CN104266739B - 一种目标振动测量系统及方法、解调装置及解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标振动测量系统及方法，解调装置及方法。所述目标振动测量系统包括：测量模块，用于发出激光，所述激光中的一路照射至待检测目标，另一路作为参考光；返回激光与所述参考光发生干涉产生干涉光；所述测量模块还产生与所述第一调制信号同频率的一倍频信号；光电转换模块，接收所述干涉光，并将其进行光电转换成载有振动信息的电信号；数据采集卡，采集电信号，并将其输出至解调模块，同时采集一倍频信号；解调模块，接收一倍频信号，并根据其产生二倍频信号，还根据所述一倍频信号、二倍频信号对所述载有振动信息的电信号进行解调，消除所述电信号中的光强扰动后，得到目标振动信息。

Description

一种目标振动测量系统及方法、解调装置及解调方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，尤其涉及一种用于振动测量系统的新型抗光强扰动解调方法，该解调技术输出的信号不受光强扰动影响，可以准确的输出检测物体的振动幅度与振动频率。

背景技术

随着激光多普勒振动测量技术的飞速发展，激光多普勒振动测量技术已具有通常方法无法达到的精度和灵敏度，并且可以远距离、非接触的测量各种微弱振动目标的运动速度及微小位移变化。系统探测的振动信息的干涉信号通常表达式为：

I(t)＝A+B cos(C cos(ω₀t)+θ(t))

其中，A表示输出信号的直流分量，B表示交流分量的幅值，C表示激光的调制度，ω₀表示载波频率，θ(t)表示振动测量信息，其表达式为：θ(t)＝D cos(ω_st)，t表示时间。

常用的解调方法有PGC-DCM与PGC-ARCTANT两种方法，其中PGC-DCM解调方法先用载波的一倍二倍频与干涉信号进行相乘，然后经过微分交叉相乘后输出结果为：

I(t)＝B²GHJ₁(C)J₂(C)θ(t)

由上式可知，解调输出的I(t)中包含了B²项，所以该解调算法依赖于信号幅度的稳定性，即接收器接收到的激光强度的变化会给解调结果带来半生调幅现象，从而引起解调输出信号的失真。

PGC-ARCTANT解调方法同样用载波的一倍频和二倍频进行与信号进行相乘，低通滤波后得到两个正交项信号进行相处最终获得的解调信号为：

由上述解调结果可知，解调出来的信号不受光强影响，但是由于正切函数为单调函数，且其范围为(-π/2，π/2)，所以该解调方法能测量的振动幅度较小，当振动幅度大于π/2时，系统解调出来的信号存在失真，不能正确的反应出振动信息的振动幅度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种新的抗光强扰动的解调方法。该解调方法基本流程见图1。

(二)技术方案

本发明提出了一种目标振动测量系统，其包括：

测量模块，用于发出激光，所述激光中的一路照射至待检测目标，另一路作为参考光；所述测量模块还接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光，该返回激光与所述参考光发生干涉产生干涉光；同时，发生干涉前，所述参考光经过第一调制信号进行调制，且所述测量模块还产生与所述第一调制信号同频率的一倍频信号；；

光电转换模块，用于从测量模块接收所述干涉光，并将其进行光电转换成载有振动信息的电信号，该电信号的强弱受目标物反射的光强影响；

数据采集卡，其用于采集光电模块转换产生的载有振动信息的电信号，并将其输出至解调模块，同时数据采集卡还采集由测量模块产生的一倍频信号；

解调模块，其接收采集卡采集到的载有振动信息的电信号和一倍频信号，并根据一倍频信号产生二倍频信号，还根据所述一倍频信号、二倍频信号对所述载有振动信息的电信号进行解调，消除所述电信号中的光强扰动后，得到目标振动信息。

本发明还提出了一种用于目标振动测量系统的解调装置，其包括：

第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分处理器、第二微分处理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信号平方处理器、第二信号平方处理器、减法器、积分处理器、加法器和除法器；

