CN103308151A - 一种外差式激光测振装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外差式激光测振装置及方法，属于光电测量技术领域。使用本发明的装置获得频率已经平移到无线电频率范围的振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集振动激光多普勒信号波形数据序列；在波形采集序列前缘截取一个载波周期的波形段；对该波形段进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

将波形段平移滑动一个采样点，进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

重复执行该滑动拟合过程，直至数据序列终点。

Description

一种外差式激光测振装置及方法

技术领域

本发明涉及一种外差式激光测振装置及方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

调制域测量就是让被测量的物理量对另外一种物理量（例如声波、光波、电磁波等）产生调制，然后，利用调制域测量技术手段将其从已调制信号波形中解调出来，它是调制域测量中的基本功能。

由于运动的多普勒效应本身产生的是一种频率调制现象，而相应的测量可以归结为具有间接测量特征的非接触、调制域测量，因此，从中分析与获取实际物理量的瞬变过程，可以称为调制域瞬变信号的分析与处理过程。目前，在高精度振动、冲击测量测试中应用最广泛是以激光干涉方式，借助于激光多普勒效应的调制域测量、分析与处理方法，它是目前准确度最高的振动、冲击计量校准手段。

当载波信号比较规整平稳，且信噪比较高时，有许多调制解调理论、方法和技术可以采用，但是当载波信号由于某种原因变化比较大、信噪比较低，或呈现剧烈的非平稳等特征时，该类信号的解调给人们提出了巨大的挑战，在很多情况下无法解调出正确的结果。因此，人们一直试图寻找出克服该技术难点的解决方案，使用最小二乘拟合的模型化测量方法有良好的鲁棒性，对非平稳、低信噪比状况下的解调有望给出更良好的测量结果，并且使人们有可能从每一次实验数据中都能够准确获取解调波形及其特征量值。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种外差式激光测振装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种外差式激光测振装置，该装置包括稳频激光器1、偏振片2、分光镜3、移频器4、反射镜5、半透半反镜A6和半透半反镜B7、光电转换器9、数据采集系统10、电子计算机11；

由稳频激光器1发出的稳频激光，经过偏振片2、分光镜3一分为二，一路经过移频器4移频f_c后经过反射镜5、穿过半透半反镜6与另一路合束干涉进入光电转换器9接收；另一路穿过半透半反镜7进入被测振动物体8表面，经过被测振动物体8表面反射后返回，经半透半反镜B7和半透半反镜A6反射后与前一路激光合束干涉被光电转换器9接收；

光电转换器9输出的信号是载波频率等于移频f_c的频率调制信号，该信号经过数据采集系统10采集，经计算机11进行数字化解调后，光电转换器9接收的信号的瞬时频率与载波频率f_c差异部分组成频率解调波形序列：

按照式(1)计算获得振动速度波形序列

按照式(2)计算获得振动加速度波形序列

本发明的一种外差式激光测振方法，步骤为：

使用本发明的装置获得频率已经平移到无线电频率范围的振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集振动激光多普勒信号波形数据序列；

在波形采集序列前缘截取一个载波周期的波形段；对该波形段进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

将波形段平移滑动一个采样点，进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

重复执行该滑动拟合过程，直至数据序列终点。

获得频率解调波形序列：

为振动激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实际的振动波形输出。

按式(1)计算获得振动速度序列值

${\hat{v}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\hat{f}}_i---\left(1\right)$

式中，λ为激光波长；

按式(2)计算获得振动加速度序列值

$a\left(t\right)=\frac{\mathrm{dv}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

使用一种基于残周期正弦波四参数波形拟合原理与方法，采用一个载波周期的波形，按照正弦规律进行四参数曲线拟合，对其进行局域波形参数的最优估计，从而将其用于非平稳激光多普勒信号波形的频率解调，以获得良好的收敛性，并对载波非平稳、低信噪比、且幅度包络变化剧烈的情况具有良好的鲁棒性和自适应性，提高振动测量准确度。

其方法的核心是从一个载波周期的正弦波形中获取振动激光多普勒信号波形序列的局部载波频率模型值，完成振动激光多普勒信号波形的频率解调，获得振动速度波形和振动加速度波形。

本发明使用外差式激光干涉测量装置获得频率已经平移到无线电频率范围的振动激光多普勒信号波形，借助于高速数据采集和量化技术获取信号波形序列，以数字化方式实现激光多普勒信号波形的瞬时频率精确解调，进而获得振动速度波形和振动加速度波形。并最终解决振动激光多普勒信号波形的精确测量和量值溯源问题。

