CN115493687A - 外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用，包括：S1，对采集到的原始外差干涉信号正交分解得到的信号分量进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理；S2，根据S1中处理后的信号分量利用反正切函数计算相位信号；S3，对相位信号进行解卷绕；S4，对S3中处理后的相位信号进行差分；S5，对S4中差分得到的结果进行逐段处理，消除直流分量；S6，对S5中消除直流分量后的结果进行积分；S7，对S6中积分产生的直流分量进行消除；S8，根据S7得到的结果计算得到校正声光频移偏差后的振动位移信号。本公开的方法无需增加额外器件，仅需一个声光移频器，就可极大地消除声光频移偏差带来的相位误差项，实现低频微纳级振动位移的高精度测量。

Description

外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用

技术领域

本公开涉及激光测振技术领域，具体涉及外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用。

背景技术

声光外差式激光测振技术是一种非接触式振动测量方法，具有抗环境干扰、高空间分辨率以及高测量灵敏度等特点，被广泛应用于航空航天测试、声学可视化、车辆异响检测、土木结构监测、精密器件制造、高压输电线路检测等领域。

在声光外差式激光测振仪中，声光移频是声光外差式激光测振技术实现低频微纳级振动测量的关键技术环节之一。声光移频器往往被插入到干涉仪的参考光路或测量光路中，使参考光束或测量光束发生特定的频移，在干涉信号中引入一个固定的中频载波，通过相位解调信号处理，从而实时获取振动位移、速度的大小及方向，实现高精度测量。然而，微机电系统测试、结构健康监测、高压输电线路电晕监测等需要测量低频微纳级振动的应用场景中，对声光外差式激光测振技术提出了更高的精度要求。

声光移频的频率准确性是限制振动位移测量精度提高的一个主要因素。根据声光效应，在声光移频器中，驱动电路产生的射频信号驱动压电换能器，在声光晶体内产生同频率的超声场，当相干光经过声光晶体，发生布拉格衍射时，理论上，衍射光相对于入射光的频移量应刚好等于驱动信号的频率。

但是，在实际应用中，由于器件的不理想特性，声光移频器的驱动电路产生的射频信号存在频率漂移问题。此外，还存在激光线宽、光线漂移以及声场发射角等问题，这些因素将导致入射光在声光移频器内发生声光互作用后，入射光的固定频移量并不严格等于驱动信号频率，即产生了声光频移偏移量。这个偏移值将导致外差干涉信号的相位解调结果中，除了目标物振动引起的多普勒频移项外，还引入了一个与声光频移偏移相关的误差项，最终导致位移测量误差。在微弱振动信号的测量应用中，当声光频移偏移导致的位移测量误差与目标物的实际振动幅度相当时，会造成目标物振动测量结果严重失真。

为了消除声光频移偏移对外差干涉测量的影响，提高激光外差测振仪的测量精度，研究人员提出了基于双声光移频器的各种方案，然而，此类方案中不同的声光移频器的频移准确度和稳定性都不相同，还面临着不同声光移频器之间的器件特性差异问题，此类方案实际效果有限。

综上，如何针对声光外差式激光测振仪中的声光频移偏差的相位噪声难题，提供一种能解决声光频移偏差导致的外差干涉相位解调信号漂移的技术方案，对有效提高激光测振仪振动测量精度、拓宽激光测振仪适用范围都具有较为重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了一种外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用，用于至少部分解决传统方法振动测量结果不准确、测量精度提升不显著等技术问题。

(二)技术方案

本公开一方面提供了一种外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，外差式激光测振系统使用单个声光移频器，包括：S1，对采集到的原始外差干涉信号正交分解得到的信号分量进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理；S2，根据S1中处理后的信号分量利用反正切函数计算相位信号；S3，对相位信号进行解卷绕；S4，对S3中处理后的相位信号进行差分；S5，对S4中差分得到的结果进行逐段处理，消除直流分量；S6，对S5中消除直流分量后的结果进行积分；S7，对S6中积分产生的直流分量进行消除；S8，根据S7得到的结果计算振动位移信号，得到校正声光频移偏差后的振动位移信号。

