ES2268360T3 - Metodo y aparato para vibrometria de laser. - Google Patents

Abstract

Un vibrómetro de láser para identificar blancos distantes detectando vibraciones mecánicas de los mismos, teniendo dicho vibrómetro un conjunto de receptores ópticos coherentes para recoger una porción de luz de láser reflejada por un blanco distante, proporcionando cada receptor una salida, y medios de procesador de señal que comprenden un procesador de autocovarianza que tiene entradas múltiples para combinar dichas salidas de los receptores para producir una señal representativa del blanco distante y para suprimir sustancialmente los efectos del moteado de láser.

Description

Método y aparato para vibrometría de láser.

Este invento se refiere a métodos y aparatos para procesar señales procedentes de vibrómetros de láser. Más en particular, pero no exclusivamente, el invento se refiere a métodos y aparatos para procesar señales procedentes de vibrómetros de láser que tienen varios receptores ópticos coherentes separados.

La vibrometría de láser es una técnica para detectar vibraciones mecánicas de objetos distantes iluminándolos con luz de láser. La luz de láser dispersada por objetos es modulada en fase por vibraciones de superficie, de manera que recogiendo una porción de la luz dispersada en un receptor óptico coherente y haciéndola pasar a través de un desmodulador de fase se genera una señal proporcional al desplazamiento vibratorio del objeto. La técnica puede ser usada para medir el espectro de vibración de grandes estructuras distantes, tales como aviones en vuelo, y puede ser usada para identificar aviones particulares de acuerdo con su espectro característico conocido. La vibrometría de láser es particularmente útil para identificar aviones a grandes distancias en los que la forma del avión no puede ser resuelta por medio de técnicas de imagen convencionales.

La vibrometría de láser requiere un láser que opere a una frecuencia única, muy estable, para medir con precisión la fase de la señal de retorno. Dicha luz de láser produce pautas de moteado cuando es dispersada por una superficie sólida rugosa, produciendo un campo de amplitud y fase variables espacialmente a través de la abertura de la lente del receptor. La pauta de moteado se mueve con relación a la lente del receptor cuando el blanco se desplaza, dando lugar a una señal recibida que varía amplia e impredeciblemente en amplitud y fase. En ciertos momentos, la señal recibida puede ser casi nula, dando lugar a una incapacidad temporal para observar las vibraciones del blanco. Esto puede causar errores en la identificación de las estructuras a observar.

Un método para superar este problema ha sido descrito en el documento GB 2.265.514. En el método y aparato descritos, el problema es superado proporcionando un número de receptores ópticos separados, que reciben todos luz dispersada procedente del blanco, pero separados entre sí por una distancia comparable con, o mayor que, el tamaño medio de moteado en la proximidad de los receptores. Cada receptor desmodula en fase la luz dispersada que recibe para producir una señal de salida que se corresponde con las vibraciones del blanco. Sin embargo, las fluctuaciones del moteado en cada receptor no se corresponden sustancialmente con las otras, de modo que las amplitudes de la señal de cada receptor pasan por mínimos en tiempos diferentes, por lo que, combinando las salidas desmoduladas de cada receptor con las otras, se produce una señal compuesta en la que la pérdida temporal de datos de vibración del blanco es minimizada o eliminada.

Sin embargo, en el método y aparato descritos, no es sencillo definir el método óptimo para combinar las salidas desmoduladas del conjunto de receptores para mantener una señal de vibración constante y para minimizar el ruido global del receptor. Por ejemplo, una simple adición de las señales desmoduladas no da el resultado ópti-
mo.

El documento US-A-6034760, que se refiere a un método para detectar condiciones meteorológicas por medio de un rayo de láser y un receptor óptico coherente, describe un enfoque para reducir el ruido del moteado de un volumen de sonda.

De acuerdo con el invento, se proporciona un vibrómetro de láser para identificar blancos distantes detectando vibraciones mecánicas de los mismos, teniendo dicho vibrómetro un conjunto de receptores ópticos coherentes para recoger una porción de luz de láser reflejada por un blanco distante, proporcionando cada receptor una salida, y medios de tratamiento de señal que comprenden un procesador de autocovarianza que tiene entradas múltiples para combinar dichas salidas de los receptores para producir una señal representativa del blanco distante y para retirar sustancialmente los efectos del moteado de láser.

