噪声信号与速度测量，本文主要内容关键词为：噪声论文,测量论文,信号论文,速度论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 关于速度测量
准确地测量运动物体的速度一直是物理学和应用技术中被人们关心的课题，几个世纪以来，人们研究了许多速度测量方案，制造出相应的测量仪器，广泛地用于各种场合下的速度测量。例如，车速计、航速计、转速计、液体（气体）流速计、工业生产和实验室中各种运动物体的测速计，等等。这些应用，都说明了速度测量的重要性。
近年来，随着对现有测速仪器的使用和观察研究，作者逐渐感到它们还不是十全十美。以机动车测速为例，通常的车速计是用机械的或电子的方法去测量车轴（车轮）的转速，经过适当的换算在仪表上显示出车速。这种测速方法的缺点是容易损坏（机械装置），并且不能在任何时候都准确地指示车辆的真实速度。原因在于车轴转速与车速的等值性并不能绝对地得到保证：当车轮与地面间呈理想的滚动摩擦状态时，这种测量是准确的；但当车轮与地面间有滑动现象存在时，仪表的指示就与实际车速不符了。车轮打滑在实际上又极常见，在路面（或铁轨面）摩擦力减小以及采取制动措施时都会出现。其他测速方法也都会有各自的不足之处。
因此，不断地研究新的测量方法和新的测量仪器，以满足不同场合的测速需要，应当是必要的并具有应用前景的。直接地测量运动物体相对速度，应当作为主要的研究方向。
2 一种新的速度测量方案
基于上述思考，作者近年来进行了相关的研究，试图避开中间环节，直接测速，并找到了一种可行的方案。
在物理学中，速度有精确的定义，它是指质点在单位时间中的位移（平均速度）。在实验室中，就常常是严格按照这个定义，测量运动物体经过两个标志物所用的时间，从而求得速度值的。然而在自然环境中，这样做却很困难，因为这时缺少借以获取速度信号的标志物。即使是在各种不同等级的道路上，为了测速去大量敷设标志物，也是极不现实的。因此，能否在不敷设参照物的情况下取得用于速度测量的信号，就成了这种测速方法的关键。研究中，通过对这一问题进行反复的思考和实验，已取得初步成效。
下面对其基本原理加以说明。
如图1所示，两个传感器沿着运动方向前后排列（根据相对性原理，传感器可以是在运动物体上或是在地面上，图中是在运动物体上），对于不同的检测对象，传感器使用不同的类型，这里以光传感器为例进行说明。两个光敏管的接收面指向路边或路面（图中示意为指向路面）。路面虽然没有明显的标志物，但道路各处的反射系数均不相同，这是由于表面平整度、杂质、颜色以及受污染程度等不一致而造成的。这样，光传感器就可以收到由不均匀的路面反射光形成的信息，如图1（b）所示。图中上面是A传感器收到的信号，称为A路信号；下面是B 传感器收到的信号，称为B路信号。由于路面光反射强度的随机性， 两个传感器收到的信号都是杂乱无章的，如同噪声一样，但在本测速方法中，它们又确实是有用的信息，所以这里暂称之为噪声信号。从表面上看起来，这两路噪声信号似乎没有什么用，但是如果仔细加以分析比较，就能从中发现非常有用的信息：A路和B路噪声信号“杂乱无章”的规律是一样的！
（a）测速装置示意图；（b）噪声列延迟示意图
（图中示意在t′时刻开始采样，B路在Δt以后出现与A路相同的噪声信号）
为了方便说明这一点，在图1（a）中，对路面平整度进行了夸张（如果水平线是代表路面反射状况的话，则并不是夸张的）。在图1（b）中，在A路噪声信号上，任意截取一段，用粗黑线表示，在B路噪声信号中则总是会存在形状相同的一段，只是在时间上B路的这一段较A路延迟了Δt。这是由于B传感器位于A传感器的后面，对于任意的地面“景物”（注：指地面反光系数不均匀处。它具有多样性：如道路光学特性的差异，车辆运动时的颠簸（导致反射的不同）；路旁的树木和其他非光学量：如声学特性的差异，磁场的不均匀性等。但限于条件，尚未能有效地进行实验。）x[,i]，B传感器总是滞后于A传感器到达该处。 延迟量Δt的大小取决于A，B传感器之间的距离L和它们整体的运动速度v，即
Δt＝l／v，
其中L是一个固定的值，因此Δt就惟一地由相对运动的速度来决定了，它与速度成反比。
据此，只要测量出L值，并设法计算出Δt，就可以知道速度值了。
3 初步的实验验证
为了能够计算出Δt， 曾采用模拟的和数字的方案进行了初步实验。下面介绍数字的实验方案，如图2所示。实验是采用武汉产TD－3自开发型8031单片单板机进行的：A，B两路信号经放大和低通滤波后送入TD－3的I／O输入口，由该机A／D转换器（ADC0809）转变为数字信号后，被送入RAM中两个不同的区域保存起来。由于B路信号滞后于A路， 因此计算软件先从A区（存储器内存储A路信号的区域）中取出一段数据，然后在B区（存储器内存储B路信号的区域）中寻找该数据，并计算两者相差的存储单元数，从而得出时差Δt。最后由软件将Δt转换为速度值显示出来。
初步的实验结果证实了方案的正确性。
从工作原理上说，该方案所得测量值的精度可以是很高的，它取决于L和Δt。L系设计值，由安装工艺来保证其精度，误差小于 1／100（甚至1／1000）一般是不难的，因此关键是Δt的精度。按本实验的计算方法（或许会有更好的算法），Δt的精度从原理上说没有上限， 它取决于在该时间内的采样点数，采集到的数据点越多，计算结果的精度就会越高，但这要求采集速度足够快，因而会增加硬件成本。采样点数S＝L／vT（式中T为采样周期，它等于A／D转换时间与相关程序运行耗时的总和；v是运动速度），高速时为得到较大的S值，就要求T足够小，其定量关系可由上式求出。样机所用的A／D转换器ADC0809，转换速度较慢（每次采样约需120μs），在高速时采样点就较少，仅适合于中、低速侧量。样机在50km／h中等速度时，分辨率可达1km／h。实验表明，经D／A变换后用电流计来指示速度值，有更好的直观性。目前实验样机较容易受到干扰，显示尚不够稳定，有待于今后进一步改进。
4 结论
本文提出的这种根据噪声信号在两个传感器中被接收及其相关性的分析来实现速度测量的方法，经过原理性的实验，证明它是正确的。由于是非接触测速，所以它不仅可以用于上文所述的车辆测速，也可以用于其他方面，例如制造可携带的微型测速仪、转速仪等，其应用前景应当是光明的。当然这还需要进一步的努力，研制出精密的器件、探头、电路、软件，并完善它的功能。