自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用
2021-07-21
来源:乌哈旅游
第33卷第3期 2012年5月 应用 光学 VO1.33 No.3 May 2012 Journal of Applied Optics 文章编号:1002—2082(2012)03 一0570—05 自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用 刘 帆,金世龙,周 健 (国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073) 摘 要:激光多普勒测速仪检测系统提取的光电信号中存在较大的噪声信号。为了消除这些噪 声干扰,,提高激光多普勒测速仪的测量精度,提出一种新的信号处理方法,将最小均方差自适应 滤波技术应用于激光多普勒测量中,利用多普勒信号和噪声信号的统计特性,以最小均方误差 估计为准则,最大程度地滤除噪声信号。阐述了最小均方差自适应滤波算法的基本原理,在 MATLAB平台上将其应用于理想正弦信号进行仿真,并将其应用于实测多普勒信号的处理中。 仿真和实验均表明,该技术可以有效抑制激光多普勒测量中的多频率噪声的干扰,大大提高多 普勒信号的信噪比和测量精度,为设计高精度的激光多普勒测速仪创造了条件。 关键词:信号处理;激光多普勒;最小均方差自适应滤波技术;信噪比 中图分类号:TN249 文献标志码:A doi:10.5768/JAO20l233.0303008 Application of least mean square adaptive filter technology in laser Doppler velocimeter LIU Fan,JIN Shi—long,ZHOU Jian (College of 0pto_E1ectronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China) Abstract:Noise always exists in photoelectric signal detected by laser Doppler velocimeter (LDV).A new method of signal processing was proposed in order to eliminate the noise inter— ference and enhance the measurement accuracy of LDV.The least mean square(LMS)adaptive filter technology was applied in the signal detection system of LDV.By processing the Doppler signal,we greatly minished the interference of noise.The simulation and experiment results indicate that this technology effectively increases the signal to noise ratio(SNR)of Doppler sig— nal,reduces the system’S demand for SNR of signal,and obviously improves the noise—proof ability,the sensibility,as well as the measurement accuracy of LDV system.This application creates conditions for the design of high accuracy LDV. Key words:signal processing;laser Doppler;LMS adaptive filter technology;SNR 天、机械、能源等领域得到广泛的应用和快速的发 展[1 ]。LDV是利用运动微粒散射光的多普勒频 利用激光多普勒频移技术来确定流体的速度,激 光多普勒测速仪(1aser Doppler velocimeter, LDV)就以其测速精度高、测速范围广、空间分辨 率高、动态响应快、非接触测量等优点,在航空、航 移来获得速度信息的[5]。但是由于有效散射光很 弱且受声光调制器、杂散光、散射粒子的尺寸及位 置分布随机等因素的影响l_6],使得激光多普勒信 号信噪比比较低。而LDV的测速精度主要取决 收稿日期:2011—03—25;修回日期:2011-06—09 作者简介:刘帆(1987一),男,湖北黄冈人,硕士研究生,主要从事光学检测技术方面的研究。E-mail:fanliu@live・cn 应用光学2012,33(3)刘 帆,等:自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用 ・571・ 于多普勒信号的处理 ],因此对测得的多普勒信 由多普勒频移方程嘲知,到达检测器的两束 号进行处理,有效减小噪声的干扰,提高多普勒信 散射光的频移量分别为 号的信噪比是提高LDV测速精度的关键。 