De preferencia, los procesadores de señal pueden comprender un procesador de autocovarianza que tenga entradas múltiples, en el que la señal derivada de las entradas múltiples es representativa del blanco distante, sin ser sustancialmente afectada por el moteado de láser. Ventajosamente, las señales que salen de los múltiples receptores pueden ser llevadas a medios de conversión, muestreando dichos medios de conversión las señales de entrada para producir salidas digitales en respuesta a señales de tiempo o sincronización generadas por un generador de impulsos de sincronización. Convenientemente, las señales que salen de los múltiples receptores pueden ser hechas pasar posteriormente a medios de retardo de tiempo, retrasando dichos medios de retardo de tiempo las señales de entrada en aproximadamente 0,25 de un ciclo a la frecuencia central de las señales de los receptores. Opcionalmente, las señales retardadas en el tiempo, pueden ser hechas pasar a medios de conversión adicionales, muestreando dichos medios de conversión adicionales las señales de entrada para producir salidas digitales en respuesta a señales de sincronización generadas por un generador de impulsos de sincronización. Preferentemente, el vibrómetro de láser puede comprender además medios sumadores, para recibir la primera y segunda señales convertidas, comprendiendo dichas señales convertidas pares de señales, y realizando una suma con dichos pares de señales, haciendo dicha suma que la señal debida al moteado de láser sea grandemente reducida y sea una señal representativa de la vibración mecánica del blanco distante para ser hecha salir por los medios sumadores.

\newpage

De acuerdo con el invento, se proporciona además un método para detectar las vibraciones mecánicas de un blanco distante usando un vibrómetro de láser, que comprende los pasos de:

(a)

iluminar el blanco distante con luz de láser;

(b)

recoger una porción de la luz de láser reflejada por el blanco distante por medio de un conjunto de receptores ópticos coherentes, proporcionando cada receptor una salida; y

(c)

tratar dichas salidas combinando entre sí dichas salidas en un procesador de autocovarianza que tiene entradas múltiples para generar una señal representativa de la vibración mecánica del blanco distante, que no esté afectada sustancialmente por el moteado de láser.

De esta manera, se combinan señales de cada receptor por medio de un procesador de autocovarianza complejo con entradas múltiples, para producir una señal de salida representativa de la vibración de una superficie distante iluminada por un rayo de láser, pero minimizando las fluctuaciones de señal producidas por el moteado de láser.

Este invento comprende un técnica para combinar señales de vibrómetro procedentes de un conjunto de receptores para producir una señal resultante óptima, minimizando el ruido y reduciendo o eliminando las posibilidad de pérdida temporal de señal.

Se describirá a continuación el invento, sólo a modo de ejemplo, haciendo referencia a los siguientes dibujos, en los que:

la Figura 1 muestra una representación esquemática de un vibrómetro de láser de acuerdo con una segunda realización del invento, en la que el vibrómetro incluye un procesador de autocovarianza complejo con entradas múltiples, cuyas señales son combinadas y tratadas para representar, y por tanto identificar, una superficie distante iluminada por luz de láser.

La Figura 1 muestra un vibrómetro de láser en el que la luz procedente de un láser 1 de onda continua, que puede ser, por ejemplo, un láser de anillo que produce un salida de frecuencia única y estable, es hecha pasar a través de una fibra óptica de modo único a un acoplador 2 de fibra óptica. El acoplador 2 divide la luz entre dos fibras de salida. La salida 3 de una de esas fibras se expande para llenar la lente 4 que la colima en un rayo 5 aproximadamente paralelo. El rayo 5 es enfocado sobre la superficie 6 de un blanco 7 vibrante distante que puede ser, por ejemplo, la superficie de un avión en vuelo. La luz es dispersada aleatoriamente por la superficie 6, y una pequeña parte de ella entra en un grupo de receptores ópticos distantes situados cerca del láser 1. Éstos están representados en la Figura 1 por tres lentes receptoras 8, 9 y 10 que enfocan la luz dispersada en los núcleos de tres fibras ópticas de modo único 11, 12 y 13. Es de destacar que puede utilizarse cualquier número adecuado de receptores ópticos.

