CN103323094A - 一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法，属于光电测量技术领域。该装置包括偏振激光器（1）、分光镜（2）、第一直角棱镜（3）、声光调制器（4）、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第二直角棱镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）、光栅（10）、物镜（12）、第五反射镜（13）、第六反射镜（14），光电转换器（15）、数据采集系统（16）、计算机（17）。采用本发明实现的一种外差式激光干涉角振动测量方法及装置，其特征在其使用小于一个载波周期的模型段对低信噪比、非平稳角振动激光多普勒信号波形进行数字化频率解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。

Description

一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法，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，在高精度角振动测量测试中应用广泛的是以激光干涉方式，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角振动、角冲击计量校准手段。

高速角运动测量难度较大，频率范围和准确度一直不高，对于非平稳角振动的测量准确度更加受影响，其计量校准更为困难。使用希尔伯特变换时频分析测量方法处理角振动激光多普勒干涉信号，给出实时频率值序列，具有良好的鲁棒性，对非平稳、低信噪比状况下的振动波形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更准确的波形及其特征量值。

发明内容

本发明的目的是为了提出一种外差式激光干涉角振动测量装置及方法。

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干涉角振动测量装置，该装置包括偏振激光器1、分光镜2、直角棱镜3、声光调制器4、反射镜5、反射镜6、直角棱镜7、反射镜8、反射镜9，光栅10、物镜12、反射镜13、反射镜14，光电转换器15、数据采集系统16、电子计算机17；

偏振激光器1发出激光束，经分光镜2分光后形成两路，一路经直角棱镜3反射后，进入声光调制器4频率被平移f_c，然后经反射镜5、反射镜6反射后入射到光栅10，经光栅10产生的±1级反射光束会聚到物镜12与另一路光合束干涉；另一路经直角棱镜7、反射镜8、反射镜9反射后入射到光栅10，经光栅10产生的±1级反射光束会聚到物镜12与前一路光合束干涉，产生需要的激光干涉信号；干涉信号最后经反射镜13、反射镜14反射后注入光电转换器15，被数据采集系统16采集，用计算机17计算获得角速度波形序列和角速度波形序列。

本发明的一种外差式激光干涉角振动测量方法，具体方法为：

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角振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集角振动激光多普勒信号波形数据序列；

使用希尔伯特变换时频分析测量方法获得频率解调波形序列：

做为角振动激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实际的角振动波形输出。按照式(2)计算获得角速度序列值

按照式(3)计算获得角加速度序列值

偏振激光器1发出的光束被分光镜2分为两束，以不同的方向聚焦于测量目标表面（即光栅10表面）上，两光束的夹角由所采用的衍射光栅的级数确定。根据光栅运动方程可知，当光栅10运动时，每一级衍射光均产生的一定的多普勒频移，频移量的大小跟光栅常数、衍射级数等有关。应用激光干涉理论和光栅方程，运动线速度v(t)与多普勒频移△f(t)有如下关系：

$v\left(t\right)=\frac{d}{|m_1-m_2|}\mathrm{\Δf}\left(t\right)---\left(1\right)$

式中，d为光栅常数，单位m；

m₁、m₂为两路干涉光束所对应的光栅衍射级；

△f(t)为对应于上述解调波形序列频率值

单位Hz。角运动的角速度ω(t)与多普勒频移△f(t)有如下关系：

$\mathrm{\ω}\left(t\right)=\frac{v\left(t\right)}{R}---\left(2\right)$

式中，R为测量点距角振动台轴心的半径，单位m；

角运动的角加速度值a(t)为：

$a\left(t\right)=\frac{\mathrm{d\ω}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

对于给定光栅10，确定光路所采用的衍射级d后，线速度v直接与多普勒频移△f成简单的线性关系，通过测量频率可以得到光栅10的运动线速度。用该技术实现测速，相比较散射粒子测速方式，信号质量高，信噪比高，而且信号连续，适于高速角运动的测量。在本发明中，光栅10选用金属刻蚀带状光栅或平面光栅，安装在圆形工作台面的侧面，若选用平面光栅，测量角度将被限制在±2°的范围内。