采集到的目标振动信号分别在所述第一乘法器和第二乘法器处与一倍载波信号和二倍载波信号相乘后，分别经过第一低通滤波器和第二低通滤波器进行滤波得到第一滤波信号和第二滤波信号，通过第一低通滤波器滤波后的第一滤波信号分为三路，第一路经过第一微分处理器进行微分处理得到第一微分处理信号；第二路到达第四乘法器，第三路经过第一信号平方处理器进行平方处理后得到第一信号平方处理信号；通过第二低通滤波器滤波后的第二滤波信号也分为三路，第一路经过第二微分处理器后得到第二微分处理信号，所述第二微分处理信号与所述第二路第一滤波信号在第四乘法器处相乘，得到第一相乘信号；第二路到达第三乘法器后，与所述第一微分处理信号相乘，得到第二相乘信号，第三路经过第二信号平方处理器后得到第二信号平方处理信号，所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号在加法器处相加，得到第一相加信号I2；所述第一相乘信号和第二相乘信号在减法器处相减得到第一相减信号，所述第一相减信号经过积分处理器积分处理后得到积分信号I1；所述第一相加信号I2和积分信号I1经由除法器以后还原出振动信号I0。

本发明还提出了一种目标振动测量方法，其包括：

利用激光照射至待检测目标，并接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光；

接收所述载有振动信息的返回激光，并将其进行光电转换成带有干扰的目标振动电信号；

采集所述带有干扰的目标振动电信号，并将其输出至解调模块；

消除所述带有干扰的目标振动电信号中的光强扰动后，解调得到目标振动信息。

本发明还提出了一种用于目标振动测量的解调方法，其包括：

将采集到的目标振动信号分别与一倍载波信号和二倍载波信号相乘，并分别进行低通滤波后得到第一滤波信号和第二滤波信号；

所述第一滤波信号分为三路，第一路第一滤波信号经过微分处理得到第一微分处理信号；第三路经过平方处理后得到第一信号平方处理信号；

所述第二滤波信号也分为三路，第一路经过微分处理后得到第二微分处理信号，第二路与所述第一微分处理信号相乘得到第二相乘信号，第三路经过平方处理后得到第二信号平方处理信号；

所述第二微分处理信号与所述第二路第一滤波信号相乘，得到第一相乘信号；

所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号相加，得到第一相加信号I2；

所述第一相乘信号和第二相乘信号相减得到第一相减信号；

所述第一相减信号经过积分处理后得到积分信号I1；

所述第一相加信号I2和积分信号I1相除以还原出振动信号I0。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的新型抗光强扰动方法，通过在原有的PGC-DCM算法上设计出一种消除光强扰动的解调方法，使光强扰动项B²消失，从而降低了信号解调的噪声，提高了系统解调精度。

2、本发明提出的新型抗光强扰动方法，利用数学模型变换实现振动信号解调，具有动态范围广，精度高，谐波失真等显著特点，同时可利用LABVIEW软件进行实现，减少了解调对硬件器件性能的依赖。

3、本发明是在传统的相位载波解调(PGC)方法基础上提出设计的一种新型光学外差解调方法。利用贝塞尔函数展开与数学变换消除了光强对解调的影响。利用该方法可以降低原有解调算法PGC-DCM的光强扰动与PGC-ARCTANT解调方法的动态范围小的缺点。

附图说明

图1为本发明中振动测量系统的结构框架示意图；

图2为本发明中振动测量系统的解调装置的结构框图；

图3为本发明中一阶贝塞尔函数与二阶贝塞尔函数随载波信号的调制幅度的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示出了本发明提供的一种振动测量系统的结构框架示意图。如图1所示，所述振动测量系统包括：

测量模块101，其包括激光器、电光调制器、信号发生器、光学晶体分光棱镜，所述激光器用于发出激光，所述激光通过光学晶体分光棱镜分成两路，一路激光照射至待检测目标，另一路作为参考光，所述参考光还通过电光调制器进行频率调制，所述电光调制器的根据所述信号发生器产生的第一调制信号对参考光进行调制；所述测量模块101还接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光，该返回激光与经过调制后的所述参考光在另一光学晶体分光棱镜处发生干涉产生干涉光，其目的利用该干涉光的条纹变化来记载目标物的振动信息；同时，该信号发生器还产生与所述第一调制信号同频率的第二调制信号输出至采集卡，作为解调模块中用到的一倍频信号G cos(ω₀t)，其调制频率至少为解调的振动最大信号频率的5倍；