1, Av1一 (cos01+cos03) (1) 与传统的激光多普勒信号处理方法相比,最 C 厂 小均方差(1east mean square,LMS)自适应滤波技 Av2一 (cos02+cos03) (2) C 术不需要预先知道干扰噪声的统计特性,它能在 其中: 为激光的频率;C为光速。 逐次迭代的过程中将滤波器的工作状态自适应地 由此,检测器检测到的多普勒频移 调整到最佳,对抑制宽带噪声和窄带噪声都有效。 1厂 / 一△ 1一Av2一 (cos01一cos02)一 为此,本文在介绍激光多普勒测速基本原理的基 C 础上,阐述了LMS自适应滤波技术抑制噪声的基 2_v sin鲁cos (3) 本原理,针对激光多普勒信号中存在多频率噪声 其中:a是两束光之间的夹角; 是运动方向与光束 干扰的实际情况,基于MATLAB平台编写了 角平分线之间的夹角。从(3)式可以看出:一方面, LMS自适应滤波算法进行计算机仿真,并对实测 多普勒频移量与粒子运动速度成线性正比关系,因 激光多普勒信号进行降噪处理。 此通过探测多普勒频移量可以解算出待测粒子的运 动速度;另一方面,多普勒频移量与探测器接收方向 1激光多普勒测速的基本原理 无关,因此探测器不受位置的限制,可在任意方向进 任何形式的波传播,由于波源、接收器、传播 行探测。同时,系统中可使用大口径的接收透镜,这 介质、中间反射器或散射体的运动,都会使其频率 样更多的散射光可以被利用。这也正是双光束差动 发生变化。奥地利科学家多普勒(Doppler)于 型激光多普勒测速仪的优点所在。 1842年首次研究了这个现象,后来就把这种频率 变化称作多普勒频移。当激光照射在运动物体 2最小均方差自适应滤波技术的基 上,就会在物体表面发生漫反射现象,经运动物体 本原理 散射回来光波的频率相对于入射光波将会产生一 人们在平稳随机信号滤波的基础上建立了维 个偏移量,这个偏移量就是多普勒频移。由于多 纳滤波理论,根据有用信号和干扰信号的统计特 普勒频移与物体的运动速度恰好成正比关系,所 性(自相关函数或功率谱),以最小均方误差估计 以通过探测多普勒频移量就可以推算出物体的运 准则建立了维纳一霍夫方程。根据维纳一霍夫方 动速度。在双光束差动型激光多普勒测速模式 程所设计的滤波器称为维纳滤波器,它能最大程 中,两束强度相近的激光束同时照射到待测粒子 度地滤除干扰信号,提取有用信号。但是当输入 上,由探测器在任意方向接收散射光,如图1所示。 信号的统计特性未知或者发生变化时,这种滤波 其中两光束的夹角为a;0 和0 分别是待测粒子 器的滤波效果就不是最佳的。自适应滤波器不需 运动速度 与两束入射光之间的夹角;0。是 与 要预先知道干扰噪声的统计特性,它利用干扰噪 探测器接收方向的夹角。 声与被测信号不相关的特点,通过采用期望值和 负反馈值进行综合判断的方法来改变滤波器的参 数,自适应地调整滤波器的传输特性,尽可能地抑 制和衰减干扰噪声,以提高信号的信噪比。美国 斯坦福大学的维德罗(B.Widrow)和霍夫(M. 器 Hoff)在自适应理论方面进行了开创性的工作,提 出了最小均方差自适应算法[g]。自适应算法的出 现,极大地促进了自适应信号处理的理论研究和 应用。目前,自适应理论已广泛应用于信号处理 图1 双光束差动型激光多普勒测速法原理图 的各个方面——信号的检测、处理、控制等 ]。 Fig.1 Beam path of differential laser Doppler veiocime ̄r LMS自适应滤波器由参数可调的可编程数字 ・572・ 应用光学2012,33(3)刘 帆,等:自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用 滤波器和LMS系数修正自适应算法两部分组成,如 理想正弦信号 图2所示。可编程数字滤波器可以是FIR数字滤波 器,也可以是IIR数字滤波器。输入信号z( )通过 可编程数字滤波器后产生输出信号(或响应) ( ), 采样点数 叠加了高斯白噪声的信号 将其与期望信号y(n)进行比较,得到误差e( )=== .),( )一 ( ),并以此结果通过LMS自适应算法对 滤波器参数进行调整。如此循环,最终使误差e( ) 采样点数 的均方值最小,使得滤波器的输出 ( )尽可能地逼 近期望信号,最大限度地滤除噪声。 采样点数 一I 可编程数字滤波器 ( 图3仿真结果 T Fig.3 Simulation results 理想正弦信号的频谱、叠加了高斯白噪声信 ——+l 号的频谱以及LMS自适应滤波后信号的频谱,如 I LMS系数修正自适应算法II・一一一一 图4所示。 之 删 、 A/幽 误差信号 l O 1 5 O 5 l O 1 图2 LMS自适应滤波原理框图 理想正弦 叠加了高斯白噪LMS自适应滤波 信号的频谱 声的信号的频谱 后的信号的频谱 Fig.2 Schematic of LMS adaptive filter 3 LMS自适应滤波技术的仿真和实 验研究 光电探测器输出的信号是由多普勒信号和多 频率噪声组成的。采用LMS自适应滤波技术抑 制噪声,并对输出的信号进行快速傅里叶变换 (FFT),得到其频谱,谱峰值处对应的频率即为多 O 0 0 0 ∞ 如 O 0 O O 普勒频率,通过多普勒频率即可解算出待测粒子 频率/Hz×10 频率/加 Hz×1m 0 0 O 频率/Hz×10 (a) (b) (c) 的运动速度。