CN102680958B - 一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了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。本发明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。

Description

一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法

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：

。

上几式中，为任意给定的积分窗口的半宽度，

为任意给定的偏移。该步为针对100m/s附近的测速难问题新提出的频率求解方法，实际在程序中均使用梯形积分，由于

的主值范围为

，故对应的频率的取值范围为

，那么当时，可以保证直接求解的范围达到200 m/s，在实验中示波器最高可取得2×10¹¹的采样率，对应前述的积分求解过程，每个积分为800和400点，应该说足以保证积分的数值精度，同时该方法求得的频率为连续分布，可以反映低速下的速度变化，同时当求解的速度超过了直接求解的数值范围时，可以利用的多值性，选取最为接近傅立叶求解器参考速度的解，该方法针对低速信号周期的特点进行设计，直接通过时域分析，将测速信号视为标准正弦信号进行求解处理，由于规避了傅立叶方法取值的限制，该方法可以反映低速情况下速度的变化细节，并且由于方法中应用了测速信号为标准正弦的假设，所以求解得出的速度同参考速度的比较可以作为信号质量的判定方法。

进一步讲，所述步骤（C）中的数峰频率求解按照以下步骤进行：

（C3）将滤波后以0点为中心的的时域信号按0点分隔成若干区域，其中相邻区域的信号符号相反；

（C4）对每个区域求得最大值的位置，视其为峰位；

（C5）并根据峰位间的时间差决定信号频率。

自适应求解参数获取算法用于决定各种求解器的参数选择，由于多普勒测速仪信号中，高速与低速信号形态上有极大差距，本算法通过傅立叶频率求解器获取的参考速度，根据速度自动决定另外两种求解器的求解窗口范围，具体而言：

首先：1根据参考速度可以决定测速信号一个周期的数据点数，按人工确定的最小周期数，决定最小的窗口范围；

然后：2根据问题人工确定一个窗口内最大速度差值；

最后：3按照参考速度以及2中确定的最大速度差值，将1获得的窗口范围向两端进行扩展，直到窗口内的参考速度差值大于2中确定的最大速度差值。

进一步讲，所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）确定时间点处测速信号的相位

；

（D2）对于一个时间点具有三种不同的速度处理结果，分别计算如下积分：

上式中，

为速度，

为激光器波长，

为（D1）的相位，

为滤波后测速信号；

（D3）比较同一个时间点三种不同速度处理结果在（D12）中所得的积分值，取最大者为修正速度曲线的数据点。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1本发明一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，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；

2本发明一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，正弦求解方法针对低速信号周期的特点进行设计，直接通过时域分析，将测速信号视为标准正弦信号进行求解处理，由于规避了傅立叶方法取值的限制，该方法可以反映低速情况下速度的变化细节，并且由于方法中应用了测速信号为标准正弦的假设，所以求解得出的速度同参考速度的比较可以作为信号质量的判定方法。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为实施例一原始测速信号；

图3为实施例一经过滤波的测速信号；

图4为实施例一傅立叶变换获得的粗略的参考速度曲线；

图5为实施例一正弦求解获得的速度曲线；

图6为实施例一数峰频率求解获得的速度曲线；

图7为实施例一最终得到的速度修正曲线；

图8为实施例二原始测速信号；

图9为实施例二经过滤波的测速信号；

图10为实施例二傅立叶变换获得的粗略的参考速度曲线；

图11为实施例二正弦求解获得的速度曲线；

图12为实施例二数峰频率求解获得的速度曲线；

图13为实施例二最终得到的速度修正曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1所示，本实施例是凯夫拉复合材料受9km/s薄Mylar膜飞片撞击的自由面测速实验；图2所示为原始测速信号图，首先将图2所示的测速信号通过滤波器进行预处理，去除毛刺及基线漂移，得到图3所示的信号图，可见信号中的毛刺已被去除；然后，将预处理后的信号通过傅立叶变换进行速度求解，得到参考速度，得到图4所示的曲线，图4为傅立叶变换获得的粗略的参考速度曲线，可以发现速度曲线呈现阶梯状；然后图4得到的测速曲线应用参考速度对基于正弦信号时域分析的频率求解过程和改进的数峰求解过程进行参数的自适应调节，并得到各自得速度曲线，如图5和图6所示，图5和图6分别为正弦求解以及数峰频率求解获得的速度曲线，可以看出相较与图4，图5和图6曲线明显更为光滑，特别在速度上升期间150m/s的区域参考速度只是出现了两个台阶，而图5和图6则都处理出两个小振荡，这些振荡反映了复合材料内界面特征，当自由面速度上升到峰值以后，也仍然得到了较傅立叶变换平滑和稳定的速度曲线，由于信号质量较好图5和图6基本重合，最终得到的速度修正曲线图7同图6一致。

实施例二

如图1所示，本实施例为铜的层裂实验自由面测速。图8所示为原始测速信号图，首先将图8所示的测速信号通过滤波器进行预处理，去除毛刺及基线漂移，得到图9所示的信号图，可见信号中的毛刺已被去除；然后，将预处理后的信号通过傅立叶变换进行速度求解，得到参考速度，得到图10所示的曲线，图10为傅立叶变换获得的粗略的参考速度曲线，可以发现速度曲线呈现阶梯状；然后图10得到的测速曲线应用参考速度对基于正弦信号时域分析的频率求解过程和改进的数峰求解过程进行参数的自适应调节，并得到各自得速度曲线，如图11和图12所示，图11和图12分别为正弦求解以及数峰频率求解获得的速度曲线，可以看出同实施例1类似，相较与图10，图11和图12曲线明显更为光滑。然而由于信号质量问题图11中正弦求解结果在上升沿末期没有出现速度峰值处的小峰，而图12中数峰结果则在上升沿出现了振荡。同时图11和图12中在速度平台末端都出现了振荡，而参考速度曲线图10由于平均化作用呈现平滑曲线，所以将三条曲线进行组合，可得到全过程平滑稳定的速度修正曲线图13。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，其特征在于，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；

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：

上几式中，

为任意给定的积分窗口的半宽度，

为任意给定的偏移；

所述步骤（C）中的数峰频率求解按照以下步骤进行：

（C3）将滤波后以0点为中心的时域信号按0点分隔成若干区域，其中相邻区域的信号符号相反；

（C4）对每个区域求得最大值的位置，视其为峰位；

（C5）根据峰位间的时间差决定信号频率。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多普勒测速仪的测速信号处理方法，其特征在于，所述步骤（D）包括以下步骤：

（D1）确定时间点处测速信号的相位

；

（D2）对于一个时间点具有参考速度、正弦速度、峰值速度三种不同的速度处理结果，分别计算如下积分：

上式中，

为速度，

为激光器波长，

为步骤（D1）中测速信号的相位，

为滤波后测速信号；

（D3）比较同一个时间点三种不同速度处理结果在（D2）中所得的积分值，取最大者为修正速度曲线的数据点。

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