CN106595841B - 基于带通采样的外差式激光测振方法 - Google Patents

基于带通采样的外差式激光测振方法 Download PDF

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刘志华
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Abstract

本发明公开了一种基于带通采样的外差式激光测振方法，该方法包括基于带通采样定理确定避免采集后外差式激光多普勒信号频谱混叠的不同整数m对应的有效采样频率段；通过带通采样保护带宽保证足够的工程裕量，避免实际激光多普勒信号的频谱混叠；提出一种基于带通采样的最佳采样频率自动选择方法，以确定外差式激光多普勒信号的最佳采样频率；最后基于相位展开正弦逼近法(PUSAM)实现已采集外差式激光多普勒信号的解调。本发明在有效保证高精度振动测量的前提下，具有所需采样频率低、采集数据量小、实时性好、不存在相位延时的特点。本发明方法有效解决了传统外差式激光测振方法对于外差式激光测振存在所需采样频率高或相位延时的不足。

Description

基于带通采样的外差式激光测振方法
技术领域
本发明属于激光振动测量领域，尤其适用于外差式激光干涉绝对法振动校准中的振动信号测量。
背景技术
外差式激光振动测量方法主要包括外差式激光多普勒信号的采集与已采集到激光多普勒信号的解调，采集的目的在于保证避免频谱混叠的条件下实现模拟外差式激光多普勒信号到数字激光多普勒信号的转换，解调的目的在于通过外差式激光多普勒信号实现被测振动测量。对于常规的外差式激光干涉绝对法振动校准，外差式激光多普勒信号的带宽远小于外差式激光多普勒信号的载波频率，基于带通采样的外差式激光多普勒信号所需采样频率仅与激光多普勒信号的带宽有关，而不需满足大于两倍的激光多普勒信号最大频率，且不需要使用任何外部模拟器件的调制原始激光多普勒信号。
常用的外差式激光多普勒信号采集方式有依据Nyquist采样定理的NS采集方式与使用模拟混频器与低通滤波器的MLPFS采集方式。NS采集方法具有所需采样频率高、采集数据量大、采集信号测量精度高等特点；MLPFS采集方式具有所需采样频率低，采集数据量小、采集信号测量精度高、需要外部模拟混频器与低通滤波器、存在相位延时等特点。典型的外差式激光多普勒信号解调方法有时间间隔正弦逼近法、微分相除积分正弦逼近法。时间间隔正弦逼近法与微分相除积分正弦逼近法均需要对采集的激光多普勒信号微分，微分放大激光多普勒信号的噪声，且时间间隔正弦逼近法的振动信号拟合点数较少，传统的外差式激光多普勒信号振动测量精度有限。
因此，针对目前外差式激光测振方法存在采样频率高与处理数据量大、实时性差或存在相位延时、振动信号测量精度有限等缺点，本发明提出一种所需采样频率低、不存在相位延时、不需外部模拟器件、实时性好、测量精度高的外差式激光测振方法。
发明内容
本发明的目的在于针对目前的外差式激光测振方法存在所需采样频率高与处理数据量大或需要外部模拟器件与存在相位延时、振动测量精度有限等不足，提供了一种基于带通采样的外差式激光测振方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于带通采样的外差式激光测振方法，该方法包括：有效采样频率段的确定，通过有效采样频率段的确定计算振动交越频点处外差式激光多普勒信号的有效采样频率段，包括用不同整数m所对应的有效采样频率段，满足下限截止频率大于n倍B的有效采样频率段。
引入带通采样保护带宽，用于保证有效采样频率的工程裕量，避免采集实际激光多普勒信号出现频谱混叠。
最佳采样频率的自动选择，用于自动计算外差式激光多普勒信号的最佳采样频率，提高外差式激光振动测量的准确性。
振动信号测量，基于PUSAM实现已采集到外差式激光多普勒信号解调，包括PU与SAM，用于确定被测振动的位移、速度、加速度信号。
基于带通采样的外差式激光测振方法包括以下步骤，
S1：基于带通采样定理确定不同整数m对应的避免采集外差式激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段；
S2：利用带通采样保护带宽保证足够的工程裕量，避免实际激光多普勒信号的频谱混叠；
S3：基于带通采样的最佳采样频率的自动计算，以最佳采样频率采集外差式激光多普勒信号；
