CN114659610B - 基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，包括激光器、第一透镜、第二透镜、分束器、参考平面镜、光电探测器和处理器；激光器发出的激光束经分束器的前表面分成测量光束和参考光束；测量光束经振动面反射后返回至分束器的后表面；参考光束经参考平面镜反射后返回至分束器的前表面；两光束经分束器合束后，依次经过第一透镜和第二透镜，最终入射至光电探测器；所述第一透镜的瞳面与光电探测器的光敏面处于光学共轭关系，使第一透镜瞳面的像恒在光电探测器的光敏面上。本发明能够大幅消除被测物体非测量方向上的振动对测量信号的干扰，实现对振动信息的快速可靠提取。

Description

基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***

技术领域

本发明涉及激光干涉测振技术领域，具体而言涉及一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***。

背景技术

随着现代工业的快速发展，高精度振动测量技术在无损检测、计量校准、机械监测和声光通信等领域得到了非常广泛的应用。特别是，近年来机械设备正朝着自动化、智能化的趋势发展，通过监测和分析机械设备的振动特性改变，从而实现其健康状态评估和故障诊断，有利于提高设备运行过程的可靠性、消除事故的安全隐患。高精度振动测量正是机械设备智能监测中的重要环节。

振动测量通常分为接触式和非接触式两种。接触式测量需要将传感器放置在被测设备的表面，传感器与设备接触会改变设备的振动状态，导致测量结果产生误差，难以准确获得振动情况；非接触式测量可以在不与被测设备相接触的前提下实现测量，避免接触测量带来的干扰。常见的非接触式测振方法常与激光技术相结合，例如激光三角法、散斑测量法、激光多普勒法等。其中，运用零差干涉技术测量物体振动引起的激光多普勒频移，具有高精度、高灵敏度的优点，而且该测振技术由于所需光电器件少、受环境因素影响小，具有十分广阔的应用前景。

零差干涉激光测振仪的原理基于激光多普勒效应和光干涉技术和，通常采用传统型迈克尔逊干涉仪结构，将激光分为测量光束和参考光束两束，测量光束经振动面反射后产生多普勒频移，与参考光束在探测器光敏面实现激光拍频，探测器将携带多普勒频移的光信号转化为相应频率的电信号，仪器后续的信号处理模块从电信号中提取信号的瞬时频率，进而将振动信息提取出来。当被测振动物体存在不同于测量方向的振动时，测量光斑相对探测器存在来回漂移，使得振动信号被光斑偏移引入的干涉总能量改变所调制。特别是在信号的低调制幅值区域，这种调制使得信号的信噪比严重下降，无法准确获取测量方向上的振动信息。因此，非测量方向上的振动对测量方向上振动信号的干扰，是激光多普勒测振仪亟需解决的问题之一。另一方面，在振动信息提取环节，需要准确提取探测器输出电信号的瞬时频率。常用瞬时频率测量方法有时域法和时-频域法两大类。时域法主要有电子计数法，在设定的窗口时间内检测信号的过零次数，进而推算信号的瞬时频谱，其主要缺点为抗噪声性能差、测量精度低、没有窗口的自适应性；而时-频域法主要有短时傅里叶变换，其时间窗口固定，测频精度与窗口大小有关，并且其离散形式没有正交展开，很难实现快速算法。因此，快速可靠的信号瞬时频率提取是激光多普勒测振仪的一大关键技术。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，能够大幅消除被测物体非测量方向上的振动对测量信号的干扰，实现对振动信息的快速可靠提取。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提出了一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，所述零差激光干涉测振***包括激光器、第一透镜、第二透镜、分束器、参考平面镜、光电探测器和处理器；

所述分束器相对于激光器发出的激光束倾斜放置，与激光束的行进方向呈一夹角；激光器发出的激光束经分束器的前表面分成测量光束和参考光束；其中，测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器的后表面；参考光束经分束器的前表面反射后入射至参考平面镜表面，再经参考平面镜反射后返回至分束器的前表面；两光束经分束器合束后，依次经过第一透镜和第二透镜，最终入射至光电探测器，由光电探测器转换成相应的电流信号；

所述第一透镜的瞳面与光电探测器的光敏面处于光学共轭关系，使第一透镜瞳面的像恒在光电探测器的光敏面上；

所述处理器与光电探测器连接，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息。

进一步地，所述分束器与激光束呈45度夹角。

进一步地，所述处理器包括信号调理电路和振动信息处理单元；

所述信号调理电路用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，再对转换后的电压信号进行滤波放大处理；

所述振动信息处理单元内嵌有瞬时振动速度提取算法，瞬时振动速度提取算法小波脊提取的方法，对信号调理电路的输出信号进行连续复小波变换，由变换得到的小波系数求取局部模极大值得到小波脊线，即信号的瞬时频率曲线，最后根据激光多普勒效应原理得到振动的速度曲线，提取得到相应的振动信息。

