CN105258783B - 一种基于激光波前编码技术的振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光波前编码技术的振动检测方法。现有无法实现振动信息高性能无损遥测。本发明基于激光散光场相干涉行为和激光波前编码原理，采用动态波前偏振和相位编码，编码后光场分出回返参考光束和前行测试光束，测试光束投射到被检测振动物体上，散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成信息光束,信息光束和参考光束进行重叠干涉,形成干涉场,光电传感器设置在干涉区域，实现干涉信息的光电传化，振动分析单元对信息进行处理得到检测区域的振动信息。本发明具有高灵敏度、可靠性高、无接触检测、无损遥测、抗干扰能力强、频率特性灵活、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活等特点。

Description

一种基于激光波前编码技术的振动检测方法

技术领域

本发明属于光电工程领域，涉及一种振动检测方法，特别是一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，主要应用于振动监测、环境感知、物联网、过程控制、先进制造、语音采集、声学诊断、噪声分析、环境监测等领域中的振动检测。

背景技术

振动检测广泛存在于振动监测、环境感知、物联网、过程控制、先进制造、语音采集、声学诊断、噪声分析、环境监测等领域中，并且对振动检测的需求越来越高。在先技术中存在振动检测方法，参见美国专利，专利名称：Piezoelectric vibration sensor，发明人：Orten Birger，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2008年05月06日，翻译成中文名称为：一种压电振动传感器，此在先技术存在一定特点，但是存在本质不足：1)基于压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，难于实现远距离振动遥测，并且抗干扰能力不强；2)被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响检测结果的正确性和、灵敏度、可靠性；3)压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在本征频率特性，限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量和检测应用范围；4)振动检测系统构建复杂、功能难于扩充，压电振动传感器不便于进行集成。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，具有高灵敏度、可靠性高、无接触检测、无损遥测、抗干扰能力强、频率特性灵活、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活等特点。

本发明的基本构思是：基于激光散光场相干涉行为和激光波前编码原理,采用动态波前偏振和相位编码,编码后光场分出回返参考光束,和前行测试光束,测试光束投射到被检测振动物体上,产生散斑,散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束,信息光束和参考光束进行重叠干涉,形成干涉场,光电传感器设置在干涉区域，实现干涉信息的光电传化，振动分析单元对信息进行处理得到检测区域的振动信息。

本发明的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其具体的技术方案如下：

步骤(1)激光光源出射光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播行为特性；

步骤(2)光束调整部件出射激光光束依次通过波前偏振编码部件和波前相位编码部件，波前偏振编码部件和波前相位编码部件分别对激光光束进行波前相位和偏振进行动态编码；

步骤(3)编码后的激光光束照射到光场分束部件，光场分束部件将编码后的激光光束分束成回返参考光束和前行测试光束，测试光束投射到被检测振动物体上,形成激光散射光场，实现激光传输散斑光场；

步骤(4)散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束；

步骤(5)光场分束部件出射的回返参考光束和离焦成像部件出射的信息光束通过光场合束部件后，进行光束合束产生干涉区域，形成干涉场；

步骤(6)光电传感器设置在干涉区域，将干涉场的信息转化为电信号，再通过振动分析单元对信息进行信息融合和特征提取，得到检测振动物体的振动信息。

所述的激光光源为激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

所述的光束调整部件为透射式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

所述的波前偏振编码部件为液晶型偏振编码部件、微结构型偏振编码部件、光纤型偏振编码部件中的一种。

所述的波前相位编码部件为液晶型相位编码部件、微镜阵列型相位编码部件、微结构型相位编码部件、晶体型相位编码部件、光纤型相位编码部件中的一种。

所述的离焦光学成像部件为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

所述的光电传感器为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体电传感器中的一种。

所述的振动分析单元为计算机、嵌入式系统、数字信号处理器、移动终端设备中的一种。

所述的光场合束部件为直角三棱镜。

本发明中散斑原理、图像处理技术、传感器技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于激光散光场相干涉行为和激光波前编码原理,采用动态波前偏振和相位编码，散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束，信息光束和参考光束进行重叠干涉,光电传感器设置在干涉区域，振动分析单元对信息进行处理得到检测区域的振动信息，给出一种高灵敏度、可靠性高、无接触检测、无损遥测、抗干扰能力强、频率特性灵活、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活的基于激光波前编码技术的振动检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)在先技术基于压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，难于实现远距离振动遥测，并且抗干扰能力不强。本发明基于激光散光场相干涉行为,散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束，本发明体现了散斑原理和成像远距离工作特性，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、抗干扰能力强等特点；

2)由于在先技术中，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响检测结果的正确性、灵敏度、可靠性。本发明本质上为激光散斑遥测原理，结合激光波前编码原理，采用动态波前偏振和相位编码，信息光束和参考光束进行重叠干涉光电传感器实现干涉信息的光电传化，振动分析单元对信息进行处理得到检测区域的振动信息，具有高灵敏度、可靠性高、被检测物形态和物质多样、信息量高等特点。

