阅读说明：本技术 一种激光多普勒测速仪数据反演方法 (Data retrieval method for laser Doppler velocimeter ) 是由 郝歌扬 吴国俊 吕沛 杨钰城 吕小鹏 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种激光多普勒测速仪数据反演方法,解决了激光多普勒测速仪数据处理时存在的时间分辨率固定,速度测量精度较低的问题。该方法包括以下步骤：1)参数设置；2)获取数据；3)计算带通滤波器的参数；4)数据处理；5)获取标记位；6)判断标记位Flag1的状态；7)计算N1；8)判断m与N1的大小关系；9)对数据进行截取；10)获取f_max；11)将结果放入数组f_max1(m)中；12)判断标记位Flag2的状态；13)计算剩余数据所需的窗口滑动次数N2；14)判断计数位n与N2的关系；15)获取f_max；16)将输出结果放入数组f_max2(n)中；17)数据整合；18)计算运动速度。(The invention provides a data inversion method of a laser Doppler velocimeter, which solves the problems of fixed time resolution and lower speed measurement precision during data processing of the laser Doppler velocimeter. The method comprises the following steps: 1) setting parameters; 2) acquiring data; 3) calculating parameters of the band-pass filter; 4) processing data; 5) acquiring a mark bit; 6) judging the state of a Flag bit 1; 7) calculating N1; 8) judging the size relationship between m and N1; 9) intercepting the data; 10) acquiring f _ max; 11) put the result into the array f _ max1 (m); 12) judging the state of a Flag bit 2; 13) calculating the window sliding times N2 required by the residual data; 14) judging the relation between the counting bit N and N2; 15) acquiring f _ max; 16) putting the output result into an array f _ max2 (n); 17) integrating data; 18) the movement speed is calculated.)

一种激光多普勒测速仪数据反演方法

技术领域

本发明涉及激光多普勒速度和加速度测量领域，具体涉及一种激光多普勒测速仪数据反演方法。

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，被广泛应用在各个领域。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，因此通过数字信号采集系统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：

目前，激光多普勒测速仪的数据处理只采用一种步长进行数据处理，针对变加速、匀速和匀加速的复杂运动状态测量时，处理数据的时间分辨率是固定的，不可变化，因此对速度突变时刻的速度测量精度较低。

发明内容

为解决激光多普勒测速仪数据处理时存在的时间分辨率固定，对速度突变时刻的速度测量精度较低的问题，本发明提出一种激光多普勒测速仪数据反演方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种激光多普勒测速仪数据反演方法，包括以下步骤：

1)参数设置；

设置激光多普勒测速仪在被测物匀加速或匀速运动时，进行速度计算时的时间分辨率ΔT1；

设置激光多普勒测速仪在被测物变加速运动时，进行速度计算时的时间分辨率ΔT2；

设置被测物体的运动速度范围，即被测物体的最大速度v_max和最小速度v_min；

2)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；

3)根据步骤1)中的v_max和v_min，计算带通滤波器的参数；

带通滤波器的通带截止频率为：

带通滤波器的阻带截止频率为：

其中，λ为激光多普勒测速仪所采用的激光波长；

4)对步骤2)中获取的数据进行滤波、去除噪声处理；

5)对步骤4)处理后的数据进行运动起点定位，获取标记位Flag1和标记位flag；

6)判断标记位Flag1的状态，如果Flag1＝1不成立，则计算结束，输出“被测物体未运动”；如果成立，执行步骤7)；

7)根据时间分辨率ΔT1，激光多普勒测速仪的采样频率fs、采样时间T和激光多普勒测速仪采集数据的总点数N0，计算截取窗口滑动的总次数N1，并令计数位m＝1，截取窗口滑动的总次数N1的计算公式为：

N₀＝fs×T

8)判断m与N1的大小关系，如果m≤N1成立，则执行步骤9)；如果不成立，则整合数据，得到整段数据的谱峰测量结果，数据总长度L＝m，谱峰搜索结果f_max(1:m)＝f_max1，执行步骤18)；

