CN1606235A - He－Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法 - Google Patents

Abstract

He－Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法，其特点是将用双纵模双频激光干涉仪以拍波干涉的原理对高精度大尺寸零件作无导轨测量装置中节点判别光路输出的大尺寸测量信号和参考信号分别通过高频放大器(1)连接功分器(2)，功分器连接混频器(4)，其中一路功分器与混频器间接有延迟线(3)，得到两路有固定相位差的低频信号。利用此两路低频信号中拍波演变出的信号高度相关，而所含噪声不相关的特点，将其依次输入基于数字信号处理器(DSP)(7)、硬件的变步长自适应滤波器(5)和改进型小波滤波器(6)，最终得到大大滤除了激光器噪声的高信噪比拍波信号。

Description

He-Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法

一、技术领域

本发明涉及大尺寸零件无导轨测量的He-Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法，属于激光精密测试领域。

二、背景技术

在用双纵模双频激光干涉仪以拍波干涉的原理对高精度大尺寸零件作无导轨测量的技术中，He-Ne激光器拍波本身的噪声是限制测试精度的主要因素。由于该噪声的广谱性及随机性，一般的滤波方法的效果是很有限的。为此提出了各种自适应滤波器算法和小波变换去噪算法，应该说这些方法对消除拍波噪声有一定效果。但这些自适应滤波器均假定有主通道和参考通道两个信号输入通道，主通道接收到信号s和不相关噪声n₀，即s+n₀形成对消除器的原输入；参考通道接收到一个与信号不相关的、而与噪声n₀相关的噪声n₁，形成对消除器的参考输入，参考输入的噪声n₁被滤波器产生一个输出y，它尽可能地去翻版n₀，该输出从原输入s+n₀减去，产生系统的输出为e＝s+n₀-y。实际系统中很难找到完全符合要求的参考通道输入，因而满足要求的假定条件经常是不现实的。而且这些自适应滤波器多采用最小均方误差算法(LMS)，它具有结构简单和性能稳定等优点，在自适应信号处理领域得到了广泛的应用。但是LMS算法的稳态误差与步长成正比，收敛速度与步长成反比，这一内在的矛盾使得LMS算法的收敛速度和稳态误差特性不能同时满足，必须在收敛速度和稳态误差这两个性能指标之间进行权衡，而这通常依靠大量的实验与经验，要达到较好的效果需要大量的时间、精力，并对使用者有较高的素质要求。而小波变换去噪一般采用阈值去噪法。这类方法由D.L.Dohono在1995年首先提出，此方法根据信号与噪声的幅值和频率不同，对含噪信号进行小波变换得到小波系数序列，通过阈值去除小波系数中的噪声元素，用经过处理的小波系数进行小波反空域相关滤波法。此方法根据Mallat等的研究结果，信号成分的奇异性具有正的Lipschitz指数，其小波系数的模值将随着尺度的增大而增大。随机噪声的Lipschitz指数则为负数，其模值将随着尺度的增大而迅速减小。将相邻尺度的小波变换值的相关量进行归一化处理并与小波变换值比较来判断噪声与信号，以噪声在各尺度上的方差作为终止迭代的标准。此方法能够较好地保留信号中的细节成分。但此法在迭代收敛时，如果剔除的小波系数的方差和本尺度上的噪声方差之比恰好等于1，那么我们认为剔除的小波系数都是噪声系数；如果小于1，将有很多噪声被当成信号保存下来，从而降低滤噪效果。在达到收敛时，这个比值总是小于1，因此会引入随机噪声。

在用双纵模双频激光干涉仪以拍波干涉的原理对高精度大尺寸零件作无导轨测量的技术中，节点的确定有两路大尺寸拍波信号：一路为被测量调制相位的测量信号；一路为相位不变的参考信号。通过对它们比相找零得到测量结果的。由于拍波信号频率很高(与He-Ne激光器长短有关，可达500MHz～1000MHz)，很难对其有效滤波，因而直接比相找零测量的精度受限于较低的信噪比，通常很难得到较高的测量精度。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种He-Ne激光器拍波噪声滤除装置及其噪声滤除方法，其特点是采用混频器将拍波信号频率在保留被测相位信息的条件下降至低频，形成两路有固定相位差的低频信号，将其作为自适应滤波器的两路输入，以变步长LMS自适应算法实现自适应滤波，再以能保证迭代收敛时剔除的小波系数的方差和本尺度上的噪声方差之比恰好等于1的改进型小波去噪算法滤波，经以上环节滤除激光器拍波噪声后进行比相找零测量，从而得到高的测量精度。