S4：使用PUSAM处理基于最佳采样频率采集的外差式激光多普勒信号，进而得到被测振动的位移、速度、加速度信号。
基于带通采样的外差式激光多普勒信号的不同有效采样频率段的方法具体包括：
(1)外差式激光多普勒信号带宽；
针对常规的外差式激光振动测量，确定振动交越频点所对应的外差式激光多普勒信号的带宽，该带宽大于其余所有振动频点的信号带宽，最大信号带宽B计算如下：
其中，Δfmax为外差式激光多普勒信号的最大频率偏移量，vp为振动交越点的理论振动速度峰值，λ为激光波长。
(2)确定有效采样频率段；
避免振动交越频点处所对应的外差式激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段计算如下：
其中，fU＝fc+Δfmax为激光多普勒信号的上限截止频率，fL＝fc-Δfmax为激光多普勒信号的下限截止频率，fc为激光多普勒信号载波频率，int(fU/B)为不超过fU/B的最大整数。
对于不同的整数m对应不同的有效采样频率段，m越大，所对应的有效采样频率越小，有效采样频率段越窄，为保证所采集多普勒信号的振动测量准确性，所选用有效采样频率需满足：
Fs,min≥n·B (3)
其中，Fs,min为有效采样频率的下限截止频率，n为外差式激光多普勒信号带宽的整数倍。
有效的采样频率段仅在理想情况下可避免采集的外差式激光多普勒频谱混叠，通过带通采样保护带宽保证足够的工程裕量，克服实际采集激光多普勒信号的频谱混叠，依据带通采样保护带宽计算对应的可容许保护采样频率：
BGT＝BGL+BGU (4)
其中，BGT为总保护带宽大小，BGL与BGU分别为下限与上限保护带宽；ΔFsU与ΔFsL分别为该保护带宽下的上下限可容许保护采样频率大小；通过使用保护带宽进一步确定避免实际激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段。
通过所述有效采样频率段与引入的保护带宽确定不同奇数与偶数m所对应的最佳采样频率：
其中，Fs,max为有效频率段的上限截止采样频率，BGU,max与BGL,max分别为整数m所对应的最大可容许上下限保护带宽，Fs,opt为对应的最佳采样频率，ΔFsL·BGU/BGU,max与ΔFsU·BGL/BGL,max分别为m为奇数与偶数时对应的最佳保护采样频率；通过最佳采样频率可实现外差式激光多普勒信号的最佳频谱采集，以提高被测振动信号的测量精度。
最佳采样频率采集的外差式激光多普勒信号如下：
其中，up为所采集激光多普勒信号峰值，为所采集激光多普勒信号初相，fc'为最佳采样频率采集后的激光多普勒信号载波频率，sp为被测振动信号的位移峰值，fv与分别为被测振动信号的频率与初相。
通过选定一组正余弦正交基与低通滤波器得到采集多普勒信号的相位信息，PU后的相位信息如下：
其中，为采集激光多普勒信号的相位信息，for为所选用正交基频率，k为整数，且满足k＝0,1,2,…。
基于SAM对所述激光多普勒信号的相位信息进行拟合，SAM拟合形式如下：
其中，ω为被测振动信号角频率，A与B决定被测振动位移峰值与初相，C与D分别为载波频率偏移与直流偏移系数，进而实现被测振动的速度、加速度信号测量。
本发明外差式激光测振方法具有如下优势：
⑴本发明方法具有所需采样频率低、处理数据量小、实时性好、振动信号测量精度高的优点；
⑵本发明方法基于最佳带通采样频率直接采集外差式激光多普勒信号，充分避免实际激光多普勒信号的频谱混叠。
⑶本发明方法不需使用任何外部模拟器件调制原始激光多普勒信号，故不存在外部模拟调制器件引入的时间延时。
⑷本发明方法基于PUSAM实现已采集激光多普勒信号的振动测量，保证振动测量准确性。
附图说明
图1为本发明方法具体实施实例垂直安装装置示意图；
图2为本发明方法具体实施实例水平安装装置示意图；
图3为基于带通采样的外差式激光测振方法流程图；
图4为基于带通采样的最佳采样频率自动选择流程图；
图5为基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调流程图；
图6-7为本发明方法与传统外差式激光测振方法的振动加速度测量仿真实验结果图；
图8-9为本发明方法与传统外差式激光测振方法的具体实施实例的振动加速度测量实际实验结果图。
具体实施方式
