CN110824185A - 一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法，其解决传统激光多普勒测速仪存在的两个弊端，1.起始运动阶段的速度测量精度较低；2.无法得到绝对时刻与被测物运动速度之间的关系。该方法包括以下步骤：1)数据获取；2)计算静止开始运动的时刻t₁。该方法能够自动定位到被测物由静止状态开始运动的绝对时刻，便于得到绝对时刻与物体运动速度之间的关系，同时提高起始运动阶段的速度测量精度。

Description

一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法

技术领域

本发明涉及激光多普勒速度和加速度测量领域，具体涉及一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法。

背景技术

激光多普勒测速技术是一种基于光学多普勒效应的高精度非接触式速度测量技术，被广泛应用于各个领域。典型的激光多普勒测速仪的结构如图1所示，激光器出射的激光经过前置透镜L₁后由分束器分为两路，一路反射光射向物体，一路透射光射向反射镜M₁表面。被测物体表面的散射光与经M₁表面反射回来的两路光由M₂反射并由准直镜L₂准直，被探测器接收，由于被测物处于运动状态，经被测物散射回来的光的频率发生了变化，与另一束光在探测器表面形成拍频。

若定义由M₁反射回来的光为参考光，其频率为激光器的输出频率ω₁，定义由被测物表面散射回来的光为信号光，由于多普勒效应，信号光的频率变为ω₂＝ω₁+2u/λ，其中u为被测物运动的速度，λ为输出光的波长，则两束光的光强可以表示为：

其中，E1表示参考光的振幅，t表示时间，

表示参考光的相位，E2表示信号光的振幅，

表示信号光的相位；

根据光的干涉公式，这两束光的干涉光强可以表示为：

由于光电二极管的平方律效应，只有频率为ω₁-ω₂＝2u/λ的项能被光电二极管所接收，当激光器的输出频率一定时，干涉条纹的频率仅与物体运动的速度有关，因此通过数据采集卡将光电二极管所接收到的干涉信号进行采集，通过数据处理系统计算得出干涉信号的多普勒频率差，则被测物的运动速度为：

采用激光多普勒测速仪对静止状态转变为运动状态的被测物体进行速度测量时，传统激光多普勒测速仪无法自动定位到被测物运动状态改变的绝对时刻，因此存在以下两个弊端：1.起始运动阶段的速度测量精度较低；2.无法得到绝对时刻与被测物运动速度之间的关系。

发明内容

为解决传统激光多普勒测速仪存在的两个弊端，本发明提出一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法，包括以下步骤：

1)数据获取

1.1)设置激光多普勒测速仪的采样频率f₀、采样时长T，激光多普勒测速仪开始采集数据，获取被测物的运动状态数据；

1.2)激光多普勒测速仪数据采集完成后，由激光多普勒测速仪内部时钟获取数据开始采集时的时刻t₀；

1.3)获取激光多普勒测速仪采集数据所采用的波长λ₀和测速下限v_min；

2)计算静止开始运动的时刻t₁

2.1)读取激光多普勒测速仪所采集到的数据及步骤1)得到的参数数据；

2.2)根据步骤2.1)得到的数据计算采集数据的总点数N和最小多普勒频差ω₀，计算公式为：

N＝f₀×T (4)

2.3)初始化算法中所需的临时计数位i、j和临时标记位flag、flag₁和flag₂，令i＝j＝1，flag＝flag₁＝flag₂＝0；

2.4)将步骤2.1)读取的数据放入数组Array1中，对Array1做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大的频点频率，记作f1；

2.5)判断f1与ω₀的大小关系：若f1-ω₀＜0，说明此时被测物体处于静止状态或运动速度小于激光多普勒测速仪的测速下限，计算结束，输出被测物体未运动的结果；若f1-ω₀≥0，则执行步骤2.6)；