本发明的目的由以下技术措施实现的。

测量信号和参考信号分别通过高频放大器连接功分器，功分器连接混频器，其中一路功分器与混频器间接有延迟线，得到两路有固定相位差的低频信号。

将上述两路有固定相位差的低频信号输入自适应滤波器。两路信号X₀和X₁均含有背景噪声，即X₀＝S₀+N₀，X₁＝S₁+N₁，由于拍波演变出的信号S₀与S₁高度相关，而噪声N₀与N₁不相关，自适应滤波器的作用是通过调节滤波器的系数，使输出Y_n逼近期望的信号S₀。可以证明：

$E\left[e_n^2\right]=E\left[{(S_0-Y_n)}^2\right]+E\left[N_0^2\right]$

使均方误差取最小值，则：

$\min E\left[e_n^2\right]=\min E\left[{(S_0-Y_n)}^2\right]+E\left[N_0^2\right]$

上式表明：当误差e_n的平均功率为最小时，输出Y_n则为S₀最好的最小均方估计。

为同时满足收敛速度和稳态误差这两个性能指标之间相互矛盾的要求，采用变步长自适应滤波算法，其迭代公式为：

Y_(n)＝X_(n)W_(n)

e_(n)＝d_(n)-Y_(n)

W_(n+1)＝W_(n)+2μ_(n)e_(n)X_(n)

${\mathrm{\μ}}_{(n+1)}=\mathrm{\α}{\mathrm{\μ}}_{\left(n\right)}+\mathrm{\γ}{e}_{\left(n\right)}^2$

式中Y_(n)为实际输出，X_(n)为输入信号，W_(n)为权系数，X_(n)＝[x_(n)，x_(n-1)，x(_n-2)，...x_(n-L+1)]^T表示时刻n的输入信号矢量，T为矢量标志，由最近L个信号采样值构成，W_(n)＝[ω_0(n)，ω_1(n)，ω_2(n)，...ω_L-1(n)]^T是时刻n自适应滤波器的权系数矢量。L是自适应滤波器的阶数，d_(n)是期望输出值，在这里为S₀，e_(n)是误差，μ_(n)是控制稳定性和收敛速度的参量，称之为步长因子，变步长因子μ_(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0。

这种变步长自适应滤波算法在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时，步长应比较大，以便有较快的收敛速度或对时变系统的跟踪速度；而在算法收敛后，不管主输入端干扰信号有多大，都应保持很小的调整步长以达到很小的稳态失调噪声。这种算法能同时满足收敛速率、跟踪速率及权失调噪声之间相互矛盾的要求。

为满足信号处理实时性的要求，该滤波器通过数字信号处理器(DSP)高速运算实现。基于DSP硬件的变步长自适应滤波器大大提高了滤波器的时效性，可以实时处理0～几MHz的信号，有效滤除激光器拍波信号中的噪声。

将经过变步长自适应滤波器处理输出的信号输入其后的改进型小波滤波器，该滤波器首先利用空域相关法剔除噪声系数，在噪声系数λ＞1时反复迭代，直到λ＜1。此时停止迭代将引人噪声。为此在这一步引人调整系数c，寻找最佳的调整系数c，使λ＝1，我们注意到，当λ＞1时，lnλ＞0；当λ＜1时，lnλ＜0。利用此性质由下式自适应寻找c的最佳估计：