La segunda fibra de salida procedente del acoplador 2 de fibra es hecha pasar a través de un desplazador de frecuencia 14, que puede ser, por ejemplo, un dispositivo acústico-óptico que usa ondas acústicas de superficie. La función del dispositivo 14 es desplazar la frecuencia de la luz que es hecha pasar a través del dispositivo 14 en una cantidad fija igual a la frecuencia aplicada al dispositivo por un generador de señal 15 externo. La frecuencia de activación procedente del generador de señal 15 puede ser típicamente del orden de decenas de megahercios, pero puede ser cualquier frecuencia entre 10-1.000 MHz. La luz del desplazador de frecuencia 14 es hecha pasar por una fibra óptica de modo único hasta un acoplador multicamino 16 que la divide en un número de partes iguales, correspondientes al número de receptores ópticos. En el ejemplo mostrado en la Figura 1, el acoplador de fibra 16 divide la luz en tres partes iguales conducidas a lo largo de tres fibras ópticas de modo único 17, 18 y
19.

Esas fibras pasan a tres acopladores de fibra óptica 20, 21 y 22, donde la luz es mezclada con luz de señal de la superficie 6 del blanco conducida a lo largo de las fibras ópticas 11, 12 y 13, respectivamente. La mezcla produce interferencia óptica entre la luz de señal del blanco y la luz de referencia del láser, dando lugar a modulación de intensidad en cada una de las salidas de los acopladores de fibra 20, 21 y 22 a una frecuencia igual a la diferencia de frecuencias entre la luz conducida a lo largo de las dos fibras de entrada a cada acoplador. Si la superficie objeto 6 fuera estacionaria, la modulación de intensidad sería a la frecuencia de modulación aplicada por el generador de señal 15 al desplazador de frecuencia 14, pero si la superficie 6 del blanco estuviera en movimiento (como sería el caso de un avión en vuelo, por ejemplo), la modulación de intensidad sería la diferencia entre las frecuencias del generador 15 y el desplazamiento de Doppler que procede del movimiento de la superficie 6. En la práctica, es posible hacer que el generador de frecuencia 15 rastree la frecuencia de Doppler procedente de la superficie 6, de modo que la modulación de intensidad se realice a una frecuencia aproximadamente constante de unos pocos megahercios (por ejemplo, 10 MHz).

Las salidas de intensidad modulada de los acopladores 20, 21 y 22 son conducidas a los fotodiodos 23, 24 y 25, respectivamente, que producen fotocorrientes moduladas proporcionales a las intensidades de la luz. Esas fotocorrientes son amplificadas por los amplificadores 26, 27 y 28, que contienen filtros de paso de banda centrados en la frecuencia de modulación de intensidad (por ejemplo, 10 MHz).

\newpage

Las fotocorrientes ampliadas que proceden de los amplificadores de paso de banda 26, 27 y 28, con conducidas a convertidores analógico/digitales 29, 30 y 31, respectivamente. Los convertidores A/D muestrean las señales de entrada y producen salidas digitales en respuesta a señales de sincronización proporcionadas por el generador de impulsos de sincronización 38. Las salidas de los amplificadores 26, 27 y 28 son hechas pasar también a través de circuitos de retardo de tiempo 32, 33 y 34 que retrasan las señales aproximadamente un cuarto de ciclo a la frecuencia central de las señales de los amplificadores 26, 27 y 28. Las señales de los circuitos de retardo de tiempo están, por tanto, aproximadamente en cuadratura de fase con respecto a las entradas. Las señales retrasadas en tiempo son hechas pasar a convertidores analógico/digitales 35, 36 y 37, que muestrean las formas de las ondas retardadas en tiempo en respuesta a las señales de sincronización proporcionadas por el generador de impulsos 38. El generador de impulsos 38 produce un tren de impulsos de muestreo a una frecuencia apropiada en respuesta a instrucciones del ordenador 39 (por ejemplo a una frecuencia de 10 MHz).

Las salidas digitales de todos los convertidores A/D 29, 30, 31, 35, 36 y 37 son hechas pasar al ordenador 39, que por tanto recibe muestras de señales, tanto en fase como en cuadratura, de los tres receptores ópticos mostrados en el ejemplo de la Figura 1. Un ordenador 39 realiza operaciones matemáticas con estos datos digitales.

