He－Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法
2023-05-14 20:44:21
專利名稱：He－Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法
技術領域：
本發明涉及大尺寸零件無導軌測量的He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，屬於雷射精密測試領域。
背景技術：
在用雙縱模雙頻雷射幹涉儀以拍波幹涉的原理對高精度大尺寸零件作無導軌測量的技術中，He-Ne雷射器拍波本身的噪聲是限制測試精度的主要因素。由於該噪聲的廣譜性及隨機性，一般的濾波方法的效果是很有限的。為此提出了各種自適應濾波器算法和小波變換去噪算法，應該說這些方法對消除拍波噪聲有一定效果。但這些自適應濾波器均假定有主通道和參考通道兩個信號輸入通道，主通道接收到信號s和不相關噪聲n0，即s+n0形成對消除器的原輸入；參考通道接收到一個與信號不相關的、而與噪聲n0相關的噪聲n1，形成對消除器的參考輸入，參考輸入的噪聲n1被濾波器產生一個輸出y，它儘可能地去翻版n0，該輸出從原輸入s+n0減去，產生系統的輸出為e＝s+n0-y。實際系統中很難找到完全符合要求的參考通道輸入，因而滿足要求的假定條件經常是不現實的。而且這些自適應濾波器多採用最小均方誤差算法(LMS)，它具有結構簡單和性能穩定等優點，在自適應信號處理領域得到了廣泛的應用。但是LMS算法的穩態誤差與步長成正比，收斂速度與步長成反比，這一內在的矛盾使得LMS算法的收斂速度和穩態誤差特性不能同時滿足，必須在收斂速度和穩態誤差這兩個性能指標之間進行權衡，而這通常依靠大量的實驗與經驗，要達到較好的效果需要大量的時間、精力，並對使用者有較高的素質要求。而小波變換去噪一般採用閾值去噪法。這類方法由D.L.Dohono在1995年首先提出，此方法根據信號與噪聲的幅值和頻率不同，對含噪信號進行小波變換得到小波係數序列，通過閾值去除小波係數中的噪聲元素，用經過處理的小波係數進行小波反空域相關濾波法。此方法根據Mallat等的研究結果，信號成分的奇異性具有正的Lipschitz指數，其小波係數的模值將隨著尺度的增大而增大。隨機噪聲的Lipschitz指數則為負數，其模值將隨著尺度的增大而迅速減小。將相鄰尺度的小波變換值的相關量進行歸一化處理並與小波變換值比較來判斷噪聲與信號，以噪聲在各尺度上的方差作為終止迭代的標準。此方法能夠較好地保留信號中的細節成分。但此法在迭代收斂時，如果剔除的小波係數的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等於1，那麼我們認為剔除的小波係數都是噪聲係數；如果小於1，將有很多噪聲被當成信號保存下來，從而降低濾噪效果。在達到收斂時，這個比值總是小於1，因此會引入隨機噪聲。
在用雙縱模雙頻雷射幹涉儀以拍波幹涉的原理對高精度大尺寸零件作無導軌測量的技術中，節點的確定有兩路大尺寸拍波信號一路為被測量調製相位的測量信號；一路為相位不變的參考信號。通過對它們比相找零得到測量結果的。由於拍波信號頻率很高(與He-Ne雷射器長短有關，可達500MHz～1000MHz)，很難對其有效濾波，因而直接比相找零測量的精度受限於較低的信噪比，通常很難得到較高的測量精度。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，其特點是採用混頻器將拍波信號頻率在保留被測相位信息的條件下降至低頻，形成兩路有固定相位差的低頻信號，將其作為自適應濾波器的兩路輸入，以變步長LMS自適應算法實現自適應濾波，再以能保證迭代收斂時剔除的小波係數的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等於1的改進型小波去噪算法濾波，經以上環節濾除雷射器拍波噪聲後進行比相找零測量，從而得到高的測量精度。
本發明的目的由以下技術措施實現的。
測量信號和參考信號分別通過高頻放大器連接功分器，功分器連接混頻器，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線，得到兩路有固定相位差的低頻信號。