c→c+μlnλ

在此式中，μ是调整步长的一个正的常数。设置c的初值为1，当λ＜1时，lnλ＜0，迭代后c值将减小，用此减小的c值去乘相关系数，这样做抽取的细节点数将减少，而剔除的小波系数的方差将增加，λ也将增加。如果λ的值仍旧小于1，则λ代人上式继续再次迭代，剔除的小波系数的方差将再次增加，λ也将再次增加，如果迭代后入的值大于1，lnλ＞0，迭代后c值将增大，用此增大的c值去乘相关系数，这样做抽取的细节点数将增加，而剔除的小波系数的方差将减小，λ也将减小。可见，无论λ＞1或λ＜1，本文的方法都能使λ趋向1的方向靠近。这样一直迭代下去，直到入λ_n+1-λ_n≤σ_m×10^-3。这种迭代的结果使剔除的小波系数的方差等于噪声的方差，可以达到滤波的最佳效果。常数μ的作用是控制稳定性和收敛速度的参量，可以叫做步长因子，μ值较大时，c可以较快地收敛到平稳值，同时出现较大的随机抖动。μ较小时，c值可以较为平稳和精确但又较为缓慢地收敛到平稳值。

上述改进型小波滤波器采用自适应调整的方法，在小波变换值的相关量里加入自适应微调系数，使在迭代收敛时剔除的小波系数的方差和本尺度上的噪声方差之比恰好等于1，避免引入随机噪声，从而提高了空域相关法的滤波效果。同样为满足信号处理实时性的要求，该改进型小波滤波器也通过数字信号处理器(DSP)高速运算实现。

本发明具有以下优点：

1.将大尺寸拍波测量信号和参考信号分别通过高频放大器连接功分器，功分器连接混频器，其中一路功分器与混频器间接有延迟线，使拍波信号在保留被测相位信息的条件下降至低频，形成两路有固定相位差的低频信号，易于后续数字信号电路处理。

2.可将上述两路有固定相位差的低频信号X₀和X₁直接输入变步长自适应滤波器，避免了一般自适应滤波器均需要有参考输入通道，且参考输入通道只含有与主通道信号不相关、而与主通道噪声相关的噪声的苛刻要求。X₀和X₁均含有背景噪声，即X₀＝S₀+N₀，X₁＝S₁+N₁，由于拍波演变出的信号S₀与S₁高度相关，而噪声N₀与N₁不相关，自适应滤波器通过调节滤波器的系数，能使输出Y_n逼近期望的信号S₀。具体采用通过数字信号处理器(DSP)高速运算实现的变步长自适应滤波算法，该算法在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时，步长应比较大，以便有较快的收敛速度或对时变系统的跟踪速度；而在算法收敛后，不管主输入端干扰信号有多大，都应保持很小的调整步长以达到很小的稳态失调噪声。这种算法同时满足了收敛速率、跟踪速率及权失调噪声之间相互矛盾的要求，可以有效滤除激光器拍波信号中的噪声。

3.将经过变步长自适应滤波器处理输出的信号输入其后的改进型小波滤波器，再次滤波。该滤波器利用空域相关法剔除噪声系数，为避免λ＜1时停止迭代引人随机噪声，引人调整系数c，利用c→c+μlnλ自适应寻找最佳的调整系数c，使λ＝1，提高了空域相关法的滤波效果。