9)对步骤4)处理后的数据进行截取，截取时长为ΔT1的数据，并将该数据放入临时数组temp(m)中；

10)获取临时数组temp(m)频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

11)将步骤10)的结果放入数组f_max1(m)中，计数位m＝m+1，截取窗口向后滑动ΔT1；

12)计算并判断标记位Flag2的状态；

如果Flag2＝1不成立，则返回步骤8)，重新判断m与N1的关系；如果Flag2＝1成立，则执行步骤13)；

13)由m＝m-1时对应的数据开始，对剩余数据采用ΔT2进行截取，并计算剩余数据所需的窗口滑动次数N2，并令计数位n＝1，N2的计算公式为：

14)判断计数位n与N2的关系，如果n≤N2成立，执行步骤15)，如果不成立，则执行步骤17)；

15)获取剩余数据频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

16)将步骤15)的输出结果放入数组f_max2(n)中，计数位n＝n+1，截取窗口向后滑动ΔT2；

17)将f_max1(m)和f_max2(n)中的数据进行整合；首先创立空数组f_max，数组列数为1，行数为m+n；将f_max1(m)内的数据放置在f_max数组第前m个；将f_max2(n)内的数据放置在f_max数组第m+1到m+n个；

18)根据f_max计算被测物体的运动速度v，

进一步地，步骤5)具体包括以下步骤，

5.1)读取步骤4)的数据，获取数据开始采集数据时的时刻t₀；

5.2)令最小多普勒频差ω₀为带通滤波器的通带截止频率f_pass，计算公式为：

ω₀＝f_pass (5)

计算激光多普勒测速仪采集数据的总点数N₀，计算公式为：

N₀＝fs×T

其中，fs为激光多普勒测速仪的采样频率、T为采样时间；

5.3)初始化临时计数位i、j和临时标记位Flag1、flag、flag1和flag2，令i＝j＝1，Flag1＝1，flag＝flag1＝flag2＝0；

5.4)将步骤5.1)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；

5.5)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，因此令Flag1＝0，直接输出Flag1和flag；若f1-ω₀≥0，则执行步骤5.6)；

5.6)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；

5.7)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；

5.8)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5.6)；若f2≥ω₀，则执行步骤5.9)；

5.9)计算标记位flag1，计算公式为：

5.10)令数组Array2＝数组Temp1；

5.11)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；

5.12)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；

5.13)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5.11)；若f4-ω₀≥ω₀，则执行步骤5.14)；

5.14)计算标记位flag2，计算公式为：

5.15)计算最终运动起点的标记位flag，计算公式为：

flag＝flag₁+flag₂ (8)

5.16)输出Flag1和flag。

进一步地，步骤10)具体包括以下步骤，

10.1)读取数组temp(m)；

10.2)对数组temp(m)做快速傅里叶变换，得到其频谱分布，并求出每个频点幅值的均值，记作A₀；

10.3)比较每个频点幅值A_f与8倍A₀的关系，若某频点的幅值A_f＜8A₀，则A_f＝0；若某频点的幅值A_f≥8A₀不成立，则A_f＝A_f；

10.4)寻找频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

10.5)输出f_max。

进一步地，步骤12)中，计算Flag2具体包括以下步骤，

12.1)读取f_max1数组中两个相邻的值，f_max1(m)和f_max1(m-1)；

12.2)计算判决条件ξ，ξ的计算公式为：

12.3)判断m的状态，如果m＞0成立，则执行步骤12.4)；如果m>0不成立，令Flag2＝0，并输出Flag2；

12.4)判断f_max(m)-f_max(m-1)与ξ的状态，如果f_max(m)-f_max(m-1)≥ξ成立，令Flag2＝1，并输出Flag2；如果f_max(m)-f_max(m-1)≥ξ不成立，令Flag2＝0，并输出Flag2。

