基于LabVIEW的激光多谱勒信号处理系统

 引言
    激光多谱勒位移测量技术具有精度高、信噪比高、动态响应快、线性好、抗干扰能力强、测量范围大和非接触性等特点，在远距离目标的振动位移和变形等动态参数检测上具有明显优势，可广泛应用于机械、航空、建筑和军事等领域。测量信号需要采集和处理，求取必要参数，以达到测试目的和要求。同时，虚拟仪器是一种功能强大的仪器系统，数据采集与处理是LabVIEW的核心技术。为此，开发了基于Lab-VIEW平台的测试系统，结合测量硬件部分，以图形化、人机化的方式采集和处理信号。

2 系统硬件设计
    测试系统的硬件设计由光学系统、机械系统和电路系统3部分组成。光学元件所发出一定频率的光经分光镜分为参考光和测量光。参考光被测量物体反射后与测量光产生一定的频率差，再由光电转换器转换为电信号，经滤波、放大，通过数据采集卡采集到计算机。其硬件系统框图如图1所示。

    光学系统运用激光多谱勒效应测量运动物体，产生一定频移的信号，由于信号相对弱、信噪比低、频带宽，对硬件系统提出较高要求。为了处理这类信号，需采用光电转换器转换为电信号，根据信号特点，要求该光电转换器灵敏度高，动态响应快。根据系统设计性能要求，则光电倍增管、光电二极管、雪崩光电二极管3种元件符合设计要求。同时按照量子效率、电流放大倍数、频率响应、检测器噪声和性价比等综合比较，结合系统特点，这里选用雪崩光电二极管。由于信号中含有频率成分较多噪声的低频成分以及频率成分单一噪声的高频成分，因此采用带通滤波器滤除噪声，提高信噪比。系统运用有源高通滤波器和无源低通滤波器合成为带通滤波器，其中有源滤波器成本低，质量可靠及寄生影响小，设计和调整过程简便，阻带衰减速度比无源滤波器快，因而有源高通滤波器更适合该系统低频滤波。信号高频部分的噪音是由声光调制器驱动引起的，由于对阻带衰减速度要求不高，因而其高频滤波采用无源低通滤波器。输出信号需要放大，考虑到参数选用ADI公司的ADL5531全校准对数一限幅IF放大器，全部增益80 dB，带宽480 MHz，从而满足信号采集卡的技术指标要求。图2为带通滤波器的电路设计。

    数据采集卡是VI的入口，它将调理后的信号以一定的采样频率采集并存储至数据采集卡，采用UAD08S采集卡，PCI总线连接，采用独立的8位分辨率A／D转换器保持同步，实现准确同步采集测量数据，并消除相位误差。采样率则从2 MS／s调整到400 MS／s。

3 系统软件设计
    LabVIEW软件是虚拟仪器领域最具代表性的图形化编程软件。其直观的前面板与流程式的编程方法相结合，简化而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境，具有灵活的程序调试手段，强大的函数库功能，可以支持多种系统平台。
    程序开发建立lv的工程文件，逐步开发，主要功能包括硬件基本信息报表、界面设计、信号采集设计、信号处理、数据打印、存储等。所有功能设计完成后，生成基于LabVIEW引擎的、可独立运行的laser．exe程序。测试系统程序流程图如图3所示。

    界面根据一致性、可用性、功能性等原则进行设计，包括设置、信号处理、工具、操作、帮助等功能性菜单，消息响应框。同时根据人机交互界面设计要求，美化界面，设置欢迎词。
3．1 信号采集
    信号采集部分包括功能初始化程序、采集卡参数初始化程序、采集卡参数设置程序和主程序。采用NI-DAQ分配通道，它有两种方法：选择虚拟通道和使用通道字符串。前者在应变虚拟通道配置时具有应变采集标界定、灵活的面、零漂补偿、通道设置无需另外的代码等优点，故此选择虚拟通道。主程序采用循环结构，当程序运行时，首先利用功能菜单对.vi进行初始化，然后读取采集卡参数：采集卡序列号、存储深度、最大采样速率和初始化错误、设置采样速率、采样点数和通道量程。循环结构采用while循环，当执行条件为真时，反复执行程序，实时地显示信号；当执行条件为假时，停止执行程序，并保存显示信号。
3．2 信号处理
    图4为信号处理程序流程图。通过数据采集的信号，调用滤波子VI。根据信号要求，滤波下限频率为1 MHz，滤波上限频率为100 MHz．将取1～100 MHz的信号处理，其他部分信号清零，保证采集数据的完整和精确。信号处理设计部分按照信号处理要求，选择变步长算法，调用剔除奇异点子VI，采用时频分析方法将时间一电压关系转换为时间一频率关系，进一步利用关系式精确求得速度和位移并分别存储。

4 实验验证
    将激光器、振动台、信号调理电路、采集卡线路连接正确，打开激光器供电电源，运行基于LabVIEW的激光多谱勒信号处理系统，设置采集卡相关参数，点击开始测量，信号开始采集，经信号处理功能模块计算后，位移曲线如图5所示。

5 结论
    LabVIEW作为图形化编程软件，是开发虚拟测试系统的一种功能强大、方便快捷的编程工具。使用LabVIEW开发环境进行仪器系统设计、测试和实现，可以减少系统开发时间，并具有明显的使用效果。同时，虚拟仪器在激光多普勒信号测量技术中的应用也是首例。实践证明，利用LabVIEW开发的激光多谱勒信号处理系统能较好地完成信号显示、时间的自动保存以及数据处理、保存等功能，从而为激光多谱勒测量技术应用前景提供强有力的技术支持。