光电转换模块102，用于从测量模块101接收所述干涉光，并将其进行光电转换成载有振动信息的电信号，该信号的强弱受目标物反射的光强影响；

数据采集卡103，其用于采集光电转换模块输出的电信号，并将其输出至解调模块，同时还采集由测量模块产生的一倍频信号G cos(ω₀t)；

解调模块104，其根据数据采集卡103采集到的一倍频信号，对其进行分路，一路利用数学变换生成二倍频信号H cos(2ω₀t)之后所述解调模块根据所述一倍频信号G cos(ω₀t)和二倍频信号H cos(2ω₀t)对所述电信号进行解调，消除所述电信号中的光强扰动后，得到目标振动信息。

其中载波频率ω₀为由电光调制器产生的相位调制，其范围由振动信号频率范围决定，一般为振动信号频率的五倍。

图2示出了本发明中解调模块的结构示意图。如图2所示，所述解调模块包括：

第一乘法器201、第二乘法器202、第一低通滤波器203、第二低通滤波器204、第一微分处理器205、第二微分处理器206、第三乘法器207、第四乘法器208、第一信号平方处理器209、第二信号平方处理器210、减法器211、积分处理器212、加法器213和除法器214；

其中，所述带有干扰的目标振动电信号分别在所述第一乘法器201和第二乘法器202处与一倍频信号G cos(ω₀t)和二倍频信号H cos(2ω₀t)相乘后，分别经过第一低通滤波器203和第二低通滤波器204进行滤波得到第一滤波信号和第二滤波信号，通过第一低通滤波器203滤波后的第一滤波信号分为三路，第一路经过第一微分处理器205进行微分处理得到第一微分处理信号；第二路到达第四乘法器208，第三路经过第一信号平方处理器209进行平方处理后得到第一信号平方处理信号；通过第二低通滤波器204滤波后的第二滤波信号也分为三路，第一路经过第二微分处理器206后得到第二微分处理信号，所述第二微分处理信号与所述第二路第一滤波信号在第四乘法器处相乘，得到第一相乘信号；第二路到达第三乘法器207后，与所述第一微分处理信号相乘，得到第二相乘信号，第三路经过第二信号平方处理器210后得到第二信号平方处理信号，所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号在加法器213处相加，得到第一相加信号I2；所述第一相乘信号和第二相乘信号在减法器211处相减得到第一相减信号，所述第一相减信号经过积分处理器212积分处理后得到积分信号I1；所述第一相加信号I2和积分信号I1经由除法器以后还原出振动信号I0。

其中一倍频信号G cos(ω₀t)和二倍频信号H cos(2ω₀t)中，G表示一倍频信号幅度，H表示二倍频信号幅度；ω₀表示载波信号频率。

第一滤波信号和第二滤波信号如下表示：

I₁₁＝-BGJ₁(C)sinθ(t)

I₁₂＝-BHJ₂(C)cosθ(t)

B表示所述干扰光的光强，J₁(c)、J₂(c)分别表示一阶贝塞尔函数与二阶贝塞尔函数；C表示载波信号的调制幅度，该载波信号是由信号发生器驱动电光调制器对参考光进行频率调制产生的光载波信号；θ(t)由振动信号D cos(ω_st)与环境扰动信号φ₀组成。其表示为：

θ(t)＝D cos(ω_st)+φ₀

其中D为振动信号幅度，ω_s为振动信号频率，φ₀为环境扰动。

第一微分处理信号和第二微分处理信号分别如下表示：

I₂₁＝-BGJ₁(C)θ(t)cosθ(t)

θ(t)＝D cos(ω_st)+φ₀

I₂₂＝BHJ₂(C)θ(t)sinθ(t)

所述第一积分信号如下表示：

I1＝B²GHJ² ₁(C)θ(t)

第一相加信号如下表示：

I2＝B²G²J² ₁(C)

振动信号I0如下表示：

I0＝θ(t)＝D cos(ω_st)

其中，由I0可知，输出的信号不受光强B²影响，其中D为目标振动信息的振动幅度，ω_s为振动信号频率。其中载波调制幅度C优选为2.36rad，一倍频信号与二倍频信号的G与H相等；且J₁(C)＝J₂(C)，如图3所示，当载波幅度为2.63rad时，解调模块中进行运算时，一阶贝塞尔函数与二阶贝塞尔函数相等，消除了相除产生的误差影响。

