一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，包括：按照预设采样间隔采集模拟光电信号，并进行预处理，得到离散多普勒信号序列；将离散多普勒信号序列依次分解为较短的子序列；构造DFT迭代过程的三项变量因子矩阵；三项变量因子矩阵为：输入序列矩阵、系数旋转因子矩阵和DFT旋转因子矩阵；基于三项变量因子矩阵对子序列进行DFT的逐层迭代计算，得到多普勒信号序列幅值频谱及其最大值，并求出频谱最大值的主频序号；根据频谱最大值的主频序号依次计算多普勒频率和最终流体速度。本发明专利技术可以有效化简复数运算，提高运算效率与实时性，有利于实现现场在线测量。有利于实现现场在线测量。有利于实现现场在线测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法


[0001]本专利技术涉及流体速度测量
，更具体的说是涉及一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法。

技术介绍

[0002]激光多普勒测速技术是利用激光器且基于光的多普勒效应测量并计算流体(固体)速度的一种技术，具有非接触测量、准确度高、空间分辨率高和动态响应快等独特优势，基于该技术设计的激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)广泛应用于微粒测速、能源环保、临床医疗、生物医药、深潜勘探、卫星导航、工业生产等领域。
[0003]LDV主要由激光器、入射光学单元(分光系统)、收集光学单元(光接收系统)、多普勒信号处理系统、数据处理系统组成。其中多普勒信号处理系统负责对光接收系统收集的光电流信号进行预处理，提取多普勒信号后送至数据处理系统解算多普勒频率，最终计算得到速度。数据处理的过程通常由计算机完成，数据处理算法是LDV解算多普勒频率的关键。传统的数据处理算法有离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、基
‑
2快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)与混合基FFT的快速算法。这3种算法在LDV测速应用上都有各自的缺陷：DFT将时域离散信号转为频域离散表示，计算时包含大量复数运算，在LDV实际测量过程中，大量复数运算会导致多普勒信号解算时间较长、测量实际速度产生一定的滞后，使现场测量的效率与实时性无法满足要求；基
‑
2FFT只能接收点数为2幂次的序列，造成了LDV测量时多普勒信号序列点数的局限性，无法满足解算任意点数信号序列的普适要求；混合基FFT的快速算法是混合基FFT的简化算法，在处理实际信号序列时仅将序列点数分解为两项乘积，虽然相比于DFT在一定程度上提高了效率，但在序列点数较长以及序列点数为质数时运算效率与实时性仍旧不满足LDV现场测量的要求。
[0004]因此，如何提供一种能够有效化简复数运算，提高运算效率与实时性，有利于实现现场在线测量的测速方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，可以有效化简复数运算，提高运算效率与实时性，有利于实现现场在线测量。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，包括：
[0008]按照预设采样间隔采集模拟光电信号，并进行预处理，得到离散多普勒信号序列；
[0009]将所述离散多普勒信号序列依次分解为较短的子序列；
[0010]构造DFT迭代过程的三项变量因子矩阵；所述三项变量因子矩阵为：输入序列矩阵、系数旋转因子矩阵和DFT旋转因子矩阵；
[0011]基于所述三项变量因子矩阵对所述子序列进行DFT的逐层迭代计算，得到多普勒信号序列幅值频谱及其最大值，并求出频谱最大值的主频序号；
[0012]根据所述频谱最大值的主频序号依次计算多普勒频率和最终流体速度。
[0013]优选的，在上述一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法中，第m层DFT的表达式为：
[0014][0015]其中，X
m
表示第m层的输出序列矩阵，表示第m层的DFT旋转因子矩阵，X
m
‑1表示第m层的输入序列矩阵，表示第m层的系数旋转因子矩阵。
[0016]优选的，在上述一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法中，所述将所述离散多普勒信号序列依次分解为较短的子序列，包括：
[0017]将所述离散多普勒信号表示为N点序列x(n)形式，即x(0),x(1),
…
,x(N
‑
1)；
[0018]将N进行质因数分解，分解为N＝r1r2…
r
L
，其中，r1,r2,
…
,r
L
为L个从小到大依次排列的质数，用分解的L个质数作为混合基，将任意小于N的十进制非负整数表示为多基多进制形式。
[0019]优选的，在上述一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法中，第m层输入序列矩阵X
