基于LabVIEW的激光多譜勒信號處理系統(tǒng)

 引言
    激光多譜勒位移測量技術(shù)具有精度高、信噪比高、動態(tài)響應(yīng)快、線性好、抗干擾能力強、測量范圍大和非接觸性等特點，在遠距離目標(biāo)的振動位移和變形等動態(tài)參數(shù)檢測上具有明顯優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于機械、航空、建筑和軍事等領(lǐng)域。測量信號需要采集和處理，求取必要參數(shù)，以達到測試目的和要求。同時，虛擬儀器是一種功能強大的儀器系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集與處理是LabVIEW的核心技術(shù)。為此，開發(fā)了基于Lab-VIEW平臺的測試系統(tǒng)，結(jié)合測量硬件部分，以圖形化、人機化的方式采集和處理信號。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計由光學(xué)系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和電路系統(tǒng)3部分組成。光學(xué)元件所發(fā)出一定頻率的光經(jīng)分光鏡分為參考光和測量光。參考光被測量物體反射后與測量光產(chǎn)生一定的頻率差，再由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)濾波、放大，通過數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    光學(xué)系統(tǒng)運用激光多譜勒效應(yīng)測量運動物體，產(chǎn)生一定頻移的信號，由于信號相對弱、信噪比低、頻帶寬，對硬件系統(tǒng)提出較高要求。為了處理這類信號，需采用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)信號特點，要求該光電轉(zhuǎn)換器靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計性能要求，則光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管3種元件符合設(shè)計要求。同時按照量子效率、電流放大倍數(shù)、頻率響應(yīng)、檢測器噪聲和性價比等綜合比較，結(jié)合系統(tǒng)特點，這里選用雪崩光電二極管。由于信號中含有頻率成分較多噪聲的低頻成分以及頻率成分單一噪聲的高頻成分，因此采用帶通濾波器濾除噪聲，提高信噪比。系統(tǒng)運用有源高通濾波器和無源低通濾波器合成為帶通濾波器，其中有源濾波器成本低，質(zhì)量可靠及寄生影響小，設(shè)計和調(diào)整過程簡便，阻帶衰減速度比無源濾波器快，因而有源高通濾波器更適合該系統(tǒng)低頻濾波。信號高頻部分的噪音是由聲光調(diào)制器驅(qū)動引起的，由于對阻帶衰減速度要求不高，因而其高頻濾波采用無源低通濾波器。輸出信號需要放大，考慮到參數(shù)選用ADI公司的ADL5531全校準(zhǔn)對數(shù)一限幅IF放大器，全部增益80 dB，帶寬480 MHz，從而滿足信號采集卡的技術(shù)指標(biāo)要求。圖2為帶通濾波器的電路設(shè)計。

    數(shù)據(jù)采集卡是VI的入口，它將調(diào)理后的信號以一定的采樣頻率采集并存儲至數(shù)據(jù)采集卡，采用UAD08S采集卡，PCI總線連接，采用獨立的8位分辨率A／D轉(zhuǎn)換器保持同步，實現(xiàn)準(zhǔn)確同步采集測量數(shù)據(jù)，并消除相位誤差。采樣率則從2 MS／s調(diào)整到400 MS／s。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    LabVIEW軟件是虛擬儀器領(lǐng)域最具代表性的圖形化編程軟件。其直觀的前面板與流程式的編程方法相結(jié)合，簡化而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，具有靈活的程序調(diào)試手段，強大的函數(shù)庫功能，可以支持多種系統(tǒng)平臺。
    程序開發(fā)建立lv的工程文件，逐步開發(fā)，主要功能包括硬件基本信息報表、界面設(shè)計、信號采集設(shè)計、信號處理、數(shù)據(jù)打印、存儲等。所有功能設(shè)計完成后，生成基于LabVIEW引擎的、可獨立運行的laser．exe程序。測試系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。

    界面根據(jù)一致性、可用性、功能性等原則進行設(shè)計，包括設(shè)置、信號處理、工具、操作、幫助等功能性菜單，消息響應(yīng)框。同時根據(jù)人機交互界面設(shè)計要求，美化界面，設(shè)置歡迎詞。
3．1 信號采集
    信號采集部分包括功能初始化程序、采集卡參數(shù)初始化程序、采集卡參數(shù)設(shè)置程序和主程序。采用NI-DAQ分配通道，它有兩種方法：選擇虛擬通道和使用通道字符串。前者在應(yīng)變虛擬通道配置時具有應(yīng)變采集標(biāo)界定、靈活的面、零漂補償、通道設(shè)置無需另外的代碼等優(yōu)點，故此選擇虛擬通道。主程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，當(dāng)程序運行時，首先利用功能菜單對.vi進行初始化，然后讀取采集卡參數(shù)：采集卡序列號、存儲深度、最大采樣速率和初始化錯誤、設(shè)置采樣速率、采樣點數(shù)和通道量程。循環(huán)結(jié)構(gòu)采用while循環(huán)，當(dāng)執(zhí)行條件為真時，反復(fù)執(zhí)行程序，實時地顯示信號；當(dāng)執(zhí)行條件為假時，停止執(zhí)行程序，并保存顯示信號。
3．2 信號處理
    圖4為信號處理程序流程圖。通過數(shù)據(jù)采集的信號，調(diào)用濾波子VI。根據(jù)信號要求，濾波下限頻率為1 MHz，濾波上限頻率為100 MHz．將取1～100 MHz的信號處理，其他部分信號清零，保證采集數(shù)據(jù)的完整和精確。信號處理設(shè)計部分按照信號處理要求，選擇變步長算法，調(diào)用剔除奇異點子VI，采用時頻分析方法將時間一電壓關(guān)系轉(zhuǎn)換為時間一頻率關(guān)系，進一步利用關(guān)系式精確求得速度和位移并分別存儲。

4 實驗驗證
    將激光器、振動臺、信號調(diào)理電路、采集卡線路連接正確，打開激光器供電電源，運行基于LabVIEW的激光多譜勒信號處理系統(tǒng)，設(shè)置采集卡相關(guān)參數(shù)，點擊開始測量，信號開始采集，經(jīng)信號處理功能模塊計算后，位移曲線如圖5所示。

5 結(jié)論
    LabVIEW作為圖形化編程軟件，是開發(fā)虛擬測試系統(tǒng)的一種功能強大、方便快捷的編程工具。使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境進行儀器系統(tǒng)設(shè)計、測試和實現(xiàn)，可以減少系統(tǒng)開發(fā)時間，并具有明顯的使用效果。同時，虛擬儀器在激光多普勒信號測量技術(shù)中的應(yīng)用也是首例。實踐證明，利用LabVIEW開發(fā)的激光多譜勒信號處理系統(tǒng)能較好地完成信號顯示、時間的自動保存以及數(shù)據(jù)處理、保存等功能，從而為激光多譜勒測量技術(shù)應(yīng)用前景提供強有力的技術(shù)支持。