將上述兩路有固定相位差的低頻信號輸入自適應濾波器。兩路信號X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由於拍波演變出的信號S0與S1高度相關，而噪聲N0與N1不相關，自適應濾波器的作用是通過調節濾波器的係數，使輸出Yn逼近期望的信號S0。可以證明E[en2]=E[(S0-Yn)2]+E[N02]]]>使均方誤差取最小值，則
minE[en2]=minE[(S0-Yn)2]+E[N02]]]>上式表明當誤差en的平均功率為最小時，輸出Yn則為S0最好的最小均方估計。
為同時滿足收斂速度和穩態誤差這兩個性能指標之間相互矛盾的要求，採用變步長自適應濾波算法，其迭代公式為Y(n)＝X(n)W(n)e(n)＝d(n)-Y(n)W(n+1)＝W(n)+2μ(n)e(n)X(n)(n+1)=(n)+e(n)2]]>式中Y(n)為實際輸出，X(n)為輸入信號，W(n)為權係數，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，x(n-2)，...x(n-L+1)]T表示時刻n的輸入信號矢量，T為矢量標誌，由最近L個信號採樣值構成，W(n)＝[ω0(n)，ω1(n)，ω2(n)，...ωL-1(n)]T是時刻n自適應濾波器的權係數矢量。L是自適應濾波器的階數，d(n)是期望輸出值，在這裡為S0，e(n)是誤差，μ(n)是控制穩定性和收斂速度的參量，稱之為步長因子，變步長因子μ(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0。
這種變步長自適應濾波算法在初始收斂階段或未知系統參數發生變化時，步長應比較大，以便有較快的收斂速度或對時變系統的跟蹤速度；而在算法收斂後，不管主輸入端幹擾信號有多大，都應保持很小的調整步長以達到很小的穩態失調噪聲。這種算法能同時滿足收斂速率、跟蹤速率及權失調噪聲之間相互矛盾的要求。
為滿足信號處理實時性的要求，該濾波器通過數位訊號處理器(DSP)高速運算實現。基於DSP硬體的變步長自適應濾波器大大提高了濾波器的時效性，可以實時處理0～幾MHz的信號，有效濾除雷射器拍波信號中的噪聲。
將經過變步長自適應濾波器處理輸出的信號輸入其後的改進型小波濾波器，該濾波器首先利用空域相關法剔除噪聲係數，在噪聲係數λ＞1時反覆迭代，直到λ＜1。此時停止迭代將引人噪聲。為此在這一步引人調整係數c，尋找最佳的調整係數c，使λ＝1，我們注意到，當λ＞1時，lnλ＞0；當λ＜1時，lnλ＜0。利用此性質由下式自適應尋找c的最佳估計c→c+μlnλ
在此式中，μ是調整步長的一個正的常數。設置c的初值為1，當λ＜1時，lnλ＜0，迭代後c值將減小，用此減小的c值去乘相關係數，這樣做抽取的細節點數將減少，而剔除的小波係數的方差將增加，λ也將增加。如果λ的值仍舊小於1，則λ代人上式繼續再次迭代，剔除的小波係數的方差將再次增加，λ也將再次增加，如果迭代後入的值大於1，lnλ＞0，迭代後c值將增大，用此增大的c值去乘相關係數，這樣做抽取的細節點數將增加，而剔除的小波係數的方差將減小，λ也將減小。可見，無論λ＞1或λ＜1，本文的方法都能使λ趨向1的方向靠近。這樣一直迭代下去，直到入λn+1-λn≤σm×10-3。這種迭代的結果使剔除的小波係數的方差等於噪聲的方差，可以達到濾波的最佳效果。常數μ的作用是控制穩定性和收斂速度的參量，可以叫做步長因子，μ值較大時，c可以較快地收斂到平穩值，同時出現較大的隨機抖動。μ較小時，c值可以較為平穩和精確但又較為緩慢地收斂到平穩值。
上述改進型小波濾波器採用自適應調整的方法，在小波變換值的相關量裡加入自適應微調係數，使在迭代收斂時剔除的小波係數的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等於1，避免引入隨機噪聲，從而提高了空域相關法的濾波效果。同樣為滿足信號處理實時性的要求，該改進型小波濾波器也通過數位訊號處理器(DSP)高速運算實現。
