一種目標振動測量系統及方法、解調裝置及解調方法
2023-08-04 09:02:21 4
一種目標振動測量系統及方法、解調裝置及解調方法
【專利摘要】本發明公開了一種目標振動測量系統及方法，解調裝置及方法。所述目標振動測量系統包括：測量模塊，用於發出雷射，所述雷射中的一路照射至待檢測目標，另一路作為參考光；返回雷射與所述參考光發生幹涉產生幹涉光；所述測量模塊還產生與所述第一調製信號同頻率的一倍頻信號；光電轉換模塊，接收所述幹涉光，並將其進行光電轉換成載有振動信息的電信號；數據採集卡，採集電信號，並將其輸出至解調模塊，同時採集一倍頻信號；解調模塊，接收一倍頻信號，並根據其產生二倍頻信號，還根據所述一倍頻信號、二倍頻信號對所述載有振動信息的電信號進行解調，消除所述電信號中的光強擾動後，得到目標振動信息。
【專利說明】—種目標振動測量系統及方法、解調裝置及解調方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射測量【技術領域】，尤其涉及一種用于振動測量系統的新型抗光強擾動解調方法，該解調技術輸出的信號不受光強擾動影響，可以準確的輸出檢測物體的振動幅度與振動頻率。
【背景技術】
[0002]隨著雷射都卜勒振動測量技術的飛速發展，雷射都卜勒振動測量技術已具有通常方法無法達到的精度和靈敏度，並且可以遠距離、非接觸的測量各種微弱振動目標的運動速度及微小位移變化。系統探測的振動信息的幹涉信號通常表達式為:
[0003]I (t) = A+B cos (C cos (ω 0t) + Θ (t))
[0004]其中，A表示輸出信號的直流分量，B表示交流分量的幅值，C表示雷射的調製度，ω (I表示載波頻率，Θ (t)表示振動測量信息,其表達式為:Θ (t) = D COS (ω3?), t表示時間。
[0005]常用的解調方法有PGC-DCM與PGC-ARCTANT兩種方法，其中PGC-DCM解調方法先用載波的一倍二倍頻與幹涉信號進行相乘，然後經過微分交叉相乘後輸出結果為:
[0006]I (t) = B2GHJ1 (C) J2 (C) Θ ⑴
[0007]由上式可知，解調輸出的I (t)中包含了 B2項，所以該解調算法依賴於信號幅度的穩定性，即接收器接收到的雷射強度的變化會給解調結果帶來半生調幅現象，從而引起解調輸出信號的失真。
[0008]PGC-ARCTANT解調方法同樣用載波的一倍頻和二倍頻進行與信號進行相乘，低通濾波後得到兩個正交項信號進行相處最終獲得的解調信號為:
[0009]/(/) = arctan genl^) = Θ(Ι)
,21
[0010]由上述解調結果可知，解調出來的信號不受光強影響，但是由於正切函數為單調函數，且其範圍為(-η/2，π/2)，所以該解調方法能測量的振動幅度較小，當振動幅度大於η /2時，系統解調出來的信號存在失真，不能正確的反應出振動信息的振動幅度。
【發明內容】
[0011](一)要解決的技術問題
[0012]有鑑於此，本發明的主要目的在於提出一種新的抗光強擾動的解調方法。該解調方法基本流程見圖1。
[0013](二)技術方案
[0014]本發明提出了一種目標振動測量系統，其包括:
[0015]測量模塊，用於發出雷射，所述雷射中的一路照射至待檢測目標，另一路作為參考光；所述測量模塊還接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射，該返回雷射與所述參考光發生幹涉產生幹涉光；同時，發生幹涉前，所述參考光經過第一調製信號進行調製，且所述測量模塊還產生與所述第一調製信號同頻率的一倍頻信號；；
[0016]光電轉換模塊，用於從測量模塊接收所述幹涉光，並將其進行光電轉換成載有振動信息的電信號，該電信號的強弱受目標物反射的光強影響；
[0017]數據採集卡，其用於採集光電模塊轉換產生的載有振動信息的電信號，並將其輸出至解調模塊，同時數據採集卡還採集由測量模塊產生的一倍頻信號；
[0018]解調模塊，其接收採集卡採集到的載有振動信息的電信號和一倍頻信號，並根據一倍頻信號產生二倍頻信號，還根據所述一倍頻信號、二倍頻信號對所述載有振動信息的電信號進行解調，消除所述電信號中的光強擾動後，得到目標振動信息。
[0019]本發明還提出了一種用於目標振動測量系統的解調裝置，其包括:
[0020]第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一微分處理器、第二微分處理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信號平方處理器、第二信號平方處理器、減法器、積分處理器、加法器和除法器；
