摘要
激光多普勒测速(LaserDopplervelocimetry,LDV)具有精度高、线性度好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等优点，在航空、航天、机械、能源等领域得到广泛应用。数字信号处理具有测量精度高、灵敏性好、可以测量间断信号等优点，是LDV能够实现速度精确测量的关键，本文针对多普勒频率解算和信号降噪开展了研究。 首先，搭建了双光束-双散射模型光路，利用电动机带动旋转的直径150mm金属圆盘模拟被测运动物体，采用雪崩二极管光电转换模块接收光信号，建立了激光多普勒测速实验平台。在此基础上，提出了激光多普勒信号频率校正及信号降噪。通过FFT频谱分析得到信号信息，针对频谱分析误差，利用四项Nuttall窗函数与五项MSD窗函数的混合卷积窗抑制频谱混叠现象，然后利用改进六谱线插值算法进行频率调整，采用三次B样条对插值系数进行拟合，避免解高次方程，得到最优谱线，获得较好的速度测量信号。针对信号中的噪声干扰，提出一种联合降噪方法，首先利用麻雀搜索算法(Sparrowsearchalgorithm,SSA)确定分解层数K，然后通过变分模态分解(Variationalmodedecomposition,VMD)对含有噪声的激光多普勒信号进行分解，保留较为纯净的分量，去除噪声较多的分量，然后对含有部分噪声的分量再进行小波包阈值去噪(Waveletpacketthresholddenoising,WPTD)，选取纯净的节点与纯净分量进行重构，形成降噪信号，最后进行频率提取，获得高精度的速度测量信号。 利用仿真及实测信号对本文提出的频率校正和联合降噪方法进行验证。仿真信号低频域和高频域分别选择5MHz和5GHz的采样率，实测信号采样频率为10MHz，通过光电编码器测量圆盘转速，结合圆盘直径计算出圆盘转动的线速度，根据激光多普勒测速的频率速度公式计算出多普勒频移，与用本文方法计算的多普勒频移进行对比。采用本文提出的混合卷积窗改进六谱线插值算法进行多普勒频率解算，仿真信号频率相对误差低于0.0005%，实测信号速度相对误差在0.00146%~0.00213%之间。采用SSA-VMD-WPTD联合降噪，仿真信号与实测信号的信噪比均有较大提升，实测信号速度相对误差在0.00081%~0.00114%之间，测速误差相比直接进行频率解算减小了50%以上，有效地降低激光信号中的噪声分量，提高信号检测精度。
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