LDV的数字信号处理技术

1.      概述

信号处理技术在LDV的其发展过程中起到十分重要的作用。由于LDV所处理的是一个频率信息，此信息具有以下特点：

A．   频率范围宽广，从极低速（如0.1m/s）到音速（几百m/s），频率从几KHz ~ 几百MHz，覆盖了从音频到高频范围，因此，带宽和噪声的处理难度大。

B．   由于流体的速度具有湍流特征，即随时间作随机脉动变化，因此，其对应的多普勒频率也是脉动变化的，相当于一个随机脉动的调频信号，而且还伴随有噪声。

C．   由于双光束控制体的高斯光强分布，粒子通过控制体时所产生的光电流信号中既包含有多普勒信号，还同时带有基底信号，随着速度的变化，基底信号的频率也跟着变化，这对于信号的滤波带来特殊的要求。图1 是粒子通过控制体时具有的时域和频域特性。

综上所述，在LDV发展初期，由于受到数字技术和计算机技术的限制，只能依靠模拟技术，难以获得完整的流速信息，但是，LDV研发人员还是不断努力，依靠当时的既有技术，先后研发出频谱分析、频率跟踪、数字计算、数字相关以及数字FFT等信号处理器，为LDV的发展做出了重大贡献。

           图1. 粒子通过控制体产生的信号及其频域和时域表达式

2.      实验装置和步骤

本实验所采用的使用装置是清华大学和北京飞骊佳公司合作在1990年代研

发的数字相关信号处理器系统（见图2）。

图2. 数字相关信号处理器系统

数字相关信号处理器系统包括信号预处理器和相关信号处理器两部分。

信号预处理器的功能见图3 所示，由动态滤波器和放大器组成，用来消除基底频谱和噪声。

             图3. 多普勒信号的预处理

经过预处理后的信号进入数字相关信号处理器通过计算机和软件进行采样分析和数据处理，得到流体的实时速度信息，再进一步得到流场的各种统计数据。

                图4. 预处理前后的信号波形

数字相关处理器的原理和框图见图5和图6所示。

                图5. 数字相关信号处理原理

             图6. 数字相关信号处理器框图

图7 为具有良好信噪比的多普勒信号的自相关函数，它基本上是一个三角波。如果信噪比差，则波形偏离三角波，产生畸变，但是它的周期依然与原函数的周期相同，这就是自相关处理方法能抵抗噪声的原理。

            图7. 具有良好信噪比信号的自相关函数

图8 是测量一台超声波加湿器的到的二维速度直方图，本实验可以重复此实验，也可以采用标准的信号发生器所产生的正弦波信号来进行处理，得到相应的实验结果。

           图8.  采用数字相关处理实测得到的二维速度直方图

3.      实验报告要求

A.     采用标准的信号发生器产生的正弦波信号进行处理，得到自相关函数和速度的各阶统计量。

B.      采用超声波接收器产生的粒子流信号处理得到速度直方图和流速的各阶统计量，这就需要一台一维LDV系统来提供频率信息。