本发明的一种外差式激光测振新方法，用于非平稳振动激光多普勒信号波形的频率解调，其特征在其使用外差式激光干涉测量装置获得频率已经平移到无线电频率范围的振动激光多普勒信号波形，借助于高速数据采集和量化技术获取信号波形序列，以数字化方式实现激光多普勒信号波形的瞬时频率精确解调，进而获得振动速度波形和振动加速度波形。并最终解决非平稳振动激光多普勒信号波形的精确测量和量值溯源问题。

针对振动计量校准和测试中，测量获得的激光多普勒信号波形质量不佳的问题（振荡波形的中值和幅度均变化剧烈，呈现剧烈的无规律非平稳特征），克服现有激光测量方法的缺点与不足，提出一种外差式激光测振新方法及装置。

有益效果

采用本发明实现的一种外差式激光测振新方法及装置，其特征在其使用小于一个载波周期的模型段对低信噪比、非平稳振动激光多普勒信号波形进行数字化频率解调，因而，对于非平稳激光多普勒信号波形具有良好的自适应性，在比较恶劣的波形质量条件下也能够有效获取高精度振动波形，并且具有更高的模型解调分辨力和更高的解调效率。

借助于通用数据采集技术和波形测量技术，利用虚拟仪器方式，仅仅使用一个载波周期的部分波形获得振动激光多普勒波形瞬时参数值，用于进行滑动模型方式的调频信号解调，其时间分辨力高、算法绝对收敛、对于非平稳波形具有良好的自适应性，可以方便进行溯源校准。本发明的方法和装置也可用于冲击的测量与校准。

附图说明

图1为本发明的装置的组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例

一种外差式激光测振装置，其结构如图1所示，系统主要由稳频激光器1、偏振片2、分光镜3、移频器4、反射镜5、半透半反镜6和7、被测振动物体8、光电转换器9、数据采集系统10、电子计算机11等组成。

由稳频激光器1发出的稳频激光，经过偏振片2、分光镜3一分为二，一路经过移频器4移频f_c后经过反射镜5、穿过半透半反镜6与另一路合束干涉进入光电转换器9接收。另一路经过半透半反镜7进入振动物体8表面，被振动表面反射后返回，经半透半反镜7和6反射后与前一路激光合束干涉被光电转换器9接收。光电转换器9输出的信号是载波频率等于移频f_c的频率调制信号，该信号经过数据采集系统10采集，经计算机11按上述方法进行数字化解调后，其瞬时频率与载波频率f_c差异部分组成频率解调波形序列：

按照式(1)计算获得振动速度波形序列

按照式(2)计算获得振动加速度波形序列

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，均落入本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于软件解调的外差式激光测振装置，其特征在于：该装置包括稳频激光器（1）、偏振片（2）、分光镜（3）、移频器（4）、反射镜（5）、半透半反镜A（6）和半透半反镜B（7）、光电转换器（9）、数据采集系统（10）；

由稳频激光器（1）发出的稳频激光，经过偏振片（2）、分光镜（3）一分为二，一路经过移频器（4）移频f_c后经过反射镜（5）、穿过半透半反镜6与另一路合束干涉进入光电转换器（9）接收；另一路穿过半透半反镜7进入被测振动物体（8）表面，经过被测振动物体（8）表面反射后返回，经半透半反镜B（7）和半透半反镜A（6）反射后与前一路激光合束干涉被光电转换器（9）接收；光电转换器（9）输出的信号被数据采集系统（10）采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件解调的外差式激光测振装置，其特征在于：光电转换器（9）输出的信号是载波频率等于移频f_c的频率调制信号，该信号经过数据采集系统（10）采集，经计算机（11）进行数字化解调后，光电转换器（9）接收的信号的瞬时频率与载波频率f_c差异部分组成频率解调波形序列：

3.一种权利要求1所述的一种基于软件解调的外差式激光测振装置的外差式激光测振方法，其特征在于步骤为：

使用该装置获得频率已经平移到无线电频率范围的振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集振动激光多普勒信号波形数据序列；

在波形采集序列前缘截取一个载波周期的波形段；对该波形段进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

将波形段平移滑动一个采样点，进行正弦拟合，获得拟合正弦波的瞬时频率

重复执行该滑动拟合过程，直至数据序列终点；

获得频率解调波形序列：

为振动激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实际的振动波形输出；

按式(1)计算获得振动速度序列值

${\hat{v}}_i=\frac{\mathrm{\λ}}{2}\×{\hat{f}}_i---\left(1\right)$

式中，λ为激光波长；

按式(2)计算获得振动加速度序列值

$a\left(t\right)=\frac{\mathrm{dv}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right).$

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