CN101799318B - 一种激光零差测振光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电检测技术领域，具体为一种激光零差测振光学系统及相应的信号处理方法。本发明将象元数大于2或象元数等于2的探测器引入激光零差测振光路中，得到两路有固定相位差(小于180°)的光电信号，利用最小二乘法可以把它们校正为两路正交信号(相位差为90°)。本发明提出了一种新的处理正交信号的计算方法，可以把振动信号从两路互相正交的信号(相位差为90°)中求解出来，进而可以求解振动速度、加速度等信息。解决了现有零差测振装置受环境温度、湿度影响大，调试难度高，信号处理时间开销大等问题。不仅可以用于一维振动信号的测量和对振动传感器的校准，还可以测量目标速度及物体微小形变等方面。

Description

一种激光零差测振光学系统

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体为一种激光零差测振光学系统及相应的信号处理方法。 

技术背景

由于采用非接触测量，激光测量技术测量精度高，广泛应用于各种军事目标的测量和精密民用测量中，尤其是在测量各种微弱振动、目标运动的速度及物体微小形变等方面。在振动方面的测量技术主要有：参考光测量技术、全息干涉法测量技术、散斑法测量技术、莫尔条纹法测量技术等。参考光测量技术利用相干的激光束照射振动物体表面，由于光波多普勒效应，被物体表面反射或散射回来的光会发生频移。在光波长一定时，这种频移唯一的决定于振动面相对于观察者的运动速度。利用光学与电子学的方法测出反射光(或散射光)的频移，便可测得振动表面的振幅、振动频率、速度和加速度等各个振动参数。全息干涉测量技术是在物体拍摄全息图的曝光时间内，令物体做稳态周期振动，并使曝光时间远大于振动周期。这样获得的全息图，在参考光束照明下，可以给出物体原始像，并附有干涉条纹。这些干涉条纹带有振幅的信息，称为振型图，通过对振型图的分析得到振动信息。散斑法测量技术利用振动体表面多点光源的散射光在空间相互干涉，通过对这些干涉条纹的处理，得到物体表面的振动情况。莫尔条纹法测量技术：莫尔条纹是由一个周期性的振幅图形和另一个周期性的振幅图形叠加形成的。采用矩形光栅，应用阴影型莫尔条纹原理来实现对振动的测量。 

在上述各种测量方法中：散斑法测量技术数据处理过程复杂且十分耗时，不能用于在线测量；全息干涉法测量技术记录的信息过多，对记录介质的分辨率要求过高；莫尔条纹法仪器调试比较困难。相对其它几种振动测量技术参考光测量技术的优点在于：利用参考光原理设计的测量系统所需要的光电器件较少。因此，这些系统便于调试，成本较其它系统低。同时由于光电器件的减少，也减少了干扰因素的来源，提高了系统的稳定性和可靠性。 

参考光测量法包括外差测振技术和零差测振技术。外差测振技术是参考光经移频后与信号光入射到探测器的光敏面上并发生干涉；外差测振技术由于在光路 中引入了移频器件，依据此技术开发的测振装置成本较高、体积大、对激光光功率要求高。零差测振技术无须在光路中引入了移频器件，依据此技术开发的测振装置成本较高、体积大、对激光光功率要求高。零差测振技术无须在光路中引入移频器件，参考光直接与信号光入射到探测器的光敏面上并发生干涉；因此，此技术开发的测振装置成本低、体积小、调试更容易、对激光光功率要求低。 

图2为国际上普遍采用的零差测振光路图，它由激光器、偏振片1、1/4波片、分光棱镜、偏振片2、参考镜、偏振分光棱镜、探测器1、探测器2以及被测面组成。激光器发出的激光束经偏振片1起偏后变为线偏振光，再经1/4波片变为圆偏振光，经分光棱镜分光后，一束光照射在被测面并被反射再经分光棱镜反射，此为信号光；另一束光经偏振片2，再经参考镜反射，经分光棱镜透射，此为参考光。参考光与信号光经偏振分光棱镜发生干涉，理想情况下，探测器1和探测器2输出两路互相正交的信号；但由于光学系统的不稳定性、两个探测器的增益并不严格相同以及探测器前置放大电路的温漂，探测器1和探测器2输出的两路信号并非正交信号，因此需要把这两路信号校正成正交信号。本光路存在的问题：由于引入了1/4波片，该光路对温度和波长比较敏感；由于引入了偏振分光棱镜，该光路的成本较高；为了实现精确测量必须要保证两个探测器到偏振分光棱镜的距离严格相等(这是很难实现的)。这些限制了该项技术在工程上的应用。 