Las señales en fase y en cuadratura tomadas conjuntamente representan la amplitud compleja de las señales ópticas recibidas por las lentes telescópicas 8, 9 y 10, de modo que la magnitud de cada par complejo (esto es, de los convertidores A/D 29/35, 30/36 y 31/37) representa la amplitud media de señal de cada receptor, y el argumento representa la fase media de la señal. Las fluctuaciones en la fase de la señal causadas por movimientos vibratorios de la superficie 6 del blanco causan fluctuaciones correspondientes en los argumentos de la señales complejas recibidas por el ordenador 39, de modo que el ordenador necesita tratar esas señales de una manera apropiada para extraer las variaciones de los argumentos, y por tanto recuperar una señal correspondiente a la vibración del
blanco.

Cada uno de los convertidores A/D 29, 30, 31, 35, 36 y 37 muestrea las señales regularmente a intervalos de tiempo \tau, determinados por un tren de impulsos regular del generador de impulsos 38. La enésima señal compleja procedente del emésimo receptor puede por tanto ser representada como:

A_{n,m} = A0_{n,m} [cos(\omega n\tau + \phi_{n,m}) + jsen(\omega n\tau + \phi_{n,m})] + Ruido

= A0_{n,m} exp(j(\omega n\tau + \phi_{n,m})) + Ruido

(Ecuación 1)

donde \omega es la frecuencia angular de la fotocorriente del emésimo receptor, A0_{n,m} es la amplitud de señal (real) de la enésima muestra del emésimo receptor y j = \surd-1. \phi_{n,m} es la fase de la enésima muestra del emésimo receptor, que no es necesariamente la misma para todos los receptores, porque el moteado de la superficie 6 del blanco causa variaciones de fase aleatorias entre señales de un receptor y de otro. El término "Ruido" de la Ecuación 1 representa el ruido eléctrico aleatorio del receptor. El ordenador 39 está programado para almacenar simultáneamente un gran número de dichas muestras de todos los receptores.

El ordenador 39 está programado para multiplicar cada una de las muestras A_{n,m} por el conjugado complejo de la siguiente muestra A_{n+N,m}, en la que N es un número entero fijo, dentro típicamente del margen de 1 a 1000, dando un resultado B0_{n,m}. En circunstancias normales, la amplitud y la fase de la pauta de moteado cambia relativamente con lentitud en comparación con la frecuencia \omega de modulación de señal, de manera que la diferencia de la fase \phi_{n,m} entre dos muestras multiplicadas de la misma señal de forma de onda es normalmente muy pequeña. B0_{n,m} puede, por consiguiente, ser escrito aproximadamente como:

B0_{n,m} = A0_{n,m} exp(j(\omega n\tau + \phi_{n,m})) A0_{n+N,m} exp(-j(\omega(n + N)\tau + \phi_{n+N,m})) + Ruido

\equiv A0_{n,m} A0_{n+N,m} exp(j\omega N\tau) + Ruido

(Ecuación 2)

A B0_{n,m} se le denomina la autocovarianza compleja del par de muestras A_{n,m} y A_{n+N,m}. El producto A0_{n,m}A0_{n+N,m} es un número real para todos los pares de muestras, que varía sustancialmente con n y m debido a la variación aleatoria de la intensidad del moteado en cada receptor. El término "Ruido" de la Ecuación 2 es normalmente pequeño en comparación con el producto A0_{n,m}A0_{n+N,m}, por lo que se puede obtener normalmente una buena estimación de la frecuencia de la señal \omega a partir del argumento de B0_{n,m}, que es aproximadamente igual a \omegaN\tau. Sin embargo, el producto A0_{n,m}A0_{n+N,m} puede ocasionalmente hacerse muy pequeño cuando el receptor pasa a través de un mínimo de la pauta de moteado, y puede ocasionalmente llegar a cero, en cuyo caso no se puede obtener una estimación fiable de la frecuencia de Doppler con el argumento de B0_{n,m}. Esos errores en la estimación de la frecuencia pueden ser reducidos grandemente sumando entre sí todos los productos B0_{n,m} para todos los valores de m, y en un margen limitado de n que va desde p hasta p + Q, en el que Q es un número entero fijo, dando una estimación combinada de la autocovarianza R_{p} en la que:

(Ecuación 3)R_{p} \equiv \sum\limits^{p+Q}_{n=p} \sum\limits_{m} B0_{n,m} + Ruido