[0021]採集到的目標振動信號分別在所述第一乘法器和第二乘法器處與一倍載波信號和二倍載波信號相乘後，分別經過第一低通濾波器和第二低通濾波器進行濾波得到第一濾波信號和第二濾波信號，通過第一低通濾波器濾波後的第一濾波信號分為三路，第一路經過第一微分處理器進行微分處理得到第一微分處理信號；第二路到達第四乘法器，第三路經過第一信號平方處理器進行平方處理後得到第一信號平方處理信號；通過第二低通濾波器濾波後的第二濾波信號也分為三路，第一路經過第二微分處理器後得到第二微分處理信號，所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號在第四乘法器處相乘，得到第一相乘信號；第二路到達第三乘法器後，與所述第一微分處理信號相乘，得到第二相乘信號，第三路經過第二信號平方處理器後得到第二信號平方處理信號，所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號在加法器處相加,得到第一相加信號12 ;所述第一相乘信號和第二相乘信號在減法器處相減得到第一相減信號，所述第一相減信號經過積分處理器積分處理後得到積分信號Il ;所述第一相加信號12和積分信號Il經由除法器以後還原出振動信號10。
[0022]本發明還提出了一種目標振動測量方法，其包括:
[0023]利用雷射照射至待檢測目標，並接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射；
[0024]接收所述載有振動信息的返回雷射，並將其進行光電轉換成帶有幹擾的目標振動電信號；
[0025]採集所述帶有幹擾的目標振動電信號，並將其輸出至解調模塊；
[0026]消除所述帶有幹擾的目標振動電信號中的光強擾動後，解調得到目標振動信息。
[0027]本發明還提出了一種用於目標振動測量的解調方法，其包括:
[0028]將採集到的目標振動信號分別與一倍載波信號和二倍載波信號相乘，並分別進行低通濾波後得到第一濾波信號和第二濾波信號；
[0029]所述第一濾波信號分為三路，第一路第一濾波信號經過微分處理得到第一微分處理信號；第三路經過平方處理後得到第一信號平方處理信號；
[0030]所述第二濾波信號也分為三路，第一路經過微分處理後得到第二微分處理信號，第二路與所述第一微分處理信號相乘得到第二相乘信號，第三路經過平方處理後得到第二信號平方處理信號；
[0031]所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號相乘，得到第一相乘信號；
[0032]所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號相加，得到第一相加信號12 ；
[0033]所述第一相乘信號和第二相乘信號相減得到第一相減信號；
[0034]所述第一相減信號經過積分處理後得到積分信號Il ；
[0035]所述第一相加信號12和積分信號Il相除以還原出振動信號10。
[0036](三)有益效果
[0037]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0038]1、本發明提出的新型抗光強擾動方法，通過在原有的PGC-DCM算法上設計出一種消除光強擾動的解調方法，使光強擾動項B2消失，從而降低了信號解調的噪聲，提高了系統解調精度。
[0039]2、本發明提出的新型抗光強擾動方法，利用數學模型變換實現振動信號解調，具有動態範圍廣，精度高，諧波失真等顯著特點，同時可利用LABVIEW軟體進行實現，減少了解調對硬體器件性能的依賴。
[0040]3、本發明是在傳統的相位載波解調(PGC)方法基礎上提出設計的一種新型光學外差解調方法。利用貝塞爾函數展開與數學變換消除了光強對解調的影響。利用該方法可以降低原有解調算法PGC-DCM的光強擾動與PGC-ARCTANT解調方法的動態範圍小的缺點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]圖1為本發明中振動測量系統的結構框架示意圖；
[0042]圖2為本發明中振動測量系統的解調裝置的結構框圖；
[0043]圖3為本發明中一階貝塞爾函數與二階貝塞爾函數隨載波信號的調製幅度的變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0044]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0045]圖1示出了本發明提供的一種振動測量系統的結構框架示意圖。如圖1所示，所述振動測量系統包括:
[0046]測量模塊101,其包括雷射器、電光調製器、信號發生器、光學晶體分光稜鏡,所述雷射器用於發出雷射，所述雷射通過光學晶體分光稜鏡分成兩路，一路雷射照射至待檢測目標，另一路作為參考光，所述參考光還通過電光調製器進行頻率調製，所述電光調製器的根據所述信號發生器產生的第一調製信號對參考光進行調製；所述測量模塊101還接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射，該返回雷射與經過調製後的所述參考光在另一光學晶體分光稜鏡處發生幹涉產生幹涉光，其目的利用該幹涉光的條紋變化來記載目標物的振動信息；同時，該信號發生器還產生與所述第一調製信號同頻率的第二調製信號輸出至採集卡，作為解調模塊中用到的一倍頻信號G cos (ω-)，其調製頻率至少為解調的振動最大信號頻率的5倍；