国际上信号处理方法为：首先利用最小二乘法把两路非正交信号校正成正交信号，然后利用相位解缠绕运算求解出振动信号。但是解缠绕运算的运算量大，难以实现实时测量。 

发明内容

本发明的目的是提供一种调试简单、受环境因素影响小、结构简单紧凑的激光零差测振光学系统和相应的信号处理方法。 

本发明的技术解决方案如下： 

本发明的光学系统具体为图3、图4所示： 

图3所示的光学系统由激光器1、准直器2、分光棱镜3、参考镜4、二象限探测器5和被测面6组成。从激光器1发出的激光经准直器2准直，经分光棱镜3分束后，一束光被参考镜4反射后再次透射分光棱镜3，此为参考光束；另一 束光被被测面6反射后，经分光棱镜3反射，此为信号光束。参考光束和信号光束在二象限探测器5表面发生干涉，调整参考镜4的竖直和水平方向使干涉条纹间距大于二象限探测器5的光敏面的直径(干涉条纹间距和二象限探测器光敏面直径大小关系如图5所示：干涉条纹间距大于探测器的光敏面直径)，二象限探测器5将输出两路相位差固定的信号U₁、U₂。 

图4所示的光学系统由激光器1、分光棱镜3、参考镜4、二象限探测器5和被测面6组成。从激光器1发出的激光经分光棱镜3分束后，一束光被参考镜4反射后再次透射分光棱镜3，此为参考光束；另一束光被被测面6反射后，经分光棱镜3反射，此为信号光束。参考光束和信号光束在二象限探测器5表面发生干涉，调整参考镜4的竖直和水平方向使干涉条纹间距大于二象限探测器5的光敏面的直径(干涉条纹间距和二象限探测器光敏面直径大小关系如图5所示：干涉条纹间距大于探测器的光敏面直径)，二象限探测器5将输出两路相位差固定的信号U₁、U₂。 

本激光零差测振光学系统，探测器为二象限探测器或双点探测器或四象限探测器或双四象限探测器或者为其它象元数大于等于2的探测器。 

本激光零差测振光学系统中激光发出的可以是偏振光或非偏振光。例如可以在图3所示的光学系统中的激光器1和准直器2或者准直器2和分光棱镜3之间插入偏振片，把非偏振的激光变为偏振光；可以在图4所示的光学系统中的激光器1和分光棱镜3之间插入偏振片，把非偏振的激光变为偏振光。 

图3所示的激光零差测振光学系统，参考镜4和被测面6的位置可以互换；图4所示的激光零差测振光学系统，参考镜4和被测面6的位置可以互换。 

信号处理方法如下： 

设被测面的振动位移为s(t)，则它引起的相位调制为 

λ为激光波长。根据相干理论，二象限探测器的输出信号可以表示为： 

U₁＝a+h·cos(Φ(t)+δ)      (1) 

U₂＝b+k·cos(Φ(t))         (2) 

其中a、b为由探测器及其后续电路的温漂引起的直流分量，一般不等；h、k是探测器的增益，由于象元间的不均匀性，一般也不等。在比较短的采样时间内，a、b、h、k可以认为是常数。δ为两路信号的相位差。利用最小二乘法可以把a、b、h、k、δ求出。进而得到两路正交信号： 

I₁＝sin(Φ(t))                    (3) 

I₂＝cos(Φ(t))                    (4) 

I₁、I₂是关于a、b、h、k、δ的表达式。 

国际上对这两路正交信号的处理方法为：(3)式除以(4)式得tan(Φ(t))＝I₁/I₂，做反正切运算Φ(t)＝arctan(I₁/I₂)+kπ，k为整数，再做解缠绕运算就可确定k和Φ(t)，进而求得振动信号 $s\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\mathrm{\Φ}\left(t\right).$ 该方法运算复杂，运算量大。 

本发明提出了一种新的处理这两路正交信号的方法。具体计算步骤为： 

①利用最小二乘法把二象限探测器输出的两路信号U₁和U₂校正成正交信号I₁(如(3)式)、I₂(如(4)式)。 

②对正交信号进行处理：(3)式做微分运算 

dI₁＝cos(Φ(t))·dΦ(t)           (5) 

(5)式除以(4)式得： 

$\frac{{\mathrm{dI}}_1}{I_2}\mathrm{d\Φ}\left(t\right)---\left(6\right)$

对(6)式做积分运算就可求得相位调制Φ(t)： 

$\mathrm{\Φ}\left(t\right)=\∫\frac{1}{I_2}{\mathrm{dI}}_1---\left(7\right)$

③计算被测面的振动信号： 

$s\left(t\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\·\mathrm{\Φ}\left(t\right)---\left(8\right)$

则振动面的速度和加速度分别为： 

$\mathrm{\ν}\left(t\right)=\frac{\mathrm{ds}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

$a\left(t\right)=\frac{d^{2}s\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}---\left(10\right)$

