汽车速度的激光多普勒测量系统.docx

汽车速度的激光多普勒测量系统1激光多普勒测速的基本原理当激光照在运动物体上，就会在物体表面发生漫反射现象，被运动物体散 射回來的光线相对于入射光线频率将会发生一个偏移量，而这个变化的频率和 物体的运动速度成正比关系如果波长为入的准直光线入射到一个运动的物体表 面时，得到的多普勒频率为：AV=(lA)(n-ns)・ V (1.1)式中n,氐，分别是入射光和散射光的单位向量;V是移动物体表面的运动速度向 量在差动型激光多普勒测量中，如图"所示，两光束W1ZW2入射到运动物体 的表面，在被测物体表面形成一个极小的测量光斑两路光束都将被散射，对 光W］方向的入射光，考察S方向上的散射光频移，根据(1.1)式有：AVi=(l/A)(n-ns)・ V (1.2)同样，对W2方向的入射光，考察S方向的散射光频移，则有AV2=(l/A)(n-ns)・ V (1.3)根据光外差原理，两束散射光在光电探测器中进行混频，得到多普勒频差AV=AVi. AV2=(l/A)(ni-n2)・ V (1.4)当两入射光相对被测量表面法线对称分布，于是得到AV=2/A ・ V ・ sinO (1.5)则从公式(1.5)看出多普勒频差AV,只与两入射光的夹角、激光波长和物体运动 的速度有关，而与散射光的接收方向S无关，故可以通过增大探测器的孔径來提 高信号的大小，对于多普勒信号的处理是非常有利的。

式中入是光波的波长;6是 入射光线与运动物体表面法线之间的夹角故根据测得的多普勒频差就可以求 出被测表面的运动速度图1.1差动激光多普勒原理2光路选择激光多普勒测速光路系统按接收散射光的方向可分为:前向散射接收系统、 后向散射接收系统和前后向通用系统前者常用于透明的流体速度测量由于 本设计是测量汽车速度，但是由于汽车的不可透明性，光线不可能透过表面， 因而，在表面速度测量时只能采用后向散射接收装置根据接收系统光路的不 同可以分为:差动多普勒型、参考光束型结合本测量系统的特点，论文釆用的 光路是双光束后散射差动式的，这种光路也是目前测速中应用最为广泛的光路 形式主要包括激光器、发射系统、和接收系统三部分组成:激光器:实验中选用图2.1光路结构图的激光器是氨氛激光器，它可以连续发射稳定的TEMOO模激光输出功率为 20mw,波长为632.snm发射系统主要包括分光棱镜、全反射棱镜、Braggcen 和会聚透镜激光首先通过分光镜被分为强度相等的两束激光，其中一束光经 过透镜直接入射到待测物体上，而另外一束经过两次棱镜的反射，这样可以保 持与第一束光同相位，然后再通过Brgageen,增加Barggecn的作用是产生频移， 两束激光在运动物体的表面相交，形成一个内部具有明暗相间条纹的椭圆形干 涉光斑，这一区域被称为控制体积，当运动物体经过控制体积时，就会产生多 普勒信号。

在差动激光多普勒系统中，两束激光在光腰相交区形成椭球形的测 量区域图1.3所示，其中分布着明暗相间的干涉条纹，当粒子穿过这些干涉条纹 时，在亮条纹区粒子散射的光多，在暗条纹区散射的光少，因此，被接收的散 射光强将按照粒子穿越这些条纹的速度波动，也就是以粒子切割条纹的频率对 光信号进行了调制接收系统包括接收透镜、孔径光阑和光检测器带有多普 勒信号的散射光经过会聚透镜会聚到光探测头APD上，光学信号转换为电信号， 为了得到更多的散射光，应该尽量增大透镜的有效通光孔径，同样采用小孔光 阑可以有效地使测量区域通过聚焦透镜所成的像准确通过，防止测量区域边缘或测量区域以外的杂散光进入APD,提高信号的信噪比图2.2控制体内部的光强分布3汽车速度激光多普勒测速系统硬件设计与实现3. 1测速系统框架图3.1汽车速度激光多普勒测速系统框架激光测速系统的关键部分在于它的信号处理，如果处理方法不当，就得不 到良好多普勒信号，从而导致计算不精确，测量失败论文中在信号处理系统 设计时主要分为三个模块:前置预处理模块包括信号的转换、放大滤波，AD采集 模块和DSP控制模块光信号通过APD转换成电信号后，首先通过前置放大滤 波电路，将信号放大到一定的范围提供后端处理;后端分为两部分:其中一部分为 DSP将AD釆集后的数据做1024点的FFT,并根据计算出來的值的变化趋势选择 相应的滤波器;另外一部分为经过窄带滤波后的信号，通过整形电路后由另外一 片DSP进行计数计算频率，根据计算结果进行控制，另外还包括与计算机的通 信、DA/输出控制和液晶显小•等。

3.1.1前置预处理模块多普勒信号经过APD转换后，输出的LDV信号很微弱，且频率范围较宽， 至此要求前置放大器输入阻抗较高，放大倍数大，频带宽设计良好的放大电 路对信号的处理是是十分重要的，本文中设计的前置放大选用了 AD80141,然后 将3个放大电路串联起來构成的3级放大电路，这样可以消除噪声的干扰 ADSO14是AD公司推出的一款宽带、低噪声高性能的差分运算放大器它主要 应用于光电传感器的前置放大电路、高性能相机、手持设备、AD转换电路等 3.1.2 A0采集模块AD7482是AD公司生产的12位高速低功耗逐次逼近的模数转换器，它的采 样频率可以达到3M,另外它与14位的AD7484管脚兼容，在设计电路的时候可 以考虑到这一方面，为了提高精度可以采用14位的［36］AD7482有两种工作方 式，模式1下在转换结束后，BUSY信号的上升沿到来时，输出寄存器中的数据 才更新，并可以立刻读出模式2下，输出寄存器中的数据是在转换结束后下 一个CONVST下降沿到來时才更新，该模式可以应用于高速情况下大量数据釆集, 提供FFT频谱分析AD7482通过总线式与DSP相连接，DSP根据信号的读写时 序就可以控制AD7482的数据读写了。