[0047]光電轉換模塊102，用於從測量模塊101接收所述幹涉光，並將其進行光電轉換成載有振動信息的電信號，該信號的強弱受目標物反射的光強影響；
[0048]數據採集卡103，其用於採集光電轉換模塊輸出的電信號，並將其輸出至解調模塊，同時還採集由測量模塊產生的一倍頻信號G Cos(COcit)；
[0049]解調模塊104，其根據數據採集卡103採集到的一倍頻信號，對其進行分路，一路利用數學變換生成二倍頻信號H cos(2?0t)之後所述解調模塊根據所述一倍頻信號GCos(COcit)和二倍頻信號H cos(2?0t)對所述電信號進行解調，消除所述電信號中的光強擾動後，得到目標振動信息。
[0050]其中載波頻率Otl為由電光調製器產生的相位調製，其範圍由振動信號頻率範圍決定，一般為振動信號頻率的五倍。
[0051]圖2示出了本發明中解調模塊的結構示意圖。如圖2所示，所述解調模塊包括:
[0052]第一乘法器201、第二乘法器202、第一低通濾波器203、第二低通濾波器204、第一微分處理器205、第二微分處理器206、第三乘法器207、第四乘法器208、第一信號平方處理器209、第二信號平方處理器210、減法器211、積分處理器212、加法器213和除法器214 ；
[0053]其中，所述帶有幹擾的目標振動電信號分別在所述第一乘法器201和第二乘法器202處與一倍頻信號G cos (ω0?)和二倍頻信號H cosQo^t)相乘後,分別經過第一低通濾波器203和第二低通濾波器204進行濾波得到第一濾波信號和第二濾波信號，通過第一低通濾波器203濾波後的第一濾波信號分為三路，第一路經過第一微分處理器205進行微分處理得到第一微分處理信號；第二路到達第四乘法器208，第三路經過第一信號平方處理器209進行平方處理後得到第一信號平方處理信號；通過第二低通濾波器204濾波後的第二濾波信號也分為三路，第一路經過第二微分處理器206後得到第二微分處理信號，所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號在第四乘法器處相乘，得到第一相乘信號；第二路到達第三乘法器207後，與所述第一微分處理信號相乘，得到第二相乘信號，第三路經過第二信號平方處理器210後得到第二信號平方處理信號，所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號在加法器213處相加,得到第一相加信號12 ;所述第一相乘信號和第二相乘信號在減法器211處相減得到第一相減信號，所述第一相減信號經過積分處理器212積分處理後得到積分信號Il ;所述第一相加信號12和積分信號Il經由除法器以後還原出振動信號10。
[0054]其中一倍頻信號G cos (ω0?)和二倍頻信號H cos(2o0t)中，G表示一倍頻信號幅度，H表示二倍頻信號幅度；Otl表示載波信號頻率。
[0055]第一濾波信號和第二濾波信號如下表不:
[0056]I11 = -BGJ1 (C) sin Θ ⑴
[0057]I12 = -BHJ2 (C) cos Θ ⑴
[0058]B表示所述幹擾光的光強，J1 (c)、J2(C)分別表示一階貝塞爾函數與二階貝塞爾函數；C表示載波信號的調製幅度，該載波信號是由信號發生器驅動電光調製器對參考光進行頻率調製產生的光載波信號；Θ (t)由振動信號D COS(cost)與環境擾動信號(K組成。其表示為:
[0059]Θ (t) = D cos ( ω st) + Φ 0
[0060]其中D為振動信號幅度，Qs為振動信號頻率，(J)tl為環境擾動。
[0061]第一微分處理信號和第二微分處理信號分別如下表不:
[0062]I21 = -BGJ1 (C) Θ ⑴ cos Θ ⑴
[0063]Θ ⑴=D cos ( ω st) + Φ 0
[0064]I22 = BHJ2(C) Θ (t)sin Θ (t)
[0065]所述第一積分信號如下表示:
[0066]Il = B2GHJ21(C) Θ (t)
[0067]第一相加信號如下表不:
[0068]12 = B2G2J21(C)
[0069]振動信號1如下表不:
[0070]1 = Θ ⑴=D cos ( ω st)
[0071]其中，由1可知，輸出的信號不受光強B2影響，其中D為目標振動信息的振動幅度，GJs為振動信號頻率。其中載波調製幅度C優選為2.36rad，一倍頻信號與二倍頻信號的G與H相等；且J1(C) = J2(C)，如圖3所示，當載波幅度為2.63rad時，解調模塊中進行運算時，一階貝塞爾函數與二階貝塞爾函數相等，消除了相除產生的誤差影響。
[0072]本發明還公開了一種目標振動測量方法，其包括:
[0073]利用雷射照射至待檢測目標，並接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射；
[0074]接收所述載有振動信息的返回雷射，並將其進行光電轉換成帶有幹擾的目標振動電信號；
[0075]採集所述帶有幹擾的目標振動電信號，並將其輸出至解調模塊；
[0076]消除所述帶有幹擾的目標振動電信號中的光強擾動後，解調得到目標振動信息。
[0077]所述消除所述帶有幹擾的目標振動電信號中的光強擾動後，解調得到目標振動信息具體包括:
[0078]將帶有幹擾的目標振動電信號分別與一倍載波信號和二倍載波信號相乘，並分別進行低通濾波後得到第一濾波信號和第二濾波信號；
[0079]所述第一濾波信號分為三路，第一路第一濾波信號經過微分處理得到第一微分處理信號；第三路經過平方處理後得到第一信號平方處理信號；
[0080]所述第二濾波信號也分為三路，第一路經過微分處理後得到第二微分處理信號，第二路與所述第一微分處理信號相乘得到第二相乘信號，第三路經過平方處理後得到第二信號平方處理信號；
[0081]所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號相乘，得到第一相乘信號；
[0082]所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號相加，得到第一相加信號12 ；
[0083]所述第一相乘信號和第二相乘信號相減得到第一相減信號；
[0084]所述第一相減信號經過積分處理後得到積分信號Il ；
[0085]所述第一相加信號12和積分信號Il相除以還原出振動信號10。
[0086]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任伺修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種目標振動測量系統，其包括: 測量模塊，用於發出雷射，所述雷射中的一路照射至待檢測目標，另一路作為參考光；所述測量模塊還接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射，該返回雷射與所述參考光發生幹涉產生幹涉光；同時，發生幹涉前，所述參考光經過第一調製信號進行調製，且所述測量模塊還產生與所述第一調製信號同頻率的一倍頻信號；； 光電轉換模塊，用於從測量模塊接收所述幹涉光，並將其進行光電轉換成載有振動信息的電信號，該電信號的強弱受目標物反射的光強影響； 數據採集卡，其用於採集光電模塊轉換產生的載有振動信息的電信號，並將其輸出至解調模塊，同時數據採集卡還採集由測量模塊產生的一倍頻信號； 解調模塊，其接收採集卡採集到的載有振動信息的電信號和一倍頻信號，並根據一倍頻信號產生二倍頻信號，還根據所述一倍頻信號、二倍頻信號對所述載有振動信息的電信號進行解調，消除所述電信號中的光強擾動後，得到目標振動信息。
2.如權利要求1所述的測量系統，其中所述解調模塊包括: 第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一微分處理器、第二微分處理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信號平方處理器、第二信號平方處理器、減法器、積分處理器、加法器和除法器； 其中，所述帶有幹擾的目標振動電信號分別在所述第一乘法器和第二乘法器處與一倍頻信號和二倍頻信號相乘後，分別經過第一低通濾波器和第二低通濾波器進行濾波得到第一濾波信號和第二濾波信號，通過第一低通濾波器濾波後的第一濾波信號分為三路，第一路經過第一微分處理器進行微分處理得到第一微分處理信號；第二路到達第四乘法器，第三路經過第一信號平方處理器進行平方處理後得到第一信號平方處理信號；通過第二低通濾波器濾波後的第二濾波信號也分為三路，第一路經過第二微分處理器後得到第二微分處理信號，所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號在第四乘法器處相乘，得到第一相乘信號；第二路到達第三乘法器後，與所述第一微分處理信號相乘，得到第二相乘信號，第三路經過第二信號平方處理器後得到第二信號平方處理信號，所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號在加法器處相加，得到第一相加信號12 ;所述第一相乘信號和第二相乘信號在減法器處相減得到第一相減信號，所述第一相減信號經過積分處理器積分處理後得到積分信號Il ;所述第一相加信號12和積分信號Il經由除法器以後還原出振動信號10。
3.如權利要求2所述的測量系統，其中，所述第一濾波信號和第二濾波信號如下表示:
111= -BGJ1 (C) sin Θ ⑴
