CN107421435B - 基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法 - Google Patents
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Abstract
基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，包括从激光干涉仪按整周期采样获取单路光电信号；将光电信号的幅值按比例缩放到峰值为1V，同时去除直流量得到幅值均值为0的归一化信号；对归一化信号进行自适应修正以获得初始值位于相位反转点，且整个信号的满足整周期采样特性的修正信号；对修正信号以半周期为单位进行+90°和‑90°交替移相，获得移相信号；移相信号和来自激光干涉仪的单路光电信号形成两路正交光电信号。本发明的优点在于无需使用硬件移相，且两路光电信号的相位始终是相差+90°或者‑90°。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，可实现利用单路激光干涉信号生成两路零差正交激光干涉信号，用于振动传感器幅频特性和相频特性绝对法测量。
技术背景
现在的国家标准中，对于振动传感器幅频特性和相频特性绝对法测量推荐使用的是零差正交激光干涉仪，如中国计量科学研究院的基于正交输出的零差激光干涉仪。但是由于上述激光干涉仪需要两路正交光电信号输出，这就需要用到四分之一波片等光学移相元器件，但是由于零差正交激光干涉仪中四分之一波片、偏振分光棱镜的安装调整位置等因素的影响可能会导致其输出的两路正交光电信号的相位差与90°会产生偏差，当与90°名义角度的偏差超过±20°的时候两路正交光电信号所组成的李萨如图则是一个离心率较大的椭圆，这样的两路光电信号不能正确地进行后续的解调处理。并且，从硬件上实现移相，再加上附加的一套光电转换设备及高速数据采集系统，造价昂贵。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需使用光学移相元器件，并能保证两路正交光电信号不存在正交相位误差的基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法。
基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，包括以下步骤：
步骤1：从激光干涉仪按被测振动信号的周期做整周期采样获取单路光电信号；
步骤2：将光电信号的幅值按比例缩放到峰值为1V，同时去除直流量得到幅值均值为0的归一化信号；
步骤3：对归一化信号进行自适应修正以获得初始值位于相位反转点，且满足整周期采样特性的修正信号；
步骤4：对修正信号以半周期为单位进行+90°和-90°交替移相，获得移相信号；
步骤5：移相信号和来自激光干涉仪的单路光电信号形成两路正交光电信号。根据得到的两路正交光电信号，可以解调得到振动信号波形，经过参数辨识后即可得到振动信号的幅值和相位，从而可以测量得到振动传感器的幅相特性。
进一步，步骤3中修正信号的获取包括以下步骤：
步骤3.1：判断归一化信号的初始值是否位于相位反转点，若是，则将归一化信号作为修正信号；若否，则进入步骤3.2；
步骤3.2：对归一化信号进行差分运算，对差分运算后的信号求上包络曲线，搜索获得包络线的第一个极小值，第一个极小值对应所要求解的相位反转点，将第一个极小值点作为初始相位点；
步骤3.3：将初始相位点之前的信号作为第一修正部，将第一修正部删除获得初步修正信号；
步骤3.4：按周期遍历初步修正信号，直到出现不满一个周期的信号部分，将该不满一个周期的信号部分作为第二修正部，将第二修正部删除。
或者：步骤3.4替换为：将第一修正部的起始点与初始信号的最后一点重合，从第一修正部的终点起向前删掉最后一个周期的信号。
进一步，为了降低噪声的影响，得到准确的极小值，步骤3.2中，对上包络曲线进行低通滤波后，再搜索极小值；