进一步地，S1包括：对采集到的原始外差干涉信号，通过模拟混频和数字复数混频将信号由中频降至基频，得到一对正交信号分量I(t)、Q(t)；对正交信号分量I(t)、Q(t)进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理。

进一步地，S2包括：根据如下公式计算相位信号

式中，arctan为反正切函数。

进一步地，S3包括：对S2中反正切计算结果离散后根据如下公式进行解卷绕：

式中，unwrap为反正切函数，n为采样点序数。

进一步地，S4包括：根据如下公式对相位信号进行差分：

进一步地，S5包括：根据如下公式消除直流分量：

式中，

为消除直流后的结果，N为逐段处理时的每段数组对应的采样点数目。

进一步地，S6包括：根据如下公式进行积分：

式中，

为梯形积分结果，i为段内序号。

进一步地，S7包括：根据如下公式对直流分量进行消除：

式中，

为第二次去直流的结果。

进一步地，S8包括：根据如下公式计算振动位移信号S：

式中，λ为光源波长。

本公开另一方面提供了一种根据前述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法在高位移测量精度测试中的应用，高位移测量精度测试包括微机电系统测试、结构健康监测、高压输电线路电晕监测中的一种。

(三)有益效果

本公开提供的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用，提供了创新的声光频移偏差校正方法，降低了声光移频器的移频准确性对测振仪测量精度的影响，拓宽了声光外差式激光测振仪的应用范围；且仅使用单个声光移频器，结合校正算法，消除了声光频移偏差带来的相位误差项，从而有效避免了现有技术方案存在的多个声光器件之间的声光移频特性差异问题，实现了低频微纳级振动位移的高精度测量。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例中外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法的流程示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例中振动频率为100Hz时声光频移偏差校正前激光测振系统位移解调结果与真实值的相关系数热图；

图3示意性示出了根据本公开实施例中振动频率为100Hz时声光频移偏差校正后激光测振系统位移解调结果与真实值的相关系数热图；

图4示意性示出了根据本公开实施例中振动位移峰值为2μm时声光频移偏差校正前激光测振系统位移解调结果与真实值的相关系数热图；

图5示意性示出了根据本公开实施例中振动位移峰值为2μm时声光频移偏差校正后激光测振系统位移解调结果与真实值的相关系数热图；

图6示意性示出了根据本公开实施例中利用声光外差式激光测振仪对便携式振动平台9100D进行测量得到的时域信息；

图7示意性示出了根据本公开实施例中利用声光外差式激光测振仪对便携式振动平台9100D进行测量得到的频域信息。

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

针对传统声光移频器频移偏移校正方案限制声光外差式激光测振技术位移测量精度的问题，本公开旨在提供一种新的基于单声光移频器的频移偏移校正方案，针对低频微纳级振动测量中的声光移频器频移偏移引起的振动测量位移信号漂移问题进行校正方案创新，使测量低频微纳级振动时，声光移频器频移偏移对测量的影响降低，进而提高激光测振仪的振动测量精度。

本公开提供了一种外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，外差式激光测振系统使用单个声光移频器，请参见图1，包括：S1，对采集到的原始外差干涉信号正交分解得到的信号分量进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理；S2，根据S1中处理后的信号分量利用反正切函数计算相位信号；S3，对相位信号进行解卷绕；S4，对S3中处理后的相位信号进行差分；S5，对S4中差分得到的结果进行逐段处理，消除直流分量；S6，对S5中消除直流分量后的结果进行积分；S7，对S6中积分产生的直流分量进行消除；S8，根据S7得到的结果计算振动位移信号，得到校正声光频移偏差后的振动位移信号。

在激光多普勒外差干涉测振系统中，若声光移频器的驱动信号频率为f_drive，声光频移偏移为Δf。则经过有限带宽中频放大器后，光电探测器输出的中频信号可表示为：

i(t)＝A·cos[2π(f_drive+Δf)t+2πf_dt+φ₁]

其中，A为中频信号的幅度，f_d为测量点振动造成的多普勒频移量，φ₁为中频信号的初始相位，t为时间；通过正交解调算法进行相位解调时，利用一对正交信号分别与中频信号进行混频，正交信号的频率设置为驱动信号频率值。正交混频后，再经过低通滤波器，可得到一对正交信号：