112= -BHJ2 (C) cos Θ (t) 其中，B表示幹擾光的光強，J1(C)U2(C)分別表示一階貝塞爾函數與二階貝塞爾函數；C表示載波信號的調製幅度，所述載波信號為對參考光進行產生的信號；Θ (t)由目標振動信號D cos (ω3?)與環境擾動信號組成。其表不為:
Θ (t) =D cos (ω st) + Φ ο 其中D為目標振動信號幅度，Qs為目標振動信號頻率，(J)tl為環境擾動。
4.如權利要求3所述的測量系統，其中，J1(C) =J2(C)0
5.如權利要求1所述的測量系統，其中，所述一倍頻信號和二倍頻信號的振幅相等。
6.如權利要求1所述的測量系統，其中，所述載波信號的幅度為2.63rad。
7.一種用於目標振動測量系統的解調裝置，其包括: 第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器、第一微分處理器、第二微分處理器、第三乘法器、第四乘法器、第一信號平方處理器、第二信號平方處理器、減法器、積分處理器、加法器和除法器； 採集到的目標振動信號分別在所述第一乘法器和第二乘法器處與一倍載波信號和二倍載波信號相乘後，分別經過第一低通濾波器和第二低通濾波器進行濾波得到第一濾波信號和第二濾波信號，通過第一低通濾波器濾波後的第一濾波信號分為三路，第一路經過第一微分處理器進行微分處理得到第一微分處理信號；第二路到達第四乘法器，第三路經過第一信號平方處理器進行平方處理後得到第一信號平方處理信號；通過第二低通濾波器濾波後的第二濾波信號也分為三路，第一路經過第二微分處理器後得到第二微分處理信號，所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號在第四乘法器處相乘，得到第一相乘信號；第二路到達第三乘法器後，與所述第一微分處理信號相乘，得到第二相乘信號，第三路經過第二信號平方處理器後得到第二信號平方處理信號，所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號在加法器處相加，得到第一相加信號12 ;所述第一相乘信號和第二相乘信號在減法器處相減得到第一相減信號，所述第一相減信號經過積分處理器積分處理後得到積分信號Il ;所述第一相加信號12和積分信號Il經由除法器以後還原出振動信號10
8.一種目標振動測量方法，其包括: 利用雷射照射至待檢測目標，並接收經照射至待檢測目標後，載有待檢測目標振動信息的返回雷射； 接收所述載有振動信息的返回雷射，並將其進行光電轉換成帶有幹擾的目標振動電信號; 採集所述帶有幹擾的目標振動電信號，並將其輸出至解調模塊； 消除所述帶有幹擾的目標振動電信號中的光強擾動後，解調得到目標振動信息。
9.如權利要求8所述的方法，其中，所述消除所述帶有幹擾的目標振動電信號中的光強擾動後，解調得到目標振動信息具體包括: 將帶有幹擾的目標振動電信號分別與一倍載波信號和二倍載波信號相乘，並分別進行低通濾波後得到第一濾波信號和第二濾波信號； 所述第一濾波信號分為三路，第一路第一濾波信號經過微分處理得到第一微分處理信號；第三路經過平方處理後得到第一信號平方處理信號； 所述第二濾波信號也分為三路，第一路經過微分處理後得到第二微分處理信號，第二路與所述第一微分處理信號相乘得到第二相乘信號，第三路經過平方處理後得到第二信號平方處理信號； 所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號相乘，得到第一相乘信號； 所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號相加，得到第一相加信號12 ； 所述第一相乘信號和第二相乘信號相減得到第一相減信號； 所述第一相減信號經過積分處理後得到積分信號Il ; 所述第一相加信號12和積分信號Il相除以還原出振動信號10。
10.一種用於目標振動測量的解調方法，其包括: 將採集到的目標振動信號分別與一倍載波信號和二倍載波信號相乘，並分別進行低通濾波後得到第一濾波信號和第二濾波信號； 所述第一濾波信號分為三路，第一路第一濾波信號經過微分處理得到第一微分處理信號；第三路經過平方處理後得到第一信號平方處理信號； 所述第二濾波信號也分為三路，第一路經過微分處理後得到第二微分處理信號，第二路與所述第一微分處理信號相乘得到第二相乘信號，第三路經過平方處理後得到第二信號平方處理信號； 所述第二微分處理信號與所述第二路第一濾波信號相乘，得到第一相乘信號； 所述第二信號平方處理信號和第一信號平方處理信號相加，得到第一相加信號12 ； 所述第一相乘信號和第二相乘信號相減得到第一相減信號； 所述第一相減信號經過積分處理後得到積分信號Il ; 所述第一相加信號12和積分信號Il相除以還原出振動信號10。
【文檔編號】G01H9/00GK104266739SQ201410418666
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】李麗豔, 曾華林, 周燕, 何軍, 劉育梁 申請人:中國科學院半導體研究所