为了解决现有外差式激光测振方法所需采样频率高与采集数据量大及实时性差、或需要外部模拟器件与存在一定的相位延时、测量精度有限等问题，本发明提供了一种基于带通采样的外差式激光测振方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1与图2为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：振动台1、振动台工作台面2、外差式激光干涉仪3、隔振台4、线缆5、信号处理及显示设备6。隔振台4用于固定外差式激光干涉仪3并垂直于振动台1的工作台面2；外差式激光干涉仪3与信号处理及显示设备6通过线缆5连接，线缆5用于实时传输外差式激光多普勒信号；信号处理及显示设备6用于处理及显示已采集的激光多普勒信号及振动测量结果。
隔振台4与工作台面2为水平方向的垂直或者竖直方向的垂直。
参考图3为基于带通采样的外差式激光测振方法流程图。本发明激光测振方法主要包括以下步骤：
步骤S60：计算用于外差式激光多普勒信号采集的最佳采样频率，包括：振动交越频点处有效采样频率段的确定，基于带通采样保护带宽的最佳采样频率的自动选择；
步骤S80：以最佳采样频率采集外差式激光多普勒信号；
步骤S100：基于PUSAM实现已采集外差式激光多普勒信号的处理，其包括：正交化已采集外差式激光多普勒信号得到相互正交的两路信号，基于PU获取两路正交信号的相位信息；通过SAM拟合激光多普勒相位信息，实现被测振动信号的测量；
步骤S120：输出被测振动的位移、速度、加速度信号。
参考图4为基于带通采样的最佳采样频率自动选择流程图。本发明最佳采样频率的自动选择包括如下步骤：
步骤S61：输入振动交越频点处信号带宽B，上下限保护带宽、信号带宽B的整数倍n；
步骤S62：计算不同整数m对应的外差式激光多普勒信号有效采样频率段；
步骤S63：比较有效采样频率段下限截止频率与n倍B的大小，保留下限截止频率大于n倍B的有效采样频率段；
步骤S64：依据上下限保护带宽，计算可容许的上下限保护采样频率；
步骤S65：计算最大整数m对应的最小有效采样频率段的最大上下限保护带宽；
步骤S66：判断最大整数m的最小有效采样频率段对应的最大上下限保护带宽是否大于输入的上下限保护带宽，若不满足则m＝m-1跳至S65，满足则跳至S67；
步骤S67：判断最大整数m是否为奇数，若为奇数跳至S68，否则跳至S70；
步骤S68：使用下限保护采样频率、上限保护带宽、上限最大保护带宽计算m为奇数时的最佳保护采样频率；
步骤S69：计算有效采样频率段的下限截止频率与最佳保护采样频率之和，得到m为奇数时的最佳采样频率；
步骤S70：使用上限保护采样频率、下限保护带宽、下限最大保护带宽计算m为偶数时的最佳保护采样频率；
步骤S71：计算有效采样频率段的上限截止频率与最佳保护采样频率之差，得到m为偶数时的最佳采样频率；
步骤S72：输出外差式激光多普勒信号的最佳采样频率。
参考图5为基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调流程图。本发明外差式激光振动测量包括如下步骤：
步骤S101：读入已采集外差式激光多普勒信号；
步骤S102：算法生成一组一定频率的正余弦正交基，用于激光多普勒信号的正交化；
步骤S103：正交基与激光多普勒信号相乘，实现激光多普勒信号的正交化；
步骤S104：正交化后得到两路相互正交的激光多普勒信号，两路正交多普勒信号各包含高、低频率成分；
步骤S105：算法生成低通滤波器，用于去除两路正交多普勒信号中的高频率成分；
步骤S106：基于PU获取低通滤波后的两路激光多普勒信号的相位信息；
步骤S107：基于SAM实现激光多普勒信号相位信息的拟合；
步骤S108：经SAM拟合后计算得到被测振动信号的位移峰值与初相；
步骤S109：存储及显示被测振动的位移、速度、加速度信号。
参考图6-7为本发明方法与传统的NS-PUSAM及MLPFS-PUSAM测振方法的仿真实验振动加速度测量结果图。200次仿真实验测量均值与标准差结果图表明，本发明外差式激光测振方法与传统的NS-PUSAM及MLPFS-PUSAM外差式激光测振方法的峰值与相位测量精度相当，仿真实验中的MLPFS-PUSAM不存在相位延时，5Hz-20kHz频率范围内的加速度峰值相对误差小于0.1％，相位差小于0.1°。