进一步地，步骤15)具体包括

15.1)将步骤13)中的数据放入数组temp(m)中，读取数组temp(m)；

15.2)对数组temp(m)做FFT，得到其频谱分布，并求出每个频点幅值的均值，记作A₀；

15.3)比较每个频点幅值A_f与8倍A₀的关系，若某频点的幅值A_f＜8A₀成立，令A_f＝0；若某频点的幅值A_f＜8A₀不成立，令A_f＝A_f；

15.4)寻找频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

15.5)输出运行结果f_max。

进一步地，步骤1)中时间分辨率ΔT1为100us。

进一步地，步骤1)中时间分辨率ΔT2为2us。

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.本发明提供一种数字化激光多普勒测速仪数据反演方法，用户能够根据自身需求设置不同的时间分辨率，得到被测物体不同时间精度下的运动速度，进而得到被测物体在不同时间精度下的时间-速度曲线。

2.本发明方法能够自动识别被测物体的运动状态，如静止状态、匀速状态和变加速状态等，根据不同运动状态对运动参数进行实时调整，有效提高数据反演的速度和精度。

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为本发明激光多普勒测速仪数据反演方法的流程图；

图3为本发明激光多普勒测速仪数据反演方法步骤5的流程图；

图4为本发明激光多普勒测速仪数据反演方法步骤10的流程图；

图5为本发明激光多普勒测速仪数据反演方法步骤12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数字化激光多普勒测速仪进行速度测量时，对数据采集系统所采集到的原始数据进行反演的方法。本发明方法基于加窗傅里叶变换技术，能够对激光多普勒测速仪所采集的数字信号进行反演，得到被测物体的实时运动速度信息。

本发明提供的激光多普勒测速仪数据反演方法具体包括以下步骤：

1)用户需设置参数

设置激光多普勒测速仪在被测物匀加速或匀速运动时，进行速度计算时的时间分辨率ΔT1，该参数表示在进行速度反演时，每次由所采集到的全部数据中截取数据的长度，该参数用户可根据自身需要进行设置，用户不设置的情况下默认每次截取长度为100us；

设置激光多普勒测速仪在被测物变加速运动时，进行速度计算时的时间分辨率ΔT2，该参数表示如果被测物体在测试过程中可能存在明显的加速或减速运动时，采用时间分辨率ΔT1进行截取时，会造成测速精度降低，因此针对加速或减速过程，需设置更小的时间分辨率，以提高速度反演的精度，该参数用户可根据自身需求进行设置，用户不设置的情况下每次截取长度为2us；

设置被测物体的运动速度范围，即被测物体可能出现的最大速度v_max和最小速度v_min；

2)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；

3)根据步骤1)中的v_max和v_min，计算数据预处理时带通滤波器的参数，具体计算方法为：

带通滤波器的通带截止频率为：

带通滤波器的阻带截止频率为：

其中，λ为激光多普勒测速仪所采用的激光波长；

4)对步骤2)中获取的数据进行滤波、去除噪声处理；

5)对步骤4)处理后的数据进行运动起点定位，获取标记位Flag1和标记位flag；

5.1)读取步骤4)的数据，由数字化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；

5.2)令最小多普勒频差ω₀为带通滤波器的通带截止频率f_pass，计算公式为：

ω₀＝f_pass (5)

计算激光多普勒测速仪采集数据的总点数N₀，计算公式为：

N₀＝fs×T

其中，fs为激光多普勒测速仪的采样频率、T为采样时间；

5.3)初始化临时计数位i、j和临时标记位Flag1、flag、flag1和flag2，令i＝j＝1，Flag1＝1，flag＝flag1＝flag2＝0；

5.4)将步骤5.1)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；

5.5)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，因此令Flag1＝0，直接输出Flag1和flag；若f1-ω₀≥0，则执行步骤5.6)；

5.6)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；

5.7)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；

5.8)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5.6)；若f2≥ω₀，则执行步骤5.9)；

5.9)计算标记位flag1，计算公式为：

5.10)令数组Array2＝数组Temp1；

5.11)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；

5.12)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；

5.13)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5.11)；若f4-ω₀≥ω₀，则执行步骤5.14)；

5.14)计算标记位flag2，计算公式为：

5.15)计算最终运动起点的标记位flag，计算公式为：

flag＝flag₁+flag₂ (8)

