引言

激光多譜勒位移測量技術具有精度高、信噪比高、動態響應快、線性好、抗干擾能力強、測量范圍大和非接觸性等特點，在遠距離目標的振動位移和變形等動態參數檢測上具有明顯優勢，可廣泛應用于機械、航空、建筑和軍事等領域。測量信號需要采集和處理，求取必要參數，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，數據采集與處理是LabVIEW的核心技術。為此，開發了基于Lab-VIEW平臺的測試系統，結合測量硬件部分，以圖形化、人機化的方式采集和處理信號。

2 系統硬件設計

測試系統的硬件設計由光學系統、機械系統和電路系統3部分組成。光學元件所發出一定頻率的光經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生一定的頻率差，再由光電轉換器轉換為電信號，經濾波、放大，通過數據采集卡采集到計算機。其硬件系統框圖如圖1所示。

光學系統運用激光多譜勒效應測量運動物體，產生一定頻移的信號，由于信號相對弱、信噪比低、頻帶寬，對硬件系統提出較高要求。為了處理這類信號，需采用光電轉換器轉換為電信號，根據信號特點，要求該光電轉換器靈敏度高，動態響應快。根據系統設計性能要求，則光電倍增管、光電二極管、雪崩光電二極管3種元件符合設計要求。同時按照量子效率、電流放大倍數、頻率響應、檢測器噪聲和性價比等綜合比較，結合系統特點，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，質量可靠及寄生影響小，設計和調整過程簡便，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低頻濾波。信號高頻部分的噪音是由聲光調制器驅動引起的，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，考慮到參數選用ADI公司的ADL5531全校準對數一限幅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指標要求。圖2為帶通濾波器的電路設計。

數據采集卡是VI的入口，它將調理后的信號以一定的采樣頻率采集并存儲至數據采集卡，采用UAD08S采集卡，PCI總線連接，采用獨立的8位分辨率A／D轉換器保持同步，實現準確同步采集測量數據，并消除相位誤差。采樣率則從2 MS／s調整到400 MS／s。

3 系統軟件設計

LabVIEW軟件是虛擬儀器領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合，簡化而又更易于使用的基于圖形化編程語言G的開發環境，具有靈活的程序調試手段，強大的函數庫功能，可以支持多種系統平臺。

程序開發建立lv的工程文件，逐步開發，主要功能包括硬件基本信息報表、界面設計、信號采集設計、信號處理、數據打印、存儲等。所有功能設計完成后，生成基于LabVIEW引擎的、可獨立運行的laser．exe程序。測試系統程序流程圖如圖3所示。

界面根據一致性、可用性、功能性等原則進行設計，包括設置、信號處理、工具、操作、幫助等功能性菜單，消息響應框。同時根據人機交互界面設計要求，美化界面，設置歡迎詞。

3．1 信號采集

信號采集部分包括功能初始化程序、采集卡參數初始化程序、采集卡參數設置程序和主程序。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。前者在應變虛擬通道配置時具有應變采集標界定、靈活的面、零漂補償、通道設置無需另外的代碼等優點，故此選擇虛擬通道。主程序采用循環結構，當程序運行時，首先利用功能菜單對.vi進行初始化，然后讀取采集卡參數：采集卡序列號、存儲深度、最大采樣速率和初始化錯誤、設置采樣速率、采樣點數和通道量程。循環結構采用while循環，當執行條件為真時，反復執行程序，實時地顯示信號；當執行條件為假時，停止執行程序，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。通過數據采集的信號，調用濾波子VI。根據信號要求，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，保證采集數據的完整和精確。信號處理設計部分按照信號處理要求，選擇變步長算法，調用剔除奇異點子VI，采用時頻分析方法將時間一電壓關系轉換為時間一頻率關系，進一步利用關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，設置采集卡相關參數，點擊開始測量，信號開始采集，經信號處理功能模塊計算后，位移曲線如圖5所示。

5 結論

LabVIEW作為圖形化編程軟件，是開發虛擬測試系統的一種功能強大、方便快捷的編程工具。使用LabVIEW開發環境進行儀器系統設計、測試和實現，可以減少系統開發時間，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中的應用也是首例。實踐證明，利用LabVIEW開發的激光多譜勒信號處理系統能較好地完成信號顯示、時間的自動保存以及數據處理、保存等功能，從而為激光多譜勒測量技術應用前景提供強有力的技術支持。