4.通过低频化处理及双次滤波，可以得到大大滤除了激光器噪声的高信噪比拍波信号进而获得更高的比相测量精度。

四、附图说明

图1为He-Ne激光器拍波噪声滤除装置框图。

1高频放大器，2功分器，3延迟线，4混频器，5变步长自适应滤波器，6改进型小波滤波器，7数字信号处理器(DSP)。

图2为变步长自适应滤波器框图。

8自适应滤波器，9合成器

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例：

在用双纵模双频激光干涉仪以拍波干涉的原理对高精度大尺寸零件作无导轨测量的装置中，节点判别光路输出两路大尺寸拍波信号，如图1所示：一路为被测量调制相位的测量信号，一路为相位不变的参考信号，拍波信号频率很高(与He-Ne激光器长短有关，可达500MHz～1000MHz)。将测量信号和参考信号分别通过高频放大器1连接功分器2，功分器连接混频器4，其中一路功分器与混频器间接有延迟线3，得到两路有固定相位差的低频信号X₀和X₁，将此两路信号X₀和X₁输入变步长自适应滤波器5，该滤波器通过数字信号处理器(DSP)7高速运算实现。此两路有固定相位差的低频信号X₀和X₁均含有背景噪声，即X₀＝S₀+N₀，X₁＝S₁+N₁，由于拍波演变出的信号S₀与S₁高度相关，而噪声N₀与N₁不相关，自适应滤波器通过调节滤波器的系数，能使输出Y_n逼近期望的信号S₀。具体采用变步长自适应滤波算法，该算法在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时，步长应比较大，以便有较快的收敛速度或对时变系统的跟踪速度；而在算法收敛后，不管主输入端干扰信号有多大，都应保持很小的调整步长以达到很小的稳态失调噪声。这种算法同时满足了收敛速率、跟踪速率及权失调噪声之间相互矛盾的要求，可以有效滤除激光器拍波信号中的噪声。再将变步长自适应滤波器输出信号Y_n输入同样用数字信号处理器(DSP)高速运算实现的改进型小波滤波器6，该滤波器采用自适应调整的方法，在小波变换值的相关量里加入自适应微调系数，使在迭代收敛时剔除的小波系数的方差和本尺度上的噪声方差之比恰好等于1，避免引入随机噪声，从而提高了空域相关法的滤波效果。最终得到高信噪比拍波信号进而获得更高的比相测量找零精度，即无导轨大尺寸测量中至关重要的节点判定精度。

Claims (3)

1.He-Ne激光器拍波噪声滤除装置，其特征在于该装置由测量信号和参考信号分别通过高频放大器(1)连接功分器(2)，功分器(2)连接混频器(4)，其中一路功分器与混频器间接有延迟线(3)，得到两路有固定相位差的低频信号，利用此两路低频信号中拍波演变出的信号高度相关，而所含噪声不相关的特点，将其依次输入基于数字信号处理器DSP(7)硬件的变步长自适应滤波器(5)和改进型小波滤波器(6)，最终得到大大滤除了激光器噪声的高信噪比拍波信号。

2.按照权利要求1所述He-Ne激光器拍波噪声滤除装置的噪声滤除方法，其特征在于变步长自适应滤波器通过数字信号处理器DSP硬件高速运算，其迭代公式为：

Y_(n)＝X_(n)W_(n)

e_(n)＝d_(n)-Y_(n)

W_(n+1)＝W_(n)+2μ_(n)e_(n)X_(n)

${\mathrm{\μ}}_{(n+1)}=\mathrm{\α}{\mathrm{\μ}}_{\left(n\right)}+\mathrm{\γ}{e}_{\left(n\right)}^2$

式中Y_(n)为实际输出，X_(n)为输入信号，W_(n)为权系数，X_(n)＝[x_(n)，x_(n-1)，x_(n-2)，...x_(n-L+1)]^T表示时刻n的输入信号矢量，T为矢量标志，由最近L个信号采样值构成，W_(n)＝[ω_0(n)，ω_1(n)，ω_2(n)，...ω_L-1(n)]^T是时刻n自适应滤波器的权系数矢量，L是自适应滤波器的阶数，d_(n)是期望输出值，e_(n)是误差，μ_(n)是控制稳定性和收敛速度的参量，称之为步长因子，变步长因子μ_(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0，使变步长自适应滤波算法在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时，步长比较大，有较快的收敛速度或对时变系统的跟踪速度；而在算法收敛后，不管主输入端干扰信号有多大，都保持很小的调整步长以达到很小的稳态失调噪声，这种算法能同时满足收敛速率、跟踪速率及权失调噪声之间相互矛盾的要求。

3.按照权利要求1或2所述He-Ne激光器拍波噪声滤除装置的噪声滤除方法，其特征在于改进型小波滤波器采用自适应调整的方法，在小波变换值的相关量里加入自适应微调系数c，由下式自适应寻找c的最佳估计：

c→c+μlnλ

在此式中，μ是调整步长的一个正的常数，使在迭代收敛时剔除的小波系数的方差和本尺度上的噪声方差之比恰好等于1，避免引入随机噪声，从而提高了空域相关法的滤波效果。

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