一种便携式激光多普勒测速系统的研究

摘要

激光多普勒测速技术是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频率,并根据流体速度和多普勒频率之间的线性关系,来获得流体速度信息。其空间分辨率可达到微米量级,表征流速的多普勒信号以光为载波,测量动态响应快。作为一种非接触测量技术,它可用于高温、有毒、有腐蚀性等流体的速度测量,并且对流体无干扰。
　　 本文研究了一种基于双光束模式的便携式激光多普勒测速系统,该系统主要由光学系统以及信号采集与处理系统组成。光学系统的作用是将流体的速度信息调制到光信号中,并实现光电转换。利用半导体准直激光器作为光源,消偏振分光棱镜、等腰直角棱镜以及聚焦透镜实现激光光束的分束、聚焦,形成干涉条纹。待测烟尘微粒穿过干涉条纹时发出的散射光,经接收透镜、针孔光阑后聚焦到雪崩光电二极管(APD)上,实现对多普勒光信号的探测。信号采集与处理系统由信号调理电路、模数(A／D)转换电路、中央处理单元、数据存储单元以及各种接口电路组成。APD输出的信号先经信号调理电路进行放大、滤波,再经A／D转换电路转变为数字信号。TI公司的C6000系列DSP作为中央处理单元,对来自A／D转换电路的信号进行快速傅里叶变换,获得多普勒频率。根据多普勒频率与流体速度的线性关系计算出流体的速度。最后,搭建了实验装置,进行了初步的实验研究,实验证明了该测速光学系统的可行性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 激光多普勒测速技术的发展概况

1.3 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 激光多普勒效应

2.2 干涉条纹模型

2.3 高斯光束的基本特性

2.4 激光测速中的光散射理论概述

2.5 本章小结

第三章 激光多普勒测速光学系统的设计

3.1 三种常用的光学系统模式

3.1.1 参考光模式

3.1.2 单光束模式

3.1.3 双光束模式

3.2 光学系统的设计要求

3.3 双光束光学系统的设计

3.3.1 光发射单元设计

3.3.2 光接收单元设计

3.3.3 光接收器的选择

3.4 光收发单元的一体化设计

3.5 系统参数设计

3.6 本章小结

第四章 多普勒信号处理

4.1 多普勒信号的特点

4.1.1 光电探测器检测的信号

4.1.2 高通滤波后的信号

4.1.3 多普勒信号特点的总结

4.2 信号处理方法的选择

4.2.1 几种现有的信号处理技术

4.2.2 本课题采用的信号处理方法

4.3 本章小结

第五章 信号采集与处理系统设计

5.1 中央处理单元

5.2 信号调理电路

5.2.1 信号的放大

5.2.2 低通滤波器的设计

5.3 模数转换(A/D)电路设计

5.4 FIFO设计

5.4.1 FIFO的选择

5.4.2 FIFO的接口设计

5.5 存储单元设计

5.5.1 TMS320C6713EMIF简介

5.5.2 外扩Flash存储器设计

5.5.3 外扩SDRAM存储器设计

5.5.4 FIFO与DSP的接口设计

5.6 FFT算法的DSP实现

5.6.1 数字滤波器设计

5.6.2 FFT算法

5.6.3 FFT的DSP实现

5.7 本章小结

第六章 实验与讨论

6.1 实验研究

6.2 精度分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 课题展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