激光多普勒测速仪的关键技术研究

摘要

激光多普勒测速仪可以精确的测量运动物体的运动速度，所测量的物体可以是运动的固体，也可以是流动的液体。它依据光的多普勒效应，利用运动物体中粒子对入射光的散射，并用光电检测器件对散射光的频移进行测量，根据检测出的频移就可以推算出物体运动的速度。激光多普勒测速仪的优点有：动态响应快、测量范围大、空间分辨率高、精度高、无接触测量等，现在已经被广泛的应用于工业领域。
　　本文研究的激光多普勒测速系统主要测量运动固体的速度，本文的主要内容包括光学的系统的设计、信号处理系统的设计以及速度显示部分的设计。
　　1.光学系统的设计包括了对光源的选择，分光系统和光接收系统的设计。光源选用了线偏振光氦氖激光器；分光系统选用了分束镜和反射棱镜；光接收系统包括透镜、光电探测器、放大电路和滤波电路，其中透镜选用了大孔径透镜；光电探测器选用了雪崩光电二极管，并设计了三级放大电路将采集到的信号放大一千倍，然后采用二阶高通滤波器滤除噪声的干扰。
　　2.多普勒信号从光信号转换为电信号后，需要把模拟信号转换为数字信号。信号处理系统将光接收系统采集到的信号用数字信号处理器（DSP）进行信号处理，该系统的硬件部分包括了中央处理模块、A/D转换模块和FIR滤波器。软件部分利用CCS（Code Composer Studio）作为开发平台，对数字信号处理快速傅里叶变换（FFT）的实验仿真。运用数字信号快速傅里叶变换（FFT）算法可以提取到多普勒频率，由多普勒频率推算出物体的运动速度。
　　3.将DSP中处理的数字信号利用USB传入计算机中，通过Matlab设置人机交互界面——GUI（Graphical User Interface）图形用户界面。
　　本文针对以上理论设计搭建了一套多普勒测速系统，实现了对物体运动速度的测量。验证了激光多普勒测速技术的可能性。

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第一章 绪论

1.1 激光多普勒测速技术的历史背景

1.2 激光多普勒技术的研究现状及意义

1.3 本课题的主要研究内容

第二章 激光多普勒测速的基本原理

2.1 光波的多普勒效应

2.2 多普勒信号的模型

2.3 光外差检测技术

2.4 本章小结

第三章 激光多普勒测速光学系统设计

3.1 激光测速光学基本模式

3.2 光路结构设计单元

3.3 光接收系统的设计

3.4 本章小结

第四章 系统信号处理硬件部分设计

4.1 系统总体设计

4.2 DSP最小系统模块

4.3 DSP外围电路设计

4.4 本章小结

第五章 多普勒信号的处理

5.1 激光多普勒信号的特点

5.2 激光多普勒信号的处理方法

5.3 FFT算法原理

5.4 FIR滤波器设计

5.5 GUI界面的设计

5.6 本章小结

第六章 系统实现以及调试

6.1 实验平台的搭建

6.2 实验结果及分析

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录A CPLD 时序设计部分程序

致谢