仿真和实验均表明,LMS自适应滤 图4仿翼信号频谱 波技术可以有效地抑制激光多普勒测量中多频率 Fig.4 Spectrum of signals 噪声的干扰,大大提高多普勒信号的信噪比。 由图4(a)得知,理想正弦信号的频谱中只有 3.1仿真研究 一个峰值,没有噪声的干扰;从图4(b)中可知,叠 在MATLAB平台上进行LMS自适应滤波 加了高斯白噪声信号的频谱中,噪声能量较大,信 的仿真,设理想正弦信号为z(£)一sin(2n*5 000 号的信噪比约为11.93 dB;而由图4(c)知,经过 ),叠加上均值为1和标准差为1的高斯白噪声。 LMS自适应滤波后噪声的能量明显减小,信号的 编写LMS自适应滤波算法,对叠加了高斯白噪声 信噪比约为22.77 dB。可以看出LMS自适应滤 的信号进行自适应滤波。图3给出了理想正弦信 波技术对噪声的抑制作用很明显,经过滤波后信 号、叠加了高斯白噪声的信号和LMS自适应滤波 号的信噪比得到大大增加。另外,频谱图中峰值 后的信号。 谱对应的频率为4 883 Hz,与理想正弦信号的频 由图3(a)和图3(b)对比可知,叠加进了高斯 率5 000 Hz有一定的差距,这是由于FFT的分辨 白噪声的信号抖动幅度很大,理想正弦信号被淹 率Af= /N造成的,其中: 为采样频率;N为 没在噪声里,无法分辨出来。从图3(c)可以看出, 采样点数。 LMS自适应滤波后,经过一系列的反馈迭代自适 3.2 实验研究 应调整,LMS自适应算法很快找到了最佳的滤波 设计的双光束差动型激光多普勒测速仪实验装 系数。滤波后的信号很快地收敛,没有了毛刺,较 置,如图5所示。He-Ne激光器功率约为9 mw,发 为平滑,噪声滤除情况较好。 出的一束激光通过分光棱镜分成了等强度与等光程 应用光学2012,33(3) 刘 帆,等:自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用 ・573・ 的两束平行光,这两束平行光的间距d一50 mm, 焦距为f 一175 mm的透镜将两束平行光会聚到 旋转片上。散射光通过焦距为fz一75 mm的透镜 L 会聚并成像于雪崩二极管模块的探测器上。图 5中光栏和滤光片的作用是减小背景光噪声。光 栏的尺寸10 mm×10 mm的方孔,滤波片的透过 》 宙 脚 波长是400 nm~1 000 nm。雪崩二极管模块输出 的多普勒信号经过前置放大滤波电路由数据采集 卡进行实时采集并送入信号处理单元,即可得出 多普勒信号的频移量和旋转片上待测点切向运动 的线速度。 图5双光束差动型激光多酱勒测速仪实验装置图 Fig.5 Setup beam path of differential LDV LDV的光电探测器所输出的信号经过前置放 大滤波电路后得到多普勒信号。图6给出了系统 检测到的多普勒信号及其频谱通过LMS自适应 滤波后得到的信号及其频谱。 从图6(a)中可以看出,光电探测器输出的多 普勒信号中存在一些小的毛刺,这是由于前置放 大滤波电路去除了一部分的低频噪声和直流分量 后残留的噪声引起的;由图6(b)得知,经过LMS 自适应滤波后,信号中没有明显的毛刺,较为平 滑;图6(c)是检测到的多普勒信号的频谱图,光电 探测器输出多普勒信号的频谱中噪声的能量很 大,信号的信噪比约为12.83 dB;图6(d)是LMS 自适应滤波后信号的频谱图,从中可以看出,经过 LMS自适应滤波后噪声的能量明显减小,信号的 信噪比约为16.76 dB。所以说,经过LMS白适应 滤波后,信号频谱中的噪声大部分被抑制,信号的 信噪比大大增加。 > 0 脚 O 200 400 600 800 1鲫嘞 采样点数/n (a)检测到的多普勒信号 采样点数/n (b)LMS自适应滤波后的信号 (c)多普勒信号的频谱 频率/Hz Xl0 (d)LMS自适应滤波后信号的频谱 图6信号处理对比图 Fig.6 Processing of measured signals 4 结论 针对激光多普勒信号中存在多频率干扰噪声 的实际情况,本文将最小均方差自适应滤波技术 应用于多普勒信号的处理中。自适应滤波技术不 需要预先知道干扰噪声的统计特性,它能在逐次 迭代的过程中将滤波器的工作状态自适应调整到 最佳,对抑制宽带噪声和窄带噪声都有效。LMS 自适应滤波的仿真和实验研究都表明,将LMS自 适应滤波技术应用于激光多普勒测速仪是可行 的。它能够有效抑制多普勒信号中的多频率噪 声,明显地提高多普勒信号的信噪比,降低系统对 信号信噪比的要求,提高系统的抗噪能力、灵敏度 以及测速精度,为设计高精度的激光多普勒测速 仪创造了条件。 ・574・ 应用光学2012,33(3)刘 帆,等:自适应滤波技术在激光多普勒测速仪中的应用 参考文献: [1]TRUAX B E,DEMAREST F C,SOMMARGREN G E.Laser doppler velocimeter for velocity and length measurements of moving surface[J].Applied Op— tics,1984,23(1):67-73. 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