进一步，步骤4中，用傅里叶变换对修正信号移相+90°，用希尔伯特变换对修正信号移相-90°，傅里叶变换和希尔伯特变换交替进行。如：第一个单位进行一次傅里叶变换将其变换+90°，第二个单位进行一次希尔伯特变换将其变换-90°，第三个单位则又进行傅里叶变换，如此交替循环进行，直到最后结束移相处理，这样即可达到零差正交激光干涉仪两路零差正交光电信号的输出效果。
本发明的优点在于：1、用傅里叶变换和希尔伯特变换实现了对光电信号的正交移相，从而使移相后的信号与来自激光干涉仪的信号形成两路正交光电信号，节省了光学移相与其连带的硬件成本和占用空间。2、通过移相算法处理得到的两路光电信号的相位始终是相差+90°或者-90°，不会存在正交相位误差的问题。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为光电信号自适应修正方法流程图。
图3为交替使用傅里叶变换和希尔伯特变换移相后的光电信号。
图4为软件仿真的两路标准的零差正交光电信号。
图5为基于本发明解调得到的加速度波形。
图6为基于零差激光干涉仪解调得到的加速度波形。
具体实施方式
实施例1:
如图1，基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，包括以下步骤：
步骤1：获取单路信号：由数据采集卡读取从迈克尔逊激光干涉仪输出的单路光电信号，该单路光电信号按被测振动信号的周期做整周期采样。
步骤2：归一化处理：由于光电转换及放大电路增益与零点漂移的影响导致输出的光电信号可能出现峰值电压不为1 V或者均值不为0的现象，为方便后续的交替移相算法处理需要对光电信号进行归一化处理，即将光电信号的幅值按比例缩放至峰值为1 V，同时去除直流量得到均值为0的信号。
步骤3：对归一化信号进行自适应修正以获得初始值位于相位反转点，且满足整周期采样特性的修正信号：寻找振动激励信号周期的反向点，即振动速度的反向点，亦称为半周期分界点，对应于光电信号即为光电信号的相位反转点。如果采集得到的光电信号的初始值正好位于相位反转点，则可以直接进入到下一步的移相处理；如果采集得到的光电信号的初始值不是相位反转点，则需要对光电信号进行修正，如图2所示，以保证进入后续的移相处理过程的光电信号的初始值为相位反转点；
在移相算法中所采集到的光电信号所携带的振动信号的初相位不一定是0°或者180°，也就是说不一定正好是从振动激励装置反向运动开始的，那么±90°交替移相就不能够从半周期单位开始了，这也就意味着疏-密-疏的半周期单位被破坏了，那么此时依然从开始来计算半个周期采样点就不能正确地得到与初始光电信号正交的光电信号，所以需要对归一化信号进行自适应修正以获得初始值位于相位反转点。
步骤3.1：判断归一化信号的初始值是否位于相位反转点，若是，则将归一化信号作为修正信号；若否，则进入步骤3.2。
步骤3.2：对归一化信号进行差分运算，对差分运算后的信号求上包络曲线，搜索获得包络线的第一个极小值，第一个极小值对应所要求解的相位反转点，将第一个极小值点作为初始相位点；
为了降低噪声的影响，得到准确的极小值点，对上包络曲线进行适当的低通滤波后，再搜索极小值。当原始信号的噪声影响可以忽略时，可以不使用低通滤波。
步骤3.3：将初始相位点之前的信号作为第一修正部，将第一修正部删除获得初步修正信号。
步骤3.4：按周期遍历初步修正信号，直到出现不满一个周期的信号部分，将该不满一个周期的信号部分作为第二修正部，将第二修正部删除。满足整周期采样特性的修正信号为步骤4的移相做准备。
步骤4：移相处理：对修正信号以半周期为单位进行+90°和-90°交替移相；用傅里叶变换对修正信号移相+90°，用希尔伯特变换对修正信号移相-90°，如此交替循环进行，直到最后移相处理，即可完成用软件来生成另一路正交光电信号，从而获得两路正交光电信号，如图3所示。图4为软件仿真的两路标准的零差正交光电信号。
这是因为零差正交激光干涉仪所输出的两路光电信号的相位差并不都是90°，而是当振动激励装置反向的时候相位差也反相，即两路信号的相位差为+90°，当振动激励装置反向时两路信号的相位差就变为-90°，当振动激励装置振动再次反向时两路信号的相位差就又变为+90°，因此在移相处理的过程中考虑对信号进行交替移相；而振动信号在一个周期内会发生两次反向，因此振动信号在半个周期内会发生一次反向运动，故而以半个周期为单位。
