[发明专利]一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种信号处理方法，具体是指一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法。

背景技术

多普勒测速仪，是基于光波多普勒效应和外差方法搭建的测速装置，具有位移和速度连续监测、非接触测量和测试精度高等优点。该装置的基本原理为，由激光器发射出激光并将其分为两束，分别为参考光和信号光。其中参考光直接入射至探测器，信号光则发射至运动物体表面，物体表面将该束光进行反射，并同参考光进行耦合共同入射至探测器。根据多普勒效应，由运动物体表面反射光的频率会根据物体表面的速度发生改变，根据光场的干涉原理，在与探测器相连的示波器上会记录下干涉信号，也称为差拍信号，此信号即为多普勒测速仪的测速信号。

由多普勒效应和光场的干涉公式，可得到以下关系

                       

上式中为激光的波长，为测速信号的频率。由于在一次测速中激光器的波长为常数，由上式可知，测速信号的频率完全决定了测速对象的速度，所以对多普勒测速仪测速信号的处理完全是对信号频率的分析。目前常用的方法有数峰法、傅立叶变换法、小波分析法等。其中数峰法顾名思义也就是直接通过时域信号，确定信号的峰位，再通过峰位间的时间差确定信号频率的方法，然而在实际情况下，由于存在着实验中测试样品表面反射性质不佳、实验环境中光的干扰、示波器等实验仪器的固有漂移等问题，实验中获取的测速信号经常不能呈现完整的周期特征，经常会出现漂移、抖动和半波形的情况，也就是测速信号的质量通常不能保证；傅立叶分析法主要应用短时傅立叶变换，对测速信号进行逐段的傅立叶分析，以获得测速信号的频率曲线，由于傅立叶分析实际上是一个平均化过程，所求频率实际为分析窗口内的特征频率，所以在一定程度上可以消除测速信号质量的影响。目前的测速数据数据处理方法主要是针对气炮实验进行设计，其关注的速度范围一般在1000 m/s以上。而在霍普金斯杆实验、电炮实验等实验中经常需要关注1000 m/s以下，甚至是100 m/s左右的速度波形。由于多普勒测速仪中使用的激光器波长一般为1550 nm，根据(1)式，当物体运动速度为100 m/s时，干涉信号的频率为1.29×10⁸，由于测试中常用的示波器采样率在1×10¹⁰以上，根据离散傅立叶变换的原理，变换中最终得到的频率值为的整数倍，其中为数据采样率，为傅立叶分析窗口点数，当较小时，由于取值范围的限制，对于低速信号的分析往往会出现阶段状的频率信号曲线，但当取较大值时，由于过度的平滑，将不能反映速度曲线的局部变化，同时由于在实验的整个测速过程中，速度会显著的上升，为了保证高速段测量的精度，不能降低示波器的采样率，所以目前多普勒测速仪的测速信号处理方法限制了其在低速测量中的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，综合采用三种不同原理的测速信号频率求解方法，最终得到的测速信号由三种方法所得速度组合而成，可同时满足高速和低速测速信号的处理要求。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，包括以下步骤：

（A）滤波器对收到的测速信号进行预处理；

（B）对步骤（A）得到的信号进行傅立叶分析频率，得到参考速度；

（C）将步骤（B）得到的参考速度分别进行正弦求解、数峰频率求解，分别得到正弦速度曲线和峰值速度曲线；

（D）将步骤（B）的参考速度、步骤（C）的正弦速度曲线和峰值速度曲线进行比较，得到修正速度曲线。

综合使用傅立叶分析频率、正弦求解方法、数峰频率求解方法三种频率求解方法，使数据处理方法适用于全部速度范围，解决了目前测速方法在小于1000m/s的低速区域，特别是在100m/s附近的测速难问题；对信号质量进行了评估，可以针对质量较差的测速信号给出有意义的速度结果。

进一步讲，所述步骤（C）中的正弦求解按照以下步骤进行：

（C1）假设信号为完好的正弦图像，并具有振幅、频率和相位；

（C2）进行如下的求解过程

最终得到频率：

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