参考图8-9为本发明方法与MLPFS-PUSAM的具体实施实例的振动加速度测量结果图。本实施实例装置的具体参数为：德国保利泰克OFV-5000外差式激光干涉仪，振动频率为5Hz-20kHz的PCB 396C11振动台，10MHz凌华9816数据采集卡，隔振台为一级光学隔振平台。本次测量使用垂直安装方式装置对在正弦激励输入下的振动台工作台面实现振动加速度测量，从10次测量均值与标准差结果图中可以看出，本发明外差式激光测振方法与传统的MLPFS-PUSAM测振方法的峰值测量精度相当，在5Hz-20kHz频率范围内的加速度峰值相对误差小于0.25％，且本发明测振方法的相位测量不存在相位延时，说明本发明外差式激光测振方法在保证峰值测量精度的条件下不存在相位延时。
上述详细描述为本发明方法的一个具体实施实例，其并非用以限定本发明的应用范围。本领域相关技术人员可以在本发明的基础上可做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1：基于带通采样定理确定不同整数m对应的避免采集外差式激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段；
S2：利用带通采样保护带宽保证足够的工程裕量，避免实际外差式激光多普勒信号的频谱混叠；
S3：基于带通采样的最佳采样频率的自动计算，以最佳采样频率采集外差式激光多普勒信号；
S4：使用相位展开正弦逼近法处理基于最佳采样频率采集的外差式激光多普勒信号，进而得到被测振动的位移、速度、加速度信号；
步骤S1包括，
(1)外差式激光多普勒信号带宽；
针对外差式激光振动测量，确定振动交越频点所对应的外差式激光多普勒信号的带宽，该带宽大于其余所有振动频点的信号带宽，最大信号带宽B计算如下：
其中，Δfmax为外差式激光多普勒信号的最大频率偏移量，vp为振动交越点的理论振动速度峰值，λ为激光波长；
(2)确定有效采样频率段；
避免振动交越频点处所对应的外差式激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段计算如下：
其中，fU＝fc+Δfmax为激光多普勒信号的上限截止频率，fL＝fc-Δfmax为激光多普勒信号的下限截止频率，fc为激光多普勒信号载波频率，int(fU/B)为不超过fU/B的最大整数；
对于不同的整数m对应不同的有效采样频率段，m越大，所对应的有效采样频率越小，有效采样频率段越窄，为保证所采集多普勒信号的解调准确性，所选用有效采样频率需满足：
Fs,min≥n·B (3)
其中，Fs,min为有效采样频率的下限截止频率，n为外差式激光多普勒信号带宽的整数倍；
有效的采样频率段仅在理想情况下可避免采集的外差式激光多普勒信号频谱混叠，通过带通采样保护带宽保证足够的工程裕量，克服实际采集激光多普勒信号的频谱混叠，依据带通采样保护带宽计算对应的可容许保护采样频率：
BGT＝BGL+BGU (4)
其中，BGT为总保护带宽大小，BGL与BGU分别为下限与上限保护带宽；ΔFsU与ΔFsL分别为该保护带宽下的上下限可容许保护采样频率大小；通过使用保护带宽进一步确定避免实际激光多普勒信号频谱混叠的有效采样频率段。
2.根据权利要求1所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：通过所述有效采样频率段与引入的保护带宽确定不同奇数与偶数m所对应的最佳采样频率：
其中，Fs,max为有效频率段的上限截止采样频率，BGU,max与BGL,max分别为整数m所对应的最大可容许上限、下限保护带宽，Fs,opt为对应的最佳采样频率，ΔFsL·BGU/BGU,max与ΔFsU·BGL/BGL,max分别为m为奇数与偶数时对应的最佳保护采样频率；通过最佳采样频率可实现外差式激光多普勒信号的最佳频谱采集，以提高被测振动信号的测量精度。
3.根据权利要求1所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：最佳采样频率采集的外差式激光多普勒信号如下：
其中，up为所采集激光多普勒信号峰值，为所采集激光多普勒信号初相，fc'为最佳采样频率采集后的激光多普勒信号载波频率，sp为被测振动信号的位移峰值，fv与分别为被测振动信号的频率与初相；
通过选定一组正余弦正交基与低通滤波器得到采集多普勒信号的相位信息，经相位展开后的激光多普勒信号相位信息如下：