m
‑1的构造过程为：
[0020]设X
m
‑1最初为N维向量，对N进行质因数分解后，所述离散多普勒信号序列由N维向量变为X
m
‑1(k
L
‑1,k
L
‑2,
…
,k
L
‑
m+1
,n
L
‑
m
,
…
,n0)的L维矩阵，运用降维规则将L维矩阵降维为二维矩阵；
[0021]对降维后的二维矩阵进行DFT的迭代计算，输出二维矩阵X
m
；
[0022]对输出的二维矩阵X
m
按照降维时顺序的逆序重新升维成新的L维矩阵X
m
(k
L
‑1,k
L
‑2,
…
,k
L
‑
m
,n
L
‑
m
‑1,
…
,n0)，再按基顺序的逆序重新组合元素，构成N维向量，获得下一层的N维输入向量X
m
。
[0023]优选的，在上述一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法中，所述降维规则为：
[0024]将L维矩阵X
m
‑1的第m维元素X
m
‑1(n
L
‑
m
),n
L
‑
m
＝0,1,
…
,r
m
‑
1作为输入序列矩阵的第一列，r
m
表示第m个基；
[0025]将剩下维数中的元素按基的逆序，即r
L
r
L
‑1…
r
m+1
r
m
‑1…
r1的顺序依次添加到矩阵的列；
[0026]最终得到一个降维后的二维矩阵X
m
‑1(n
L
‑
m
,(k
L
‑1…
k
L
‑
m+1
n
L
‑
m
‑1…
n1n0))。
[0027]优选的，在上述一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法中，第m层的系数旋转因子矩阵由多个旋转因子子项的乘积组成，其表达式为：
[0028][0029]其中，t＝1,2,
…
,m
‑
1，表示第m层系数旋转因子子项的个数，为旋转因子子项；r
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，其特征在于，包括：按照预设采样间隔采集模拟光电信号，并进行预处理，得到离散多普勒信号序列；将所述离散多普勒信号序列依次分解为较短的子序列；构造DFT迭代过程的三项变量因子矩阵；所述三项变量因子矩阵为：输入序列矩阵、系数旋转因子矩阵和DFT旋转因子矩阵；基于所述三项变量因子矩阵对所述子序列进行DFT的逐层迭代计算，得到多普勒信号序列幅值频谱及其最大值，并求出频谱最大值的主频序号；根据所述频谱最大值的主频序号依次计算多普勒频率和最终流体速度。2.根据权利要求1所述的一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，其特征在于，第m层DFT的表达式为：其中，X
m
表示第m层的输出序列矩阵，表示第m层的DFT旋转因子矩阵，X
m
‑1表示第m层的输入序列矩阵，表示第m层的系数旋转因子矩阵。3.根据权利要求2所述的一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，其特征在于，将所述离散多普勒信号序列依次分解为较短的子序列，包括：将所述离散多普勒信号表示为N点序列x(n)形式，即x(0),x(1),
…
,x(N
‑
1)；将N进行质因数分解，分解为N＝r1r2…
r
L
，其中，r1,r2,
…
,r
L
为L个从小到大依次排列的质数，用分解的L个质数作为混合基，将任意小于N的十进制非负整数表示为多基多进制形式。4.根据权利要求3所述的一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，其特征在于，第m层输入序列矩阵X
m
‑1的构造过程为：设X
m
‑1最初为N维向量，对N进行质因数分解后，所述离散多普勒信号序列由N维向量变为X
m
‑1(k
L
‑1,k
L
‑2,
…
,k
L
‑
m+1
,n
L
‑
m
,
…
,n0)的L维矩阵，运用降维规则将L维矩阵降维为二维矩阵；对降维后的二维矩阵进行DFT的迭代计算，输出二维矩阵X
m
；对输出的二维矩阵X
m
按照降维时顺序的逆序重新升维成新的L维矩阵X
m
(k
L
‑1,k
L
‑2,
…
,k
L
‑
m
,n
L
‑
m
‑1,
…
,n0)，再按基顺序的逆序重新组合元素，构成N维向量，获得下一层的N维输入向量X
m
。5.根据权利要求4所述的一种基于混合基FFT的激光多普勒测速仪测速方法，其特征在于，所述降维规则为：将L维矩阵X
m
‑1的第m维元素X
m
‑1(n
L
‑
m
),n
L
‑
m
＝0,1,
…
,r
m
‑
1作为输入序列矩阵的第一列，r
m
表示第m个基；将剩下维数中的元素按基的逆序，即r
L
r
L
‑1…
r
m+1
r
m
‑1…
r1的顺序依次添加到矩阵的列；最终得到一个降维后的二维矩阵X
m
‑1(n
L
‑
m
,(k
L
‑1…
...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔骊水，张育闻，李春辉，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：