I(t)＝LPF[V(t)×cos(2πf_drivet+φ₂)]

＝b×cos[2π(Δf+f_d)t+φ₁-φ₂]

Q(t)＝LPF[V(t)×sin(2πf_drivet+φ₂)]

＝b×sin[2π(Δf+f_d)t+φ₁-φ₂]

其中，φ₂为正交混频信号的初始相位。对低通滤波后的信号进行反正切及解卷绕计算，可以得到：

假设测量点沿光束方向的位移为S(t)，光源波长为λ，则相位解调结果可表示为：

由上述分析可知，相位解调结果中，除了位移调制的相位项和初始相位项之外，还存在一个由声光移频器频移偏移所引入的关于时间的一阶误差项2πΔf·t。

为了消除这个误差项，我们对反正切及解卷绕后的相位解调信号进行差分：

其中，n为采样点序数，v(t)为所测目标物的沿光束方向的振动速度。

然后对差分结果进行逐段处理，每段数组长度为N，N一般取1000，在10KHz的采样率下，Δf可以看作为未知常量。因此，可以按照如下公式消除直流分量，从而得到：

然后，对去直流后的结果按照下式进行积分：

其中，

为梯形积分结果，

为第一次去直流计算结果，i为段内序号，S(t)为所测目标物的沿光束方向的位移，C为积分计算产生的直流偏置，与时间无关，可以按下式进行消除：

其中，

为第二次去直流计算结果。

最后，按下式计算振动位移信号：

需要说明的是，上述外差干涉信号的采集与预处理由软件定义无线电平台完成，通过模拟混频和数字复数混频将信号由中频降至基频，输出为一对正交信号I和Q，供计算中使用。对正交信号的处理和解调由上位机软件完成，主要实现正交解调及声光频移偏差校正处理过程，输出振动位移信号。

本公开在实现声光外差式激光测振仪振动测量的前提下，通过提出创新的声光频移偏差校正方法，降低了声光移频器的移频准确性对测振仪测量精度的影响，拓宽了声光外差式激光测振仪的应用范围，为测振仪应用于要求高位移测量精度的微机电系统测试、结构健康监测、高压输电线路电晕监测等应用场合提供有力支持。

下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法及应用进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。

本实施例中，将本公开一种关于外差式激光测振系统的声光频移偏差校正方法应用于声光外差式激光测振仪低频微纳级振动测量。该声光外差式激光测振仪有光学干涉仪部分、信号采集部分和数据解调部分共三部分组成，激光光束经过光学干涉仪及信号采集部分后形成外差干涉信号，并由上位机进行相位解调及声光频移偏差校正处理。图1为声光频移偏差校正方法的步骤示意图。本实施例中，信号采集部分采用软件定义无线电平台，数据解调部分采用了基于图形化编辑语言的软件平台，按照所给出的步骤通过程序实时地进行外差干涉信号相位解调及声光频移偏差校正，获得高精度的振动位移测量信号。

图2为目标振动频率恒定为100Hz时，声光频移偏差校正前，在不同的声光频移偏差和振动位移峰值情况下，声光外差式激光测振系统的位移解调信号与真实信号的相关系数。由图可知，振动位移峰值恒定时，随着声光频移偏差的增大，相关系数显著降低。声光频移偏差越大，位移解调失真越严重。当声光频移偏差恒定时，随着振动位移峰值越小，相关系数越来越小，说明振动信号越小，声光频移偏差对测量精度的影响越大。

图3为目标振动频率恒定为100Hz时，经过本公开的声光频移偏差校正处理后，在不同的声光频移偏差和振动位移峰值情况下，声光外差式激光测振系统的位移解调信号与真实信号的相关系数。由图可知，经过校正后，振动位移峰值恒定时，振动位移解调信号与真实值的相关系数均大于0.999，且几乎不随声光频移偏差的变化而变化。当声光频移偏差恒定时，相关系数同样不随振动位移的变化而变化。

