基于TMS320VC5402的激光多普勒測速系統(tǒng)

汪 濤,饒 杰

(重慶大學數(shù)理學院,重慶400044)

基于TMS320VC5402的激光多普勒測速系統(tǒng)

汪 濤,饒 杰

(重慶大學數(shù)理學院,重慶400044)

介紹了激光多普勒測量技術的原理和差動后向散射測量方式以及數(shù)字信號處理式激光多普勒測速儀的設計方案.其中包括基于TM S320VC5402的多普勒信號采集卡硬件電路和軟件設計.運用該測速儀對固體表面運動速度進行測量.對采集到的多普勒信號進行高通濾波處理,以提高信噪比,運用傅里葉變換處理數(shù)據(jù),計算出運動目標的速度并與實際速度進行了比較.結果表明該系統(tǒng)用于固體表面速度的測量切實可行,精度可達到2%.

激光多普勒測速儀;差動型;TMS320VC5402;數(shù)字信號處理

1 引 言

激光自發(fā)明以來,就以其獨特的優(yōu)越性運用于各種場合.激光多普勒測速儀的研究項目屬于激光測量技術范疇.它是以激光作光源,利用光射到運動物體上產(chǎn)生的多普勒效應,并使用光外差技術及信號處理方法,實現(xiàn)對運動物體速度的測量.激光多普勒效應在光學領域中具有廣闊應用前景,但由于受到數(shù)字信號處理器運算能力以及相關算法不成熟的限制,激光多普勒測速一直發(fā)展緩慢.近年來隨著數(shù)字信號處理芯片運算能力越來越強以及數(shù)字信號處理方法越來越成熟,激光多普勒測量技術的研究已經(jīng)取得很大進步,測量精度也越來越高.本文在分析激光多普勒測速基本原理的基礎上,采用運算能力較強的且應用廣泛的DSP芯片[1-3](TM S320VC5402),設計出用于固體表面速度測量的差動激光多普勒測速系統(tǒng),并采用快速傅里葉變換(FFT)的方法對信號進行處理,得到較為滿意的結果.

2 多普勒測速原理

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)域可以認為是這種情況)在空間相交成2α角,其相交區(qū)域形成測量區(qū)域.將測量區(qū)域置于流體中的測速點,流體中存在著人為施放或本身含有的微小粒子.當粒子穿過測量區(qū)域時就會對2束光中的每束進行散射.利用光學器件接收這些散射光,在光電檢測器的陰極進行混合[4].通過信號處理器求出該電信號的頻率就可以得到被測點的流速.

圖1 差動多普勒原理

粒子穿越測量區(qū)域就會對2束激光中的每束進行散射,根據(jù)多普勒效應原理,經(jīng)過頻移后的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為運動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產(chǎn)生干涉,進行光學混頻,從而形成差拍信號,差拍依賴的頻率由2個頻率之差 fD=f1-f2給定.當粒子速度遠小于光速時,頻差可以近似為這個頻率是可被現(xiàn)有光電檢測器所檢測到的.按圖1的符號把式(3)寫成標量形式,得:(3)～(4)式就是一維差動多普勒測速公式.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.對確定的光路,λ/2sinα是定值,稱為差動式激光多普勒測速系統(tǒng)的光路常量.從(4)式可以看出,在差動型測量系統(tǒng)多普勒頻差只與入射光的方向、波長、粒子運動速度有關,且與粒子速度保持線性關系.只要求出 fD即可求得測點的速度.

3 光路設計

在對流體進行測量時,無論是參考光模型還是差動模型[5],都是采用前向散射接收裝置.而在對固體表面速度進行測量時,由于固體的不透明性只能采用后向散射接收裝置.激光照在運動物體上,在物體表面發(fā)生漫反射現(xiàn)象.從運動物體散射回來的光線相對于入射光線頻率將會發(fā)生偏移.根據(jù)以上原理,設計了測量固體表面速度的多普勒測速儀的光路如圖2所示.

圖2 光路設計

圖2中,由半導體激光器射出的激光束經(jīng)由光束分束器被分成2束強度相等、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)聚焦透鏡會聚于被測物體測點上(透鏡焦距 f1=200 mm),由此可算出2束會聚光的夾角2α=2arctan(d/2f1)≈14°16′.由測量區(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,再由會聚透鏡2會聚,經(jīng)過全反射鏡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個量級.因此,本系統(tǒng)采用了功率較高的激光器、高效率的光學頭部、高靈敏的光電接收器件(APD)以及性能良好的信號處理機(TMS320VC5402).

