基于TMS320VC5402的激光多普勒測速系統

汪 濤,饒 杰

(重慶大學數理學院,重慶400044)

基于TMS320VC5402的激光多普勒測速系統

汪 濤,饒 杰

(重慶大學數理學院,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據,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;數字信號處理

1 引 言

激光自發明以來,就以其獨特的優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生的多普勒效應,并使用光外差技術及信號處理方法,實現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展緩慢.近年來隨著數字信號處理芯片運算能力越來越強以及數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,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域可以認為是這種情況)在空間相交成2α角,其相交區域形成測量區域.將測量區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

粒子穿越測量區域就會對2束激光中的每束進行散射,根據多普勒效應原理,經過頻移后的2束其中l1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的光路常量.從(4)式可以看出,在差動型測量系統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,在物體表面發生漫反射現象.從運動物體散射回來的光線相對于入射光線頻率將會發生偏移.根據以上原理,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′.由測量區中的微粒向后散射的散射光任由同一塊聚焦透鏡收集,變為平行光,經反射鏡1反射后,再由會聚透鏡2會聚,經過全反射鏡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 信號處理系統硬件設計

4.1 信號處理總體設計方案

信號處理系統主要包括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、模數轉換器(ADC)、中央處理單元(TM S320VC5402)、程序存儲部分(FLASH)、數據存儲部分(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過信號調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(鎖相環時鐘發生電路)控制寄存器值,調整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中的數據,計算固體運動平均速度、速度概率分布等統計量.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,但數字信號處理器只能夠處理數字信號,這就要求對信號進行模數轉換,將模擬信號轉換為數字信號,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.無限脈沖濾波器產生新的輸出,不但需要過去和現在的輸入,還需要過去的輸出.根據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,所以采用實數FFT變換對信號進行處理.實數FFT要求1 026個存儲單元來計算1 024點FFT,和用復數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FFT算法計算的速度幾乎是通常FTF算法的2倍.存儲在連續內存單元的1 024點實數序列 g(n)打包成512點的復數序列x(n),方法是實數序列中順序號為偶數的數放在復數序列數上的實部,而為奇數的數放復數序列數上的虛部,公式如下:

然后對打包封裝好的序列進行碼位反轉.這一步是通過調用函數 RFFT_32_brev(int＊src,int＊dst,int size)實現的.其中src是指向輸入序列數組的指針,dst是存儲位反轉后序列數組的指針,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RFFT32_w in來實現的,可以選擇不同的窗函數,然后進行512點的復數 FFT計算,分裂計算是為了從512點的復數FFT變換結果中提取出輸入為1 024點實數序列的頻譜點前面的513個值.FFT變換結果,實數部分頻點為“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.

表1 本系統測量結果與實際值的比較

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

[2]曾義芳.DSP開發應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[3]鄒彥,唐冬,寧志剛.DSP原理及應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

[4]鄒泓,趙洋.激光多普勒技術在固體測量方面的運用[J].光學技術,2000,26(2):101-103,106.

[5]沈熊.激光多普勒測試技術及應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[6]陳長纓.一種新型激光多普勒振動傳感器[J].光電工程,1997,24(4):12-17.

[7]李光仲,劉俊英.基于模擬乘法器的超聲多普勒黏度測量實驗系統[J].物理實驗,2010,30(2):4-7.

[8]張萌,焦文苑,於菪珉,等.平行光路方向運動的光柵多普勒效應及其在測微小位移中的應用[J].物理實驗,2010,30(2):43-46.

[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,重慶大學數理學院副教授,博士,主要從事光電儀器方面的研究.