2.6)将数组Array1均分为两组，第一组数据放入数组Temp1中，第二组数据放入数组Temp2中；

2.7)对数组Temp1做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f2；

2.8)判断f2与ω₀的大小关系：若f2＜ω₀，令数组Temp2＝数组Array1，将计数位i置为2，返回步骤2.6)；若f2≥ω₀，则执行步骤2.9)；

2.9)计算标记位flag₁，计算公式为：

2.10)令数组Array2＝数组Temp1；

2.11)将数组Array2均分为两部分，第一部分数据放入数组Temp3中，第二部分数据放入数组Temp4中；

2.12)对数组Temp4做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f4；

2.13)判断f4-ω₀和ω₀的大小关系：若f4-ω₀＜ω₀，令数组Temp3＝数组Array2，计数位j＝j+1，返回步骤2.11)；若f4-ω₀≥ω₀，则执行步骤2.14)；

2.14)计算标记位flag₂，计算公式为：

2.15)计算标记位flag，计算公式为：

flag＝flag₁+flag₂ (8)

2.16)根据标记位flag计算被测物由静止开始运动的时刻t₁并输出，t₁的计算公式为：

同时，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

此外，本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供一种应用于激光多普勒测速仪测量由静止状态转变为运动状态的被测物体运动速度时，对被测物运动起点进行自动定位的方法。该方法能够自动定位到被测物由静止状态开始运动的绝对时刻，便于得到绝对时刻与物体运动速度之间的关系，同时提高起始运动阶段的速度测量精度。

2.本发明方法能够在一段包含物体静止状态和运动状态的激光多普勒测速数据中准确定位到被测物体开始运动的起点时刻，因此便于得到绝对时间和物体运动速度之间的对应关系。

3.被测物体由静止状态开始运动时，通常运动速度较低，激光多普勒测速仪形成的多普勒频率较低，采用本发明方法可准确定位至运动起点能够提高多普勒频率的识别精度，进而提高速度测量的准确性。

附图说明

图1为现有典型的激光多普勒测速仪的结构图；

图2为本发明应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

本发明提供一种采用激光多普勒测速仪对由静止状态转变为运动状态的被测物体进行速度测量时，对运动状态改变时刻进行高精度自动定位的方法。

如图2所示，本发明公开了一种采用激光多普勒测速仪测量被测物由静止开始运动时，自动定位运动起点的方法，具体方法包括以下步骤：

1)参数获取

1.1)设置激光多普勒测速仪的采样频率f₀、采样时长T，激光多普勒测速仪开始采集数据，获取被测物的运动状态数据；

1.2)激光多普勒测速仪数据采集完成后，由激光多普勒测速仪内部时钟获取数据开始采集时的准确时刻t₀；

1.3)获取激光多普勒测速仪采集数据所采用的波长λ₀和测速下限v_min；(波长为固定参数，测速下限为用户设置)；

2)计算静止开始运动的时刻t₁

2.1)读取激光多普勒测速仪所采集到的数据及步骤1)得到的参数数据；

2.2)根据步骤2.1)获取的数据计算采集数据的总点数N和算法能分辨的最小多普勒频差ω₀，计算公式为：

N＝f₀×T (4)

2.3)初始化临时计数位i、j和临时标记位flag、flag₁和flag₂，令i＝j＝1，flag＝flag₁＝flag₂＝0；

2.4)将所采集到的数据(步骤2.1)读取的数据)放入数组Array1中，对Array1做快速傅里叶变换(FFT)，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大的频点频率，记作f1；

2.5)判断f1与ω₀的大小关系：若f1-ω₀＜0，说明此时被测物体处于静止状态或运动速度小于激光多普勒测速仪的测速下限，此算法结束，输出结论“被测物体未运动”；若f1-ω₀≥0，则循环继续向下执行，执行步骤2.6)；

2.6)将数组Array1均分为两组，第一组数据放入数组Temp1中，第二组数据放入数组Temp2中；

2.7)对数组Temp1做FFT，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f2；

2.8)判断f2与ω₀的大小关系：若f2＜ω₀，令数组Temp2＝数组Array1，将计数位i置为2，返回步骤2.6)；若f2≥ω₀，循环继续向下执行，执行步骤2.9)；

