FFT變換結(jié)果,實(shí)數(shù)部分頻點(diǎn)為“0”對(duì)應(yīng)著直流分量,而虛部所有點(diǎn)的值都為零,而實(shí)部中頻點(diǎn)為“512”對(duì)應(yīng)著奎斯特頻率.幅度平方計(jì)算公式如下:

然后進(jìn)行求最大值運(yùn)算,取出幅度最大值的點(diǎn),該點(diǎn)就是多普勒頻率點(diǎn).

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)物體平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí),光電接收器接收到原始信號(hào),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、濾波,然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,最后在 TM S320VC5402中對(duì)該信號(hào)進(jìn)行FFT處理,將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),提取多普勒信號(hào)頻率值 fD,運(yùn)用(4)式算出運(yùn)動(dòng)速度.當(dāng)物體以不同速度運(yùn)動(dòng),本系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值比較如表1所示.從表1可以看出實(shí)驗(yàn)測(cè)得的速度比較準(zhǔn)確,偏差為1.3%以內(nèi).

表1 本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值的比較

[1]陳玉,王宗和,張旭東.TMS320系列DSP硬件開發(fā)系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

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[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Laser Doppler velocimeter based on TMS320VC5402

WANG Tao,RAO Jie
(College of Mathematics and Physics,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

This paper studied the p rincip le of laser Dopp ler velocity(LDV),differential backscattering measurement and signal samp ling card design based on TM S320VC5402.LDV w as used to measure the solid surface speed of movement.High-pass filtered Dopp ler signal was adop ted to imp rove the SNR.The f requency spectrum was acquired by fast Fourier transform,and the calculated velocity of themoving target was compared w ith the actual velocity.The results showed that the system w as app licable in the velocity measurement of solid moving surface,and the accuracy could reach 2%.

laser Dopp ler velocimeter;differentialmode;TM S320VC5402;digital signal p rocessing

TN2;O4-39

A

1005-4642(2011)03-0018-04

2010-07-14

汪 濤(1975-),男,四川閬中人,重慶大學(xué)數(shù)理學(xué)院副教授,博士,主要從事光電儀器方面的研究.