Debido a la suma de un gran número de valores de B0_{n,m}, la mayoría de los cuales tiene un argumento similar, el primer término en esta expresión de R_{p} excede grandemente al ruido, por lo que, el argumento de R_{p} proporciona en consecuencia una buena estimación de la frecuencia angular \omega_{p} de la modulación de señal por medio de la ecuación:

(Ecuación 4)\omega_{p} \equiv \frac{1}{N_{\tau}} arg(R_{p})

Los errores en la estimación de la frecuencia de la señal debidos al moteado, y por tanto, las variaciones de esta frecuencia debidas a las vibraciones del blanco, son por consiguiente grandemente reducidos, obteniendo en primer lugar separadamente las autocovarianzas de las señales de cada receptor, de acuerdo con la Ecuación 2, a continuación se suman las autocovarianzas de todos los receptores de acuerdo con la Ecuación 3, y finalmente se obtiene la frecuencia del argumento de la suma resultante de acuerdo con la Ecuación 4.

El número total Q de pares de impulsos de cada receptor que son sumados entre sí es elegido de manera que la longitud del registro Q\tau es menor que el más pequeño período de vibración de la superficie 6 del blanco, consecuentemente las variaciones de la frecuencia angular \omega_{p} en tiempos diferentes, representadas por diferentes valores del número entero p, se corresponden con fluctuaciones de la frecuencia de Doppler de la luz dispersada de la superficie 6 del blanco. Una salida 40 del computador 39 que representa la frecuencia angular \omega_{p} que varía con el tiempo representa, ya sea en forma digital o en forma analógica, la vibración de la superficie 6 del blanco.

De acuerdo con esto, se consigue una señal proporcional a la velocidad de vibración del blanco que está relativamente libre del ruido del moteado.

Debe de apreciarse que aunque las realizaciones a las que se ha hecho referencia anteriormente utilizan luz de láser, cualquier forma adecuada de radiación puede ser usada para iluminar la superficie 6 del blanco distante 7.

Claims (6)

1. Un vibrómetro de láser para identificar blancos distantes detectando vibraciones mecánicas de los mismos, teniendo dicho vibrómetro un conjunto de receptores ópticos coherentes para recoger una porción de luz de láser reflejada por un blanco distante, proporcionando cada receptor una salida, y medios de procesador de señal que comprenden un procesador de autocovarianza que tiene entradas múltiples para combinar dichas salidas de los receptores para producir una señal representativa del blanco distante y para suprimir sustancialmente los efectos del moteado de láser.

2. Un vibrómetro de láser de acuerdo con la reivindicación 1, en el que las salidas de señales emitidas por los múltiples receptores son hechas pasar a medios de conversión, muestreando dichos medios de conversión las señales de entrada para producir salidas digitales en respuesta a señales de sincronización generadas por un generador de impulsos de sincronización.

3. Un vibrómetro de láser de acuerdo con la reivindicación 2, en el que las salidas de señales emitidas por los múltiples receptores son pasadas además por medios de retardo de tiempo, retardando dichos medios de retardo de tiempo las señales de entrada en aproximadamente 0,25 de un ciclo a la frecuencia central de las señales.

4. Un vibrómetro de láser de acuerdo con la reivindicación 3, en el que las señales retardadas en tiempo son pasadas a medios de conversión adicionales, muestreando dichos medios de conversión adicionales las señales de entrada para producir salidas digitales en respuesta a señales de sincronización generadas por un generador de impulsos de sincronización.

5. Un vibrómetro de láser de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además medios sumadores, para recibir la primera y la segunda señales convertidas, comprendiendo dichas señales convertidas pares de señales, y realizando una suma con dichos pares de señales, haciendo dicha suma que la señal debida al moteado de láser sea grandemente reducida y sea una señal representativa de la vibración mecánica del blanco distante para ser emitida por los medios sumadores.

6. Un método para detectar las vibraciones mecánicas de un blanco distante usando un vibrómetro de láser que comprende los pasos de:

(a)

iluminar el blanco distante con luz de láser;

(b)

recoger una porción de la luz de láser reflejada por el blanco distante por medio un conjunto de receptores ópticos coherentes, proporcionando cada receptor una salida; y

(c)

tratar dichas salidas combinando entre sí dichas salidas en un procesador de autocovarianza que tiene entradas múltiples para generar una señal representativa de la vibración mecánica del blanco distante, que no esté sustancialmente afectada por el moteado de láser.