图3.2给出的是AD7482的硬件连接电路， 数据总线直接与DSP数据总线相接，控制信号由普通的1/0 口模拟，AD的复位 信号和参考电压由专门的芯片提供，为了防止电压干扰信号，在AD的电压的接 入端，需要加入电容进行滤波，保持电压的稳定另外，要注意防止数字地跟 数字电对模拟信号的干扰，在设计PCB图的时候要单独的将模拟地隔离处理， 防止模拟信号和数字信号的重叠，数字电跟模拟电、数字地和模拟地之间要用 电感隔离开DKirTALSUPFDf4J5V-5.25VANALOGsupplyPARALLEL INTERFACEVDRIVE 圳00卅DORESET^BIASMODE1MOCC2RffSfLWRITECUPREFINNAPSTOYAD74&2DO-D12seFOUTCSCUwSTViN—0VTO2^V图3.2AD7482的连接电路VAD78O i5V REFERENCE-qrs *1 flF047pF3.1.3 DSP控制模块数字信号处理器TMS320F2812是整个系统的核心，为了提高系统的运算能 力，系统采用了双CPU用于控制，一片DSP用于控制AD釆样，计算FFT,根据 频率的变化控制多路选择器，以便于选择滤波器。

另一片DSP主要用于计数、 显示、通信接口和DA控制输出工业生产当中，速度的变化不会发生太大的突 变，所以表现出來的频率也不会有巨变，总是以某一个范围发生变化，为了追 踪频率的变化，我们釆取FFT跟踪方式传统的滤波器组方式，是将多普勒信号 通过一系列的滤波器，每一组滤波器后都有个相关器，通过相关运算得到的结 果进行比较，最后根据比较结果得出多普勒频率，这样在设计中需要占用大量 的资源，使得体积变得庞大，不适合做工业中的应用本文中才用的FFT方法是 每次DSP从AD读取1024点数据，通过做FFT计算出多普勒信号频率，DSP通过与相邻儿次计算数据比较得到频率的变化趋势，根据这个变化趋势，确定选 择滤波器的范围通过窄带滤波器后的多普勒信号十分干净，可以通过计数的 方式进行计算多普勒频率，这样可以达到很好的效果，并且由于DSP的时钟可 以达到150M,这样在计数时，因为时钟引起的误差可以不予考虑，设计时采用 固定周期计数法激光多普勒测速仪信号处理研究后向通道DAC是数字控制器的一个不可缺 少的重要环节，其性能对整个控制系统的控制品质具有重要影响系统所需要 的控制电压或电流信号有DAC将控制器中的数字信号转换成所需要的模拟信号 输出。

课题中选择AD420作为DA/输出器件[37], AD420是AD公司推出的16位 高精度的DA转换芯片，釆用艺AADC技术;釆用柔性串行接口，可以方便的与控 制器接口;可以输出电压值和电流值，这个可以根据现场的要求，通过改变跳线 改变输出状态同时可以级联多个AD420器件具体应用中的电路图如图3.3所示E

定点DSP芯片的价 格较便宜，功耗较低，但运算精度稍低而浮点DSP芯片的优点是运算精度高， 但价格较贵，功耗也较大综合比较，系统中选用了性价比较高的定点 DS叮MS32F02812作为主芯片3.3通信与显示模块通信模块和人机交互模块是任何工业设备中必不可少的，通过通信模块可 以实现远距离控制，使操作人员不需要在现场而在控制室就可以了解到设备的 工作状态3. 3. 1 RS422 通信通信总线的种类很多，有RS232、RS485、RS422、InterBus等等,考虑接口 的通用性、传输距离和传输速度，系统通信采用的RS-422总线方式，RS-422是 一种单机发送、多机接收的单向平衡传输规范被命名为TIA/EIA422A标准数据信 号采用差分传输方式，也称为平衡传输，釆用一对双绞线，其中一条定义为A, 另一条定义为B,通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2计6V,使 一个逻辑状态，负电平在-2-6V,是另一个逻辑状态另外有一个信号地C,收发 端通过平衡双绞线将AA和BB对应相连，当在接受端AB之间有大于+200mV的 电平时，输出正逻辑电平，小于-200mV时，输出负逻辑电平系统选用MAX489 作为Rs-422转换芯片，设计时为了防止电源的串扰釆用Dc-Dc模块将电源隔离 开，另外，MAX489通过CPLD与DSP连接，通过CPLD程序编写，使得DSP编 写程序时十分简单。

为了防止电平的串扰接口采用高速光祸N6137隔离在传 输协议中，波特率、数据位、奇偶校验位和停止位是可以任意组合的，可用根 据现场具体要求进行修改系统的默认值是传输波特率为119200, 7位数据位，1位 奇偶校验位和1位停止位3. 3. 2液晶显示液晶模块釆用北京青云科技生产的LCM2401281型图形点阵液晶显示模块, 它采用的控制芯片是东芝T6963C,控制模式有并行输出和串行输出两种通过控 制芯片的C心、CE、RD、WR信号线來读写数据，时序如。