5.16)输出Flag1和flag；

6)判断标记位Flag1的状态，如果Flag1＝1不成立，则计算结束，输出文本信息“被测物体未运动”；如果成立，执行步骤7)；

7)根据时间分辨率ΔT1，激光多普勒测速仪的采样率fs、采样时间T和激光多普勒测速仪采集数据的总点数N₀，计算截取窗口滑动的总次数N1，并令计数位m＝1，截取窗口滑动的总次数N1的计算公式为：

N₀＝fs×T

8)判断m与N1的大小关系，如果m≤N1成立，则执行步骤9)；如果不成立，则整合数据，得到整段数据的谱峰测量结果，数据总长度L＝m，谱峰搜索结果f_max(1:m)＝f_max1，执行步骤18)；

9)对步骤4)处理后的数据进行截取，截取时长为ΔT1的数据，并将该数据放入临时数组temp(m)中；

10)获取临时数组temp(m)频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

10.1)读取数组temp(m)；

10.2)对数组temp(m)做FFT，得到其频谱分布，并求出每个频点幅值的均值，记作A₀；

10.3)比较每个频点幅值A_f与8倍A₀的关系，若某频点的幅值A_f＜8A₀成立，令A_f＝0；若某频点的幅值A_f＜8A₀不成立，令A_f＝A_f；

10.4)寻找频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

10.5)输出运行结果f_max；

11)将步骤10)的结果放入数组f_max1(m)中，计数位m＝m+1，截取窗口向后滑动ΔT1；

12)计算并判断标记位Flag2的状态；

判断Flag2的状态，如果Flag2＝1不成立，跳转至步骤8)，重新判断m与N1的关系；如果Flag2＝1成立，则执行步骤13)；

计算Flag2具体包括以下步骤，

12.1)读取f_max1数组中两个相邻的值，f_max1(m)和f_max1(m-1)；

12.2)计算判决条件ξ，当被测物体的加速度＞10g时，认为被测物体的运动状态改变，因此ξ的计算公式为：

12.3)判断m的状态，如果m＞0成立，则执行步骤12.4)；如果m＞0不成立，令Flag2＝0，并输出Flag2；

12.4)判断f_max(m)-f_max(m-1)与ξ的状态，如果f_max(m)-f_max(m-1)≥ξ成立，令Flag2＝1，并输出Flag2；如果f_max(m)-f_max(m-1)≥ξ不成立，令Flag2＝0，并输出Flag2；

13)如果Flag2＝1成立，说明被测物体在测试过程中存在较大加速度的加速或减速运动，因此需要采用更精细的时间分辨率ΔT2对剩余数据进行截取，根据步骤12)中m的取值对剩余数据采用ΔT2进行重新截取，并计算剩余数据所需的窗口滑动次数N2，并令计数位n＝1，N2的计算公式为：

14)判断计数位n与N2的关系，如果n≤N2成立，执行步骤15)，如果不成立，则执行步骤17)；

15)获取剩余数据频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

15.1)将步骤13)中的数据放入数组temp(m)中，读取数组temp(m)；(此时所说的数组指步骤13中的剩余数组)

15.2)对数组temp(m)做FFT，得到其频谱分布，并求出每个频点幅值的均值，记作A₀；

15.3)比较每个频点幅值A_f与8倍A₀的关系，若某频点的幅值A_f＜8A₀成立，令A_f＝0；若某频点的幅值A_f＜8A₀不成立，令A_f＝A_f；

15.4)寻找频谱分布中各频点幅值最大点对应的频率f_max；

15.5)输出运行结果f_max；

16)将步骤15)的输出结果放入数组f_max2(n)中，计数位n＝n+1，截取窗口向后滑动ΔT2；

17)将f_max1(m)和f_max2(n)中的数据进行整合；

首先创立空数组f_max，数组列数为1，行数为m+n；将f_max1(m)内的数据放置在f_max数组第前m个，将f_max2(n)内的数据放置在f_max数组第m+1到m+n个；

18)根据f_max计算被测物体的运动速度v，

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，程序被执行时实现激光多普勒测速仪数据反演方法的步骤。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。