图4为目标振动位移峰值为2μm时，声光频移偏差校正前，在不同的声光频移偏差和振动频率情况下，声光外差式激光测振系统的位移解调信号与真实信号的相关系数。由图可知，振动频率恒定时，随着声光频移偏差的增大，相关系数逐渐下降，不同的振动频率下，相关系数下降速度略有差异。当声光频移偏差恒定时，随着振动频率的降低，相关系数波动下降。

图5为目标振动位移峰值为2μm时，经过本公开的声光频移偏差校正处理后，在不同的声光频移偏差和振动频率情况下，声光外差式激光测振系统的位移解调信号与真实信号的相关系数。由图可知，经过校正后，当振动频率大于15Hz且恒定时，振动位移解调信号与真实值的相关系数均大于0.999，且几乎不随声光频移偏差的变化而变化，当声光频移偏差固定时，相关系数同样不随振动位移的变化而变化。

图6和图7分别为利用声光外差式激光测振仪对便携式振动平台9100D进行测量得到的振动时域及频域信息。在时域上，声光频移的缓慢偏移导致测振系统获得的振动位移信号发生了漂移，在10个振动周期内，波谷随时间向下漂移，由-3.57835μm漂移至-4.06409μm，波形漂移量为0.48574μm。经过本文提出的算法处理后，波形的漂移明显改善，由-1.99956μm漂移至-1.99979μm，波形的漂移量降低至0.23e-3μm。在频域上，声光频移漂移导致相位解调结果中出现了严重的低频噪声，经过声光频移偏差校正方法处理，有效地抑制了低频噪声。

因此，本公开提出的关于外差式激光测振系统的声光频移偏差校正方法可以在不添加额外的声光移频器的前提下，在上位机进行算法设计实现声光频移偏差校正，避免了现有技术方案存在的多个声光器件之间的声光移频特性差异问题，有效降低声光频移偏差对激光测振系统振动位移测量精度的影响。

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

Claims (10)

1.一种外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，外差式激光测振系统使用单个声光移频器，其特征在于，包括：

S1，对采集到的原始外差干涉信号正交分解得到的信号分量进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理；

S2，根据所述S1中处理后的信号分量利用反正切函数计算相位信号；

S3，对所述相位信号进行解卷绕；

S4，对所述S3中处理后的相位信号进行差分；

S5，对所述S4中差分得到的结果进行逐段处理，消除直流分量；

S6，对所述S5中消除直流分量后的结果进行积分；

S7，对所述S6中积分产生的直流分量进行消除；

S8，根据所述S7得到的结果计算振动位移信号，得到校正声光频移偏差后的振动位移信号。

2.根据权利要求1所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S1包括：

对采集到的原始外差干涉信号，通过模拟混频和数字复数混频将信号由中频降至基频，得到一对正交信号分量I(t)、Q(t)；

对所述正交信号分量I(t)、Q(t)进行增益均衡、相位对齐和偏置校正处理。

3.根据权利要求2所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S2包括：

根据如下公式计算相位信号

式中，arctan为反正切函数。

4.根据权利要求3所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S3包括：

对所述S2中反正切计算结果离散后根据如下公式进行解卷绕：

式中，unwrap为反正切函数，n为采样点序数。

5.根据权利要求4所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S4包括：

根据如下公式对所述相位信号进行差分：

6.根据权利要求5所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S5包括：

根据如下公式消除直流分量：

式中，

为消除直流后的结果，N为逐段处理时的每段数组对应的采样点数目。

7.根据权利要求6所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S6包括：

根据如下公式进行积分：

式中，

为梯形积分结果，i为段内序号。

8.根据权利要求7所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S7包括：

根据如下公式对直流分量进行消除：

式中，

为第二次去直流的结果。

9.根据权利要求8所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法，其特征在于，所述S8包括：

根据如下公式计算振动位移信号S：

式中，λ为光源波长。

10.根据权利要求1～9中任意一项所述的外差式激光测振系统中声光频移偏差校正的方法在高位移测量精度测试中的应用，所述高位移测量精度测试包括微机电系统测试、结构健康监测、高压输电线路电晕监测中的一种。

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