4 信號處理系統(tǒng)硬件設計

4.1 信號處理總體設計方案

信號處理系統(tǒng)主要包括2部分,一是硬件連接設計,另一個是軟件程序的編寫.硬件部分主要有前置預處理電路、模數(shù)轉換器(ADC)、中央處理單元(TM S320VC5402)、程序存儲部分(FLASH)、數(shù)據(jù)存儲部分(SDRAM)主機通訊以及時鐘電路、看門狗復位電路、JTAG接口、顯示電路接口等必要的電路部分.實驗所設計的硬件連接如圖3所示.

圖3 硬件連接框圖

從光電雪崩二極管(APD)輸出的信號首先必須經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大和濾波才能輸入A/D轉換器進行采樣轉換.TM S320VC5402為中央處理單元,它的工作包括:讀取A/D轉換所得的數(shù)字信號,對其進行分析計算,提取信號包絡對應的多普勒頻移 fD,并計算相應的固體運動速度v;最后將計算所得速度存入外擴SDRAM中供主機使用.此外,程序還可以改變TM S320VC5402中的 PLL(鎖相環(huán)時鐘發(fā)生電路)控制寄存器值,調(diào)整A/D轉換器的工作頻率,使其能按照運動速度的大小分段設置采樣頻率.FLASH用來存儲多普勒信號處理的主程序.主機負責讀取TM S320VC5402外擴SDRAM中的數(shù)據(jù),計算固體運動平均速度、速度概率分布等統(tǒng)計量.顯示模塊用于顯示實時測量速度.

4.2 前置放大電路

輸入信號電壓為幾m V,為了將其放大到伏量級以供后續(xù)處理,需要將信號放大1 000倍.設計中采用三級放大,每級放大10倍.每一級中信號先通過RC濾波濾除低頻信號.這里給出一級放大電路,如圖4所示.

圖4 前置放大電路

4.3 濾波器設計

由于實驗中APD所采集的信號中,低頻信號干擾信號很強,比如50 Hz的交流信號干擾以及光源信號干擾等.選擇高通濾波器來濾除低頻信號,電路連接如圖5所示.

圖5 高通濾波器

5 軟件設計

由于輸入信號是模擬信號,但數(shù)字信號處理器只能夠處理數(shù)字信號,這就要求對信號進行模數(shù)轉換,將模擬信號轉換為數(shù)字信號,然后再進行處理.信號處理流程圖如圖6所示.

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

圖6 信號處理流程圖

輸入的信號都是實數(shù),所以采用實數(shù)FFT變換對信號進行處理.實數(shù)FFT要求1 026個存儲單元來計算1 024點FFT,和用復數(shù)FFT計算1 024點需要2 048個存儲單元比較而言,效率高很多,且實數(shù)FFT算法計算的速度幾乎是通常FTF算法的2倍.存儲在連續(xù)內(nèi)存單元的1 024點實數(shù)序列 g(n)打包成512點的復數(shù)序列x(n),方法是實數(shù)序列中順序號為偶數(shù)的數(shù)放在復數(shù)序列數(shù)上的實部,而為奇數(shù)的數(shù)放復數(shù)序列數(shù)上的虛部,公式如下:

然后對打包封裝好的序列進行碼位反轉.這一步是通過調(diào)用函數(shù) RFFT_32_brev(int＊src,int＊dst,int size)實現(xiàn)的.其中src是指向輸入序列數(shù)組的指針,dst是存儲位反轉后序列數(shù)組的指針,必須分配1 024個存儲單元空間,size的大小為512.加窗運算是為了減小頻譜泄漏,要求在進行FFT變換之前,對輸入序列值進行加窗.這一步是通過函數(shù)RFFT32_w in來實現(xiàn)的,可以選擇不同的窗函數(shù),然后進行512點的復數(shù) FFT計算,分裂計算是為了從512點的復數(shù)FFT變換結果中提取出輸入為1 024點實數(shù)序列的頻譜點前面的513個值.FFT變換結果,實數(shù)部分頻點為“0”對應著直流分量,而虛部所有點的值都為零,而實部中頻點為“512”對應著奎斯特頻率.幅度平方計算公式如下:

然后進行求最大值運算,取出幅度最大值的點,該點就是多普勒頻率點.

6 實驗結果與分析

當物體平穩(wěn)運動時,光電接收器接收到原始信號,對該信號進行放大、濾波,然后進行A/D轉換,最后在 TM S320VC5402中對該信號進行FFT處理,將時域信號轉換為頻域信號,提取多普勒信號頻率值 fD,運用(4)式算出運動速度.當物體以不同速度運動,本系統(tǒng)的測量結果與實際值比較如表1所示.從表1可以看出實驗測得的速度比較準確,偏差為1.3%以內(nèi).

表1 本系統(tǒng)測量結果與實際值的比較

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

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[責任編輯: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,重慶大學數(shù)理學院副教授,博士,主要從事光電儀器方面的研究.