2.9)计算标记位flag₁，计算公式为：

2.10)令数组Array2＝数组Temp1；

2.11)将数组Array2均分为两部分，第一部分数据放入数组Temp3中，第二部分数据放入数组Temp4中；

2.12)对数组Temp4做FFT，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f4；

2.13)判断f4-ω₀和ω₀的大小关系：若f4-ω₀＜ω₀，令数组Temp3＝数组Array2，计数位j＝j+1，返回步骤2.11)；若f4-ω₀≥ω₀，则执行步骤2.14)；

2.14)计算标记位flag₂，计算公式为：

2.15)计算标记位flag，计算公式为：

flag＝flag₁+flag₂ (8)

2.16)根据标记位flag计算被测物由静止开始运动的时刻t1并输出，t1的计算公式为：

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序，程序被执行时实现应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法的步骤。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行本说明书上述方法部分中描述的根据本发明各种示例性实施方式的步骤。

用于实现上述方法的程序产品，其可以采用便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)并包括程序代码，并可以在终端设备、计算机设备，例如个人电脑上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文件中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。

Claims (3)

1.一种应用于激光多普勒测速仪的运动起点自动定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)数据获取

1.1)设置激光多普勒测速仪的采样频率f₀、采样时长T，激光多普勒测速仪开始采集数据，获取被测物的运动状态数据；

1.2)激光多普勒测速仪数据采集完成后，由激光多普勒测速仪内部时钟获取数据开始采集时的时刻t₀；

1.3)获取激光多普勒测速仪采集数据所采用的波长λ₀和测速下限v_min；

2)计算静止开始运动的时刻t₁

2.1)读取激光多普勒测速仪所采集到的数据及步骤1)得到的参数数据；

2.2)根据步骤2.1)得到的数据计算采集数据的总点数N和最小多普勒频差ω₀，计算公式为：

N＝f₀×T(4)

2.3)初始化所需的临时计数位i、j和临时标记位flag、flag₁和flag₂，令i＝j＝1，flag＝flag₁＝flag₂＝0；

2.4)将步骤2.1)读取的数据放入数组Array1中，对Array1做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大的频点频率，记作f1；

2.5)判断f1与ω₀的大小关系：若f1-ω₀＜0，说明此时被测物体处于静止状态或运动速度小于激光多普勒测速仪的测速下限，计算结束，输出被测物体未运动的结果；若f1-ω₀≥0，则执行步骤2.6)；

2.6)将数组Array1均分为两组，第一组数据放入数组Temp1中，第二组数据放入数组Temp2中；

2.7)对数组Temp1做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f2；

2.8)判断f2与ω₀的大小关系：若f2＜ω₀，令数组Temp2＝数组Array1，将计数位i置为2，返回步骤2.6)；若f2≥ω₀，则执行步骤2.9)；

2.9)计算标记位flag₁，计算公式为：

2.10)令数组Array2＝数组Temp1；

2.11)将数组Array2均分为两部分，第一部分数据放入数组Temp3中，第二部分数据放入数组Temp4中；

2.12)对数组Temp4做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并在频谱分布中找到频谱幅值最大频点的频率，记作f4；

2.13)判断f4-ω₀和ω₀的大小关系：若f4-ω₀＜ω₀，令数组Temp3＝数组Array2，计数位j＝j+1，返回步骤2.11)；若f4-ω₀≥ω₀，则执行步骤2.14)；

2.14)计算标记位flag₂，计算公式为：

2.15)计算标记位flag，计算公式为：

flag＝flag₁+flag₂(8)

2.16)根据标记位flag计算被测物由静止开始运动的时刻t₁并输出，t₁的计算公式为：

2.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述方法的步骤。

3.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述程序时实现权利要求1所述方法的步骤。

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