本发明还公开了一种目标振动测量方法，其包括：

利用激光照射至待检测目标，并接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光；

接收所述载有振动信息的返回激光，并将其进行光电转换成带有干扰的目标振动电信号；

采集所述带有干扰的目标振动电信号，并将其输出至解调模块；

消除所述带有干扰的目标振动电信号中的光强扰动后，解调得到目标振动信息。

所述消除所述带有干扰的目标振动电信号中的光强扰动后，解调得到目标振动信息具体包括：

将带有干扰的目标振动电信号分别与一倍载波信号和二倍载波信号相乘，并分别进行低通滤波后得到第一滤波信号和第二滤波信号；

所述第一滤波信号分为三路，第一路第一滤波信号经过微分处理得到第一微分处理信号；第三路经过平方处理后得到第一信号平方处理信号；

所述第二滤波信号也分为三路，第一路经过微分处理后得到第二微分处理信号，第二路与所述第一微分处理信号相乘得到第二相乘信号，第三路经过平方处理后得到第二信号平方处理信号；

所述第二微分处理信号与所述第二路第一滤波信号相乘，得到第一相乘信号；

所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号相加，得到第一相加信号I2；

所述第一相乘信号和第二相乘信号相减得到第一相减信号；

所述第一相减信号经过积分处理后得到积分信号I1；

所述第一相加信号I2和积分信号I1相除以还原出振动信号I0。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任伺修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种目标振动测量系统，其包括：

测量模块，用于发出激光，所述激光中的一路照射至待检测目标，另一路作为参考光；所述测量模块还接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光，该返回激光与所述参考光发生干涉产生干涉光；同时，发生干涉前，所述参考光经过第一调制信号进行调制，且所述测量模块还产生与所述第一调制信号同频率的一倍频信号；

光电转换模块，用于从测量模块接收所述干涉光，并将其进行光电转换成载有振动信息的电信号，该电信号的强弱受目标物反射的光强影响；

数据采集卡，其用于采集光电模块转换产生的载有振动信息的电信号，并将其输出至解调模块，同时数据采集卡还采集由测量模块产生的一倍频信号；

解调模块，其接收采集卡采集到的载有振动信息的电信号和一倍频信号，并根据一倍频信号产生二倍频信号，还根据所述一倍频信号、二倍频信号对所述载有振动信息的电信号进行解调，消除所述电信号中的光强扰动后，得到目标振动信息；

其中，所述解调模块包括：

第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分处理器、第二微分处理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信号平方处理器、第二信号平方处理器、减法器、积分处理器、加法器和除法器；

其中，所述载有振动信息的电信号分别在所述第一乘法器和第二乘法器处与一倍频信号和二倍频信号相乘后，分别经过第一低通滤波器和第二低通滤波器进行滤波得到第一滤波信号和第二滤波信号，通过第一低通滤波器滤波后的第一滤波信号分为三路，第一路经过第一微分处理器进行微分处理得到第一微分处理信号；第二路到达第四乘法器，第三路经过第一信号平方处理器进行平方处理后得到第一信号平方处理信号；通过第二低通滤波器滤波后的第二滤波信号也分为三路，第一路经过第二微分处理器后得到第二微分处理信号，所述第二微分处理信号与第二路所述第一滤波信号在第四乘法器处相乘，得到第一相乘信号；第二路到达第三乘法器后，与所述第一微分处理信号相乘，得到第二相乘信号，第三路经过第二信号平方处理器后得到第二信号平方处理信号，所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号在加法器处相加，得到第一相加信号I2；所述第一相乘信号和第二相乘信号在减法器处相减得到第一相减信号，所述第一相减信号经过积分处理器积分处理后得到积分信号I1；所述第一相加信号I2和积分信号I1经由除法器以后还原出振动信号I0。

2.如权利要求1所述的测量系统，其中，所述第一滤波信号和第二滤波信号如下表示：

I₁₁＝-BGJ₁(C)sinθ(t)

I₁₂＝-BHJ₂(C)cosθ(t)

其中，B表示干扰光的光强，J₁(c)、J₂(c)分别表示一阶贝塞尔函数与二阶贝塞尔函数；C表示载波信号的调制度，所述载波信号为对参考光进行频率调制产生的信号；G表示一倍频信号Gcos(ω₀t)幅度，H表示二倍频信号Hcos(2ω₀t)幅度；ω₀表示载波信号频率；θ(t)由目标振动信号Dcos(ω_st)与环境扰动信号φ₀组成；其表示为：