本發明具有以下優點1.將大尺寸拍波測量信號和參考信號分別通過高頻放大器連接功分器，功分器連接混頻器，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線，使拍波信號在保留被測相位信息的條件下降至低頻，形成兩路有固定相位差的低頻信號，易於後續數位訊號電路處理。
2.可將上述兩路有固定相位差的低頻信號X0和X1直接輸入變步長自適應濾波器，避免了一般自適應濾波器均需要有參考輸入通道，且參考輸入通道只含有與主通道信號不相關、而與主通道噪聲相關的噪聲的苛刻要求。X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由於拍波演變出的信號S0與S1高度相關，而噪聲N0與N1不相關，自適應濾波器通過調節濾波器的係數，能使輸出Yn逼近期望的信號S0。具體採用通過數位訊號處理器(DSP)高速運算實現的變步長自適應濾波算法，該算法在初始收斂階段或未知系統參數發生變化時，步長應比較大，以便有較快的收斂速度或對時變系統的跟蹤速度；而在算法收斂後，不管主輸入端幹擾信號有多大，都應保持很小的調整步長以達到很小的穩態失調噪聲。這種算法同時滿足了收斂速率、跟蹤速率及權失調噪聲之間相互矛盾的要求，可以有效濾除雷射器拍波信號中的噪聲。
3.將經過變步長自適應濾波器處理輸出的信號輸入其後的改進型小波濾波器，再次濾波。該濾波器利用空域相關法剔除噪聲係數，為避免λ＜1時停止迭代引人隨機噪聲，引人調整係數c，利用c→c+μlnλ自適應尋找最佳的調整係數c，使λ＝1，提高了空域相關法的濾波效果。
4.通過低頻化處理及雙次濾波，可以得到大大濾除了雷射器噪聲的高信噪比拍波信號進而獲得更高的比相測量精度。
四
圖1為He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置框圖。
1高頻放大器，2功分器，3延遲線，4混頻器，5變步長自適應濾波器，6改進型小波濾波器，7數位訊號處理器(DSP)。
圖2為變步長自適應濾波器框圖。
8自適應濾波器，9合成器五具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行具體描述，有必要在此指出的是以下實施例只用於對本發明進行進一步說明，不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員可以根據上述本發明的內容對本發明做出一些非本質的改進和調整。
實施例在用雙縱模雙頻雷射幹涉儀以拍波幹涉的原理對高精度大尺寸零件作無導軌測量的裝置中，節點判別光路輸出兩路大尺寸拍波信號，如圖1所示一路為被測量調製相位的測量信號，一路為相位不變的參考信號，拍波信號頻率很高(與He-Ne雷射器長短有關，可達500MHz～1000MHz)。將測量信號和參考信號分別通過高頻放大器1連接功分器2，功分器連接混頻器4，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線3，得到兩路有固定相位差的低頻信號X0和X1，將此兩路信號X0和X1輸入變步長自適應濾波器5，該濾波器通過數位訊號處理器(DSP)7高速運算實現。此兩路有固定相位差的低頻信號X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由於拍波演變出的信號S0與S1高度相關，而噪聲N0與N1不相關，自適應濾波器通過調節濾波器的係數，能使輸出Yn逼近期望的信號S0。具體採用變步長自適應濾波算法，該算法在初始收斂階段或未知系統參數發生變化時，步長應比較大，以便有較快的收斂速度或對時變系統的跟蹤速度；而在算法收斂後，不管主輸入端幹擾信號有多大，都應保持很小的調整步長以達到很小的穩態失調噪聲。這種算法同時滿足了收斂速率、跟蹤速率及權失調噪聲之間相互矛盾的要求，可以有效濾除雷射器拍波信號中的噪聲。再將變步長自適應濾波器輸出信號Yn輸入同樣用數位訊號處理器(DSP)高速運算實現的改進型小波濾波器6，該濾波器採用自適應調整的方法，在小波變換值的相關量裡加入自適應微調係數，使在迭代收斂時剔除的小波係數的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等於1，避免引入隨機噪聲，從而提高了空域相關法的濾波效果。最終得到高信噪比拍波信號進而獲得更高的比相測量找零精度，即無導軌大尺寸測量中至關重要的節點判定精度。