此外，也可以对信号I₂(如(4)式)微分后除以I₁(如(3)式)，按同样的步骤计算出振动信号。 

本发明提出的激光零差测振光学系统所需光学元件少、结构简单紧凑、受环境影响小、调试容易；相应的信号处理方法运算量小，有利于实现实时测量。依据它们开发出的零差测振装置不仅可以用于一维振动信号的测量和对振动传感器的校准，还可以测量目标速度及物体微小形变等方面。解决了现有零差测振装置受环境因素影响大、调试难度高、信号处理时间开销大的问题。 

附图说明

图1为本零差测振系统的流程框图。 

图2为国际上广泛使用的零差测振光学系统示意图。 

图3为本发明零差测振光学系统示意图。其中：1-激光器，2-准直器，3-分光棱镜，4-参考镜，5-二象限探测器，6-被测面。 

图4为与图3类似的零差测振光学系统示意图。其中：1-激光器，3-分光棱镜，4-参考镜，5-二象限探测器，6-被测面。 

图5为干涉条纹间距与探测器光敏面直径大小关系示意图。 

图6为本实施例中系统示意图。其中：1-激光器，2-准直器，3-分光棱镜，4-参考镜，5-二象限探测器，6-被测面。 

图7为本实施例的测试数据图。 

具体实施方式

本实施例中的系统示意图如图6所示。在本实施例中，所用的激光器为波长为632.8nm的He-Ne激光器；准直器为一单筒望远镜；分光棱镜的材料为BK7，口径30mm×30mm，45°入射时透射能量与反射能量之比为1∶1；参考镜为一平面镜，材料为BK7，口径Φ30mm，45°入射时反射率大于99.5％；利用PacificSilicon Sensor公司生产的QP1-6型号的四象限探测器代替二象限探测器5(四象限探测器的光敏面Φ1mm，只用其中的两个象元)；被测面为扬声器，测量扬声器的振动。 

激光器1发出的激光经准直器2准直后，经分光棱镜3分光，一束光被参考镜4反射再经分光棱镜3透射，此为参考光束；另一束光被被测面扬声器6反射 再经分光棱镜3反射，此为信号光束。信号光与参考光在探测器5表面发生干涉。利用信号发生器产生800Hz的正弦信号驱动被测面扬声器6，从探测器5输出的两路光电信号U₁、U₂经放大、滤波、A/D转换后输入计算机，首先利用最小二乘法把两路信号校正为正交信号，再利用本发明提出的处理方法把扬声器的振动信号求解出来。实现的振动测试结果如图7所示。(本实施例中低通滤波器的截止频率为100KHz。本次采样率为5MHz，对2200个点处理。) 

Claims (3)

1.一种激光零差测振光学系统，由激光器、探测器、光学镜片、被测物面和信号处理部分组成，其特征在于系统光路由激光器(1)、准直器(2)、分光棱镜(3)、参考镜(4)、探测器(5)和被测面(6)组成，从激光器(1)发出的激光束经准直器(2)准直后，经分光棱镜(3)分成两束，其中一束光被参考镜(4)反射后再次透射分光棱镜(3)，作为参考光束，另一束光被被测面(6)反射后，再经分光棱镜(3)反射，此为信号光束，参考光束和信号光束在探测器(5)表面发生干涉，由探测器(5)输出两路有固定相位差的信号U₁、U₂；或系统光路由激光器(1)、分光棱镜(3)、参考镜(4)、探测器(5)和被测面(6)组成，从激光器(1)发出的激光束直接经分光棱镜(3)分成两束，其中一束光被参考镜(4)反射后再次透射分光棱镜(3)，作为参考光束，另一束光被被测面(6)反射后，再经分光棱镜(3)反射，此为信号光束，参考光束和信号光束在探测器(5)表面发生干涉，由探测器(5)输出两路有固定相位差的信号U₁、U₂；上述两路电信号U₁、U₂再进入信号处理部分，求解出被测面的振动信息，其信号处理步骤如下：

①利用最小二乘法把探测器输出的两路信号U₁和U₂校正成正交信号：

I₁＝sin(Φ(t))，I₂＝cos(Φ(t))；

②对正交信号进行处理：对I₁进行微分运算dI₁＝cos(Φ(t))·dΦ(t)后除以信号I₂，再对dΦ(t)进行积分得到相位调制

③计算振动信号：

振动面的速度：

振动面的加速度：

其中上述探测器是像元数大于2或等于2的探测器。

2.根据权利要求1所述的激光零差测振光学系统，其特征在于光学系统中的探测器采用二象限探测器、或双点探测器、或四象限探测器、或双四象限探测器。

3.根据权利要求1所述的激光零差测振光学系统，其特征在于信号处理步骤中，可对电信号I₂微分后除以信号I₁，按权利要求1所述的步骤计算出振动信号。

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