θ(t)＝Dcos(ω_st)+φ₀

其中D为目标振动信号幅度，ω_s为目标振动信号频率，φ₀为环境扰动。

3.如权利要求2所述的测量系统，其中，J₁(C)＝J₂(C)。

4.如权利要求1所述的测量系统，其中，所述一倍频信号和二倍频信号的幅度相等。

5.如权利要求2所述的测量系统，其中，所述载波信号的调制度为2.63rad。

6.一种用于目标振动测量系统的解调装置，其包括：

第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一微分处理器、第二微分处理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信号平方处理器、第二信号平方处理器、减法器、积分处理器、加法器和除法器；

采集到的目标振动信号分别在所述第一乘法器和第二乘法器处与一倍频信号和二倍频信号相乘后，分别经过第一低通滤波器和第二低通滤波器进行滤波得到第一滤波信号和第二滤波信号，通过第一低通滤波器滤波后的第一滤波信号分为三路，第一路经过第一微分处理器进行微分处理得到第一微分处理信号；第二路到达第四乘法器，第三路经过第一信号平方处理器进行平方处理后得到第一信号平方处理信号；通过第二低通滤波器滤波后的第二滤波信号也分为三路，第一路经过第二微分处理器后得到第二微分处理信号，所述第二微分处理信号与第二路所述第一滤波信号在第四乘法器处相乘，得到第一相乘信号；第二路到达第三乘法器后，与所述第一微分处理信号相乘，得到第二相乘信号，第三路经过第二信号平方处理器后得到第二信号平方处理信号，所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号在加法器处相加，得到第一相加信号I2；所述第一相乘信号和第二相乘信号在减法器处相减得到第一相减信号，所述第一相减信号经过积分处理器积分处理后得到积分信号I1；所述第一相加信号I2和积分信号I1经由除法器以后还原出振动信号I0。

7.一种目标振动测量方法，其包括：

利用激光照射至待检测目标，并接收经照射至待检测目标后，载有待检测目标振动信息的返回激光；

接收所述载有振动信息的返回激光，并将其进行光电转换成带有干扰的目标振动电信号；

采集所述带有干扰的目标振动电信号，并将其输出至解调模块；

消除所述带有干扰的目标振动电信号中的光强扰动后，解调得到目标振动信息；

其中，所述消除所述带有干扰的目标振动电信号中的光强扰动后，解调得到目标振动信息具体包括：

将带有干扰的目标振动电信号分别与一倍频信号和二倍频信号相乘，并分别进行低通滤波后得到第一滤波信号和第二滤波信号；

所述第一滤波信号分为三路，第一路第一滤波信号经过微分处理得到第一微分处理信号；第三路经过平方处理后得到第一信号平方处理信号；

所述第二滤波信号也分为三路，第一路经过微分处理后得到第二微分处理信号，第二路与所述第一微分处理信号相乘得到第二相乘信号，第三路经过平方处理后得到第二信号平方处理信号；

所述第二微分处理信号与第二路第一滤波信号相乘，得到第一相乘信号；

所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号相加，得到第一相加信号I2；

所述第一相乘信号和第二相乘信号相减得到第一相减信号；

所述第一相减信号经过积分处理后得到积分信号I1；

所述第一相加信号I2和积分信号I1相除以还原出振动信号I0。

8.一种用于目标振动测量的解调方法，其包括：

将采集到的目标振动信号分别与一倍频信号和二倍频信号相乘，并分别进行低通滤波后得到第一滤波信号和第二滤波信号；

所述第一滤波信号分为三路，第一路第一滤波信号经过微分处理得到第一微分处理信号；第三路经过平方处理后得到第一信号平方处理信号；

所述第二滤波信号也分为三路，第一路经过微分处理后得到第二微分处理信号，第二路与所述第一微分处理信号相乘得到第二相乘信号，第三路经过平方处理后得到第二信号平方处理信号；

所述第二微分处理信号与第二路所述第一滤波信号相乘，得到第一相乘信号；

所述第二信号平方处理信号和第一信号平方处理信号相加，得到第一相加信号I2；

所述第一相乘信号和第二相乘信号相减得到第一相减信号；

所述第一相减信号经过积分处理后得到积分信号I1；

所述第一相加信号I2和积分信号I1相除以还原出振动信号I0。