3)先技术中，压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在本征频率特性，限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量和检测应用范围。本发明中，振动信息载体为光波，具有高频宽频特性，频率特性不受限于器件机械性质，光电信号处理速度快、频率范围广，本发明具有频率响应特性宽、信息量完备的特定；

4)在先技术中的振动检测系统构建复杂、功能难于扩充，压电振动传感器不便于进行集成。本发明采用激光散光场相干涉行为和激光波前编码原理，振动信息检测方法具有构建灵活、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于激光波前编码技术的振动检测方法的实施例，基于激光散光场相干涉行为，结合激光波前编码原理,采用动态波前偏振和相位编码,编码后光场分出回返参考光束,和前行测试光束,测试光束投射到被检测振动物体上,散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束,信息光束和参考光束进行重叠干涉,形成干涉场,光电传感器设置在干涉区域，实现光电传化，振动分析单元对信息进行处理得到检测区域的振动信息。

本实施例包括：激光光源1、光束调整部件2、波前偏振编码部件3、波前相位编码部件4、光场分束部件5、被检测物体6、离焦光学成像系统7、光场合束部件8、光电传感器9、振动分析单元10。

本实施例的具体实现步骤为：

步骤(1)激光光源1出射光束的光路上设置有光束调整部件2，光束调整部件调节光束参数或传播行为特性，实现用于振动检测的激光光束和传播方向；激光光源1为LD泵浦固态激光器；

步骤(2)光束调整部件2出射激光光束依次通过波前偏振编码部件3和波前相位编码部件4，波前偏振编码部件3和波前相位编码部件4分别对激光光束进行波前相位和偏振进行动态编码；光束调整部件2为透射式光束调整部件，波前偏振编码部件3为液晶型偏振编码部件，波前相位编码部件4为液晶型相位编码部件；

步骤(3)编码后激光光束照射到光场分束部件5，光场分束部件5将编码后激光光束分束成回返参考光束和前行测试光束，测试光束投射到被检测振动物体6上,即9米距离处的汽车发动机前盖，被检测振动物体存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，实现激光传输散斑光场；

步骤(4)散斑部分光场经过离焦成像部件7后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束；离焦光学成像部件7为折射式光学成像系统；

步骤(5)光场分束部件5出射的回返参考光束和离焦成像部件7出射的信息光束通过光场合束部件8后，进行光束合束产生干涉区域，形成干涉场；光场分束部件5为直角三棱镜光场分束部件，回返参考光束和信息光束分别从直角三棱镜光场分束部件两个直角边入射，透射出直角三棱镜光场分束部件出射后相干；

步骤(6)光电传感器9设置在干涉区域，将干涉场转化为电信号，再通过振动分析单元10对信息进行信息融合和特征提取，得到检测振动物体的的振动信息；光电传感器9为电荷耦合器件，振动分析单元10为嵌入式系统。

本实施例成功实现了9米距离处的汽车发动机前盖的振动特性检测，包括振幅特性、振动频率特性、时序宽谱动态性质。本发明具有高灵敏度、可靠性高、无接触检测、无损遥测、抗干扰能力强、频率特性灵活、信息量高、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤(1)、激光光源出射光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播行为特性；

步骤(2)、光束调整部件出射激光光束依次通过波前偏振编码部件和波前相位编码部件，波前偏振编码部件和波前相位编码部件分别对激光光束进行波前偏振和进行相位动态编码；

步骤(3)、编码后的激光光束照射到光场分束部件，光场分束部件将编码后的激光光束分束成回返参考光束和前行测试光束，测试光束投射到被检测振动物体上,形成激光散射光场，实现激光传输散斑光场；

步骤(4)、散斑部分光场经过离焦成像部件后,形成载有编码信息和物体振动信息的信息光束；

步骤(5)、光场分束部件出射的回返参考光束和离焦成像部件出射的信息光束通过光场合束部件后，进行光束合束产生干涉区域，形成干涉场；

步骤(6)、光电传感器设置在干涉区域，将干涉场的信息转化为电信号，再通过振动分析单元对信息进行信息融合和特征提取，得到被检测振动物体的振动信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的光束调整部件为透射式光束调整部件、反射式光束调整部件中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的波前偏振编码部件为液晶型偏振编码部件、微结构型偏振编码部件、光纤型偏振编码部件中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的波前相位编码部件为液晶型相位编码部件、微镜阵列型相位编码部件、微结构型相位编码部件、晶体型相位编码部件、光纤型相位编码部件中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的离焦成像部件为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的光电传感器为电荷耦合器件、互补金属氧化物半导体电传感器中的一种。

8.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的振动分析单元为计算机、嵌入式系统中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的振动分析单元为数字信号处理器、移动终端设备中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种基于激光波前编码技术的振动检测方法，其特征在于：所述的光场合束部件为直角三棱镜。