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，被运动物体散射回来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λ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:
△V=(1/λ)(n-ns)·V(1.1)
式中n ，ns，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1.1所示 ，两光束W1,W2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W1方向的入射光，考察S方向上的散射光频移，根据(1.1)式有:
△V1=(1/λ)(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
△V2=(1/λ)(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
△V=△V1-△V2=(1/λ)(n1-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
△V=2/λ·V·（1.5)
则从公式(1.5)看出多普勒频差△V，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来提高信号的大小，对于多普勒信号的处理是非常有利的。式中λ是光波的波长;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 ，论文采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
的激光器是氦氖激光器 ，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采集后的数据做1024点的FFT，并根据计算出来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/输出控制和液晶显示等。
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个放大电路串联起来构成的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
3.1.2AO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下降沿到来时才更新 ，该模式可以应用于高速情况下大量数据采集 ，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 。
图3.2AD7482的连接电路
3.1.3DSP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采样，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 ，所以表现出来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 ，我们采取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通过与相邻几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 ，采用艺AADC技术;采用柔性串行接口 ，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 。
图3.3DA输出电路图
3.2TMS32OF2812芯片功能介绍
系统采用TI公司的TMS320F2812数字信号处理器为核心器件 。该处理器是TI公司最新推出的DSP芯片 ，是目前国际市场上最先进 、功能最强大的32位定点DSP芯片之一138.39)。它既有数字信号处理能力，又具有强大的软件管理能力和嵌入式控制功能 。该芯片的强大性能大大提高了测速系统的处理能力 ，同时其对C语言的高编译效率 ，使得软件开发周期大大缩短。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DSPTMS32F02812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。
3.3.1RS422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，采用一对双绞线 ，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采用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
液晶模块采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信号线来读写数据 ，时序如图3.13所示 。在读写控制时 ，先要检测液晶控制器是不是忙 ，然后才能进行读写操作 ，C心是选择发送指令还是发送数据 ，在使能信号CE变为低电平时，RD或WR信号变低电平 ，开始读写数据 ，在读完数据后 ，RD或WR信号变为高电平 ，同是CE也变为高电平，数据锁存到液晶控制器内 。上电后需要先要对液晶初始化，对全屏空写一次 ，以后才能正常显示 。
4多普勒信号处理
信号的处理在整个测速系统中是十分重要的，信号处理的好坏直接影响的测量精度 。快速傅里叶变换在现代信号处理中具有非常重要的地位 ，它能从低信噪比的信号中将有用的信号提取出来，这一点对多普勒测速系统十分重要。快速傅里叶变换并非是一种新的计算方法，而是将离散傅里叶变换简化 ，利用旋转因子的周期性大大的减少了计算量 ，但是计算结果是完全一样的。本系统采用快速傅立叶变换（FFT）进行信号的在线处理 。在速度信号数据的处理分析方面，快速傅立叶变换的频谱分析一直是一种应用广泛 、非常有效的分析方法。它不仅提高了分析速度 ，而且它在频域内的定位性是非常准确的 。目前几乎所有的动态分析仪器都是以之为核心进行信号处理 。
随着FFT广泛应用 ，人们做了大量的工作来改善其性能。一方面是算法的改进，另一方面是硬件的实现 。软件工作者己经研究出了一系列在不增加存储资源的条件下提高FFT运算速度的方法;而超大规模集成电路系统的开发者也在不断改进系统的性能 ，为FFT的应用提供了方便。尤其突出的是DSP器件 ，不论是现在已经使用的，还是正在开发的 ，都实现了高速FFT运算 ，使得由它组成的复杂系统的实时处理能力大为提高 。TI公司的DSP芯片TMS320系列的发展就充分体现了这种趋势 。从TMS320C25开始 ，TMS320系列芯片就为FFT运算中混序操作提供了特殊的实现码位倒序的间接寻址方式 。在结构上和总线管理上也为较大N值的FFT运算提供了更快的吞吐速度和更大的容量。同时提供了并行操作(相乘累加、移位累加等)指令 ，为FFT编程提供了方便，使其实现速度更快。
图4.1FFT的DSP实现
5系统特点及应用场合
激光测速仪以其自身的优点在诸多行业中起着重要的作用 ，而我国在这方面的研制和开发同国外先进水平存在着很大的差距，这主要体现在信号的处理方面 。在实际的生产应用中，对信号及时处理的要求比较高，需要采用的高速的数字芯片才能胜任，而在数字信号处理方面国内最近几年才开始发展 ，所以整体阻碍测速仪的开发 。课题中采用TMS犯F02812数字信号处理器作为系统地主控制芯片，完全满足了设计要求 ，对LDV信号的分析处理直接关系到整个LDV系统性能 。
针对信号处理的实时性，利用两片TMS320F2812设计了硬件系统 ，每秒钟可以输出400次数据 ，提高了信号处理系统的处理能力 ，主要配合电子探头完成公路机动车超速行驶检测。由于本系统并不是以物体特征作为检测对象的 ，因此可以广泛应用工业生产 ，用来检测物体的运动速度。
参考文献
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