针对角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角振动方法及装置。

本发明使用一种基于希尔伯特变换时频分析测量方法处理角振动激光多普勒干涉信号，给出实时频率值序列，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，以提高角振动测量准确度。

其方法的核心是使用希尔伯特变换时频分析测量方法处理角振动激光多普勒干涉信号，给出实时频率值序列，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，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。

本发明使用外差式角运动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角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，以使用希尔伯特变换时频分析测量方法实现激光多普勒信号波形的瞬时频率精确解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。并最终解决角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干涉角振动测量方法，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，使用希尔伯特变换时频分析测量方法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。

有益效果

采用本发明实现的一种外差式激光干涉角振动测量方法及装置，其特征在其使用小于一个载波周期的模型段对低信噪比、非平稳角振动激光多普勒信号波形进行数字化频率解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形。并最终解决角振动激光多普勒信号波形的精确测量和量值溯源问题。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角振动波形，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，仅仅使用不足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，例如在仅有十分之一个载波周期下即可以实现正弦载波模型参数值测量辨识。用于进行滑动模型方式的调频信号解调，进而获得角振动速度波形和角振动加速度波形，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角冲击的测量与校准。

附图说明

图1为本发明的外差式激光干涉角振动测量装置的结构示意图。

包括偏振激光器 1、分光镜 2、直角棱镜 3、声光调制器 4、反射镜 5、反射镜 6，直角棱镜 7、反射镜 8、反射镜 9，光栅 10、物镜 12、反射镜 13、反射镜14，光电转换器 15、数据采集系统 16、电子计算机 17、角振动转台11等。

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

一种外差式激光干涉测角振动装置，其结构如图1所示，系统主要由偏振激光器1、分光镜2、直角棱镜3、声光调制器4、反射镜5、反射镜6，直角棱镜7、反射镜8、反射镜9，光栅10、物镜12、反射镜13、反射镜14，光电转换器15、数据采集系统16、电子计算机17等组成。

偏振激光器1发出激光束，经分光镜2分光后形成两路，一路经直角棱镜3反射后，进入声光调制器4频率被平移f_c，然后经反射镜5、反射镜6、入射到光栅10，经光栅产生的±1级反射光束会聚到物镜12与另一路光合束干涉。另一路经直角棱镜7、反射镜8、反射镜9、入射到光栅10，经光栅10产生的±1级反射光束会聚到物镜12与前一路光合束干涉，产生需要的激光干涉信号。最后经反射镜13、反射镜14、注入光电转换器15，被数据采集系统16采集，用计算机17按上述方法计算获得角速度波形序列和角速度波形序列。

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 (2)

1.一种外差式激光干涉角振动测量装置，其特征在于：该装置包括偏振激光器（1）、分光镜（2）、第一直角棱镜（3）、声光调制器（4）、第一反射镜（5）、第二反射镜（6）、第二直角棱镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）、光栅（10）、物镜（12）、第五反射镜（13）、第六反射镜（14），光电转换器（15）、数据采集系统（16）、计算机（17）；

偏振激光器（1）发出激光束，经分光镜（2）分光后形成两路，一路经第一直角棱镜（3）反射后，进入声光调制器（4）频率被平移f_c，然后经第一反射镜（5）、第二反射镜（6）反射后入射到光栅（10），经光栅（10）产生的±1级反射光束会聚到物镜（12）与另一路光合束干涉；另一路经第二直角棱镜（7）、第三反射镜（8）、第四反射镜（9）反射后入射到光栅（10），经光栅（10）产生的±1级反射光束会聚到物镜（12）与前一路光合束干涉，产生需要的激光干涉信号；干涉信号最后经第五反射镜（13）、第六反射镜（14）反射后注入光电转换器（15），被数据采集系统（16）采集，用计算机（17）计算获得角速度波形序列和角速度波形序列。

2.一种外差式激光干涉角振动测量方法，其特征在于具体方法为：

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角振动激光多普勒信号波形；使用波形数据采集系统采集角振动激光多普勒信号波形数据序列；

使用希尔伯特变换时频分析测量方法获得频率解调波形序列： 做为角振动激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实际的角振动波形输出；按照式(2)计算获得角速度序列值

按照式(3)计算获得角加速度序列值

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