步骤5：移相信号和来自激光干涉仪的单路光电信号形成两路正交光电信号。根据得到的两路正交光电信号，可以解调得到振动信号波形，如图5所示（图6为基于零差激光干涉仪解调得到的加速度波形）。经过参数辨识后即可得到振动信号的幅值和相位，从而可以测量得到振动传感器的幅相特性。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：步骤3中获得修正信号的具体方法不同，除了获取修正信号的步骤以外，其余步骤均与实施例1相同。
步骤3中修正信号的获取包括以下步骤：
步骤3.1：判断归一化信号的初始值是否位于相位反转点，若是，则将归一化信号作为修正信号；若否，则进入步骤3.2；
步骤3.2：对归一化信号进行差分运算，对差分运算后的信号求上包络曲线；为了降低噪声的影响，得到准确的极小值点，对上包络曲线进行适当的低通滤波后，再搜索极小值。当原始信号的噪声影响可以忽略时，可以不使用低通滤波。
步骤3.3：将初始相位点之前的信号作为第一修正部，将第一修正部截取，同时获得初步修正信号；
步骤3.4：将第一修正部的起始点与初步修正信号的最后一点重合，从第一修正部的终点起向前删掉最后一个周期的信号，获得所需的修正信号。
这种方法的优势在于：无需按周期遍历光电信号，节约运算资源。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (3)
1.基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，包括以下步骤：
步骤1：从激光干涉仪按被测振动信号的周期做整周期采样获取单路光电信号；
步骤2：将光电信号的幅值按比例缩放到峰值为1V，同时去除直流量得到幅值均值为0的归一化信号；
步骤3：对归一化信号进行自适应修正以获得初始值位于相位反转点，且满足整周期采样特性的修正信号；修正信号的获取包括以下步骤：
步骤3.1：判断归一化信号的初始值是否位于相位反转点，若是，则将归一化信号作为修正信号；若否，则进入步骤3.2；
步骤3.2：对归一化信号进行差分运算，对差分运算后的信号求上包络曲线，搜索获得包络线的第一个极小值，第一个极小值对应所要求解的相位反转点，将第一个极小值点作为初始相位点；
步骤3.3：将初始相位点之前的信号作为第一修正部，将第一修正部删除获得初步修正信号；
步骤3.4：按周期遍历初步修正信号，直到出现不满一个周期的信号部分，将该不满一个周期的信号部分作为第二修正部，将第二修正部删除。
步骤4：对修正信号以半周期为单位进行+90°和－90°交替移相，获得移相信号；用傅里叶变换对修正信号移相+90°，用希尔伯特变换对修正信号移相－90°，傅里叶变换和希尔伯特变换交替进行。
步骤5：移相信号和来自激光干涉仪的单路光电信号形成两路正交光电信号。
2.如权利要求1所述的基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，其特征在于：步骤3.1：判断归一化信号的初始值是否位于相位反转点，若是，则将归一化信号作为修正信号；若否，则进入步骤3.2；
步骤3.2：对归一化信号进行差分运算，对差分运算后的信号求上包络曲线，搜索获得包络线的第一个极小值，第一个极小值对应所要求解的相位反转点，将第一个极小值点作为初始相位点；
步骤3.3：将初始相位点之前的信号作为第一修正部，将第一修正部删除获得初步修正信号；
步骤3.4：按周期遍历初步修正信号，直到出现不满一个周期的信号部分，将该不满一个周期的信号部分作为第二修正部，将第二修正部删除。
3.如权利要求1或2所述的基于软件移相的零差正交激光干涉信号生成方法，其特征在于：步骤3.2中，对上包络曲线进行低通滤波后，再搜索极小值。
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