權利要求
1.He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置，其特徵在於該裝置由測量信號和參考信號分別通過高頻放大器(1)連接功分器(2)，功分器(2)連接混頻器(4)，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線(3)，得到兩路有固定相位差的低頻信號，利用此兩路低頻信號中拍波演變出的信號高度相關，而所含噪聲不相關的特點，將其依次輸入基於數位訊號處理器DSP(7)硬體的變步長自適應濾波器(5)和改進型小波濾波器(6)，最終得到大大濾除了雷射器噪聲的高信噪比拍波信號。
2.按照權利要求1所述He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置的噪聲濾除方法，其特徵在於變步長自適應濾波器通過數位訊號處理器DSP硬體高速運算，其迭代公式為Y(n)＝X(n)W(n)e(n)＝d(n)-Y(n)W(n+1)＝W(n)+2μ(n)e(n)X(n)(n+1)=(n)+e(n)2]]>式中Y(n)為實際輸出，X(n)為輸入信號，W(n)為權係數，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，x(n-2)，...x(n-L+1)]T表示時刻n的輸入信號矢量，T為矢量標誌，由最近L個信號採樣值構成，W(n)＝[ω0(n)，ω1(n)，ω2(n)，...ωL-1(n)]T是時刻n自適應濾波器的權係數矢量，L是自適應濾波器的階數，d(n)是期望輸出值，e(n)是誤差，μ(n)是控制穩定性和收斂速度的參量，稱之為步長因子，變步長因子μ(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0，使變步長自適應濾波算法在初始收斂階段或未知系統參數發生變化時，步長比較大，有較快的收斂速度或對時變系統的跟蹤速度；而在算法收斂後，不管主輸入端幹擾信號有多大，都保持很小的調整步長以達到很小的穩態失調噪聲，這種算法能同時滿足收斂速率、跟蹤速率及權失調噪聲之間相互矛盾的要求。
3.按照權利要求1或2所述He-Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置的噪聲濾除方法，其特徵在於改進型小波濾波器採用自適應調整的方法，在小波變換值的相關量裡加入自適應微調係數c，由下式自適應尋找c的最佳估計c→c+μlnλ在此式中，μ是調整步長的一個正的常數，使在迭代收斂時剔除的小波係數的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等於1，避免引入隨機噪聲，從而提高了空域相關法的濾波效果。
全文摘要
He－Ne雷射器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，其特點是將用雙縱模雙頻雷射幹涉儀以拍波幹涉的原理對高精度大尺寸零件作無導軌測量裝置中節點判別光路輸出的大尺寸測量信號和參考信號分別通過高頻放大器(1)連接功分器(2)，功分器連接混頻器(4)，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線(3)，得到兩路有固定相位差的低頻信號。利用此兩路低頻信號中拍波演變出的信號高度相關，而所含噪聲不相關的特點，將其依次輸入基於數位訊號處理器(DSP)(7)、硬體的變步長自適應濾波器(5)和改進型小波濾波器(6)，最終得到大大濾除了雷射器噪聲的高信噪比拍波信號。
文檔編號G01B9/02GK1606235SQ20041008124
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月16日 優先權日2004年11月16日
發明者周肇飛, 張濤, 黃偉 申請人:四川大學