其中，为采集激光多普勒信号的相位信息，for为所选用正交基频率，k为整数，且满足k＝0,1,2,…。
4.根据权利要求1所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：基于正弦逼近法对所述激光多普勒信号的相位信息进行拟合，正弦逼近法拟合形式如下：
其中，ω为被测振动信号角频率，A与B分别为被测振动信号的位移峰值与初相，C与D分别为载波频率偏移与直流偏移系数，进而实现被测振动的速度、加速度信号测量。
5.根据权利要求1所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：
激光测振方法包括以下步骤：
步骤S60：计算用于外差式激光多普勒信号采集的最佳采样频率，包括：振动交越频点处有效采样频率段的确定，基于带通采样保护带宽的最佳采样频率的自动选择；
步骤S80：以最佳采样频率采集外差式激光多普勒信号；
步骤S100：基于相位展开正弦逼近法实现已采集外差式激光多普勒信号的处理，其包括：正交化已采集外差式激光多普勒信号得到相互正交的两路信号，基于相位展开获取两路正交信号的相位信息；通过正弦逼近法拟合激光多普勒相位信息，实现被测振动信号的测量；
步骤S120：输出被测振动的位移、速度、加速度信号。
6.根据权利要求5所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：
最佳采样频率的自动选择包括如下步骤：
步骤S61：输入振动交越频点处信号带宽B，上下限保护带宽BGU与BGL、信号带宽B的整数倍n；
步骤S62：计算不同整数m对应的外差式激光多普勒信号有效采样频率段；
步骤S63：比较有效采样频率段下限截止频率与n倍B的大小，保留下限截止频率大于n倍B的有效采样频率段；
步骤S64：依据上下限保护带宽，计算可容许的上下限保护采样频率；
步骤S65：计算最大整数m对应的最小有效采样频率段的最大上下限保护带宽；
步骤S66：判断最大整数m的最小有效采样频率段对应的最大上下限保护带宽是否大于输入的上下限保护带宽，若不满足则m＝m-1跳至S65，满足则跳至S67；
步骤S67：判断最大整数m是否为奇数，若为奇数跳至S68，否则跳至S70；
步骤S68：使用下限保护采样频率、上限保护带宽、上限最大保护带宽计算m为奇数时的最佳保护采样频率；
步骤S69：计算有效采样频率段的下限截止频率与最佳保护采样频率之和，得到m为奇数时的最佳采样频率；
步骤S70：使用上限保护采样频率、下限保护带宽、下限最大保护带宽计算m为偶数时的最佳保护采样频率；
步骤S71：计算有效采样频率段的上限截止频率与最佳保护采样频率之差，得到m为偶数时的最佳采样频率；
步骤S72：输出外差式激光多普勒信号的最佳采样频率。
7.根据权利要求5所述的基于带通采样的外差式激光测振方法，其特征在于：
激光多普勒信号解调包括如下步骤：
步骤S101：读入已采集外差式激光多普勒信号；
步骤S102：算法生成一组一定频率的正余弦正交基，用于激光多普勒信号的正交化；
步骤S103：正交基与激光多普勒信号相乘，实现激光多普勒信号的正交化；
步骤S104：正交化后得到两路相互正交的激光多普勒信号，两路正交多普勒信号各包含高、低频率成分；
步骤S105：算法生成低通滤波器，用于去除两路正交多普勒信号中的高频率成分；
步骤S106：基于相位展开获取低通滤波后的两路激光多普勒信号的相位信息；
步骤S107：基于正弦逼近法实现激光多普勒信号相位信息的拟合；
步骤S108：经正弦逼近法拟合后计算得到被测振动信号的位移峰值与初相；
步骤S109：存储及显示被测振动的位移、速度、加速度信号。
8.利用权利要求1所述方法的基于带通采样的外差式激光测振装置，其特征在于：
该装置包括振动台(1)、振动台工作台面(2)、外差式激光干涉仪(3)、隔振台(4)、线缆(5)、信号处理及显示设备(6)；隔振台(4)用于固定外差式激光干涉仪(3)并垂直于振动台(1)的工作台面(2)；外差式激光干涉仪(3)与信号处理及显示设备(6)通过线缆(5)连接，线缆(5)用于实时传输外差式激光多普勒信号；信号处理及显示设备(6)用于处理及显示已采集的激光多普勒信号及振动测量结果；
隔振台(4)与工作台面(2)为水平方向的垂直或者竖直方向的垂直。
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