进一步地，所述信号调理电路包括依次连接的跨阻放大器、电压跟随器和滤波放大器；

所述跨阻放大器用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号；所述电压跟随器用于阻抗匹配；所述滤波放大器用于对转换后的电压信号进行滤波和放大处理。

进一步地，所述跨阻放大器的跨阻采用1MΩ的精密电阻。

进一步地，根据激光多普勒效应原理，将信号的瞬时频率转化为被测物体的振动速度，分析被测物体的振动信息；其中，多普勒频移f与振动速度v存在如下关系：

进一步地，所述激光器采用He-Ne激光器。

第二方面，本发明实施例提出了一种基于前述测振***的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振方法，，所述零差激光干涉测振方法包括以下步骤：

S1，驱使激光器发出的激光束至分束器的前表面，激光束经分束器的前表面分成测量光束和参考光束；其中，测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器的后表面；参考光束经分束器的前表面反射后入射至参考平面镜表面，再经参考平面镜反射后返回至分束器的前表面；

S2，采用分束器将两光束合束，使合束光依次经过第一透镜和第二透镜，最终入射至光电探测器，由光电探测器转换成相应的电流信号；所述第一透镜的瞳面与光电探测器的光敏面处于光学共轭关系，使第一透镜瞳面的像恒在光电探测器的光敏面上；

S3，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息。

进一步地，步骤S3中，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息的过程包括以下步骤：

S31，将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，再对转换后的电压信号进行滤波放大处理；

S32，基于小波脊提取的方法，对滤波放大处理后的电压信号x(t)进行连续复小波变换，得到各个时间和尺度下的小波系数W_x(a,b)：

W_x(a,b)＝<x(t),ψ_a,b(t)>

其中为由尺度参数a和时间平移参数b控制形状的一组小波基函数，ψ(t)为小波母函数，使用常用的Morlet小波作为小波母函数，t是第t时刻；

S33，结合时间轴b、小波尺度轴a及小波系数模值|W_x(a,b)|构成小波量图，小波量图上局部极大值连成的曲线即为小波脊线，求每一时刻|W_x(a,b)|极大值点并将对应的尺度换算为相应的频率得到信号的瞬时频率；

S34，根据激光多普勒效应原理得到振动的速度曲线，提取得到相应的振动信息，多普勒频移f与振动速度v存在如下关系：

本发明的有益效果是：

第一，本发明提出的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，将瞳面成像技术引入零差干涉光路，能够大幅消除被测物体非测量方向上的振动对测量信号的干扰，提高输出信号的强度和信噪比。

第二，本发明提出的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，将小波变换引入仪器信号处理环节，利用小波变换时间窗口随频率自适应的特点，使用小波脊提取技术，进行瞬时振动速度的提取，从而实现了振动信息的快速可靠提取。

附图说明

图1是本发明实施例的零差激光干涉测振***的光学组件结构示意图。

图2是本发明实施例的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***的结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图2是本发明实施例的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***的结构示意图。参见图2，该零差激光干涉测振***包括激光器11、第一透镜15、第二透镜16、分束器12、参考平面镜14、光电探测器17和处理器。

分束器12相对于激光器11发出的激光束倾斜放置，与激光束的行进方向呈一夹角；激光器11发出的激光束经分束器12的前表面分成测量光束和参考光束；其中，测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器12的后表面；参考光束经分束器12的前表面反射后入射至参考平面镜14表面，再经参考平面镜14反射后返回至分束器12的前表面；两光束经分束器12合束后，依次经过第一透镜15和第二透镜16，最终入射至光电探测器17，由光电探测器17转换成相应的电流信号。

如图1所示，激光器11和振动面分别设置在分束器12的左右两侧，且分束器12的两个端面与激光器11发出的激光束的夹角为45度，参考平面镜14设置在分束器12的上侧，第一透镜15、第二透镜16和光电探测器17位于分束器12的下侧。激光器11发出的激光束入射至分束器12的前表面，部分光束作为测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器12的后表面，剩余光束作为参考光束反射至参考平面镜14，再经参考平面镜14反射回分束器12的前表面，实现两个光束的合束，生成合束光，向下入射至第一透镜15表面，第一透镜15和第二透镜16平行方式，光电探测器17位于第二透镜16远离第一透镜15的一侧，实现对合束光的有效接收。在实际应用中，可以根据分束器12的具体特性对各个光学组件的摆放位置进行调整，在此不再赘述。

在本实施例中，第一透镜15的瞳面与光电探测器17的光敏面处于光学共轭关系，使第一透镜15瞳面的像恒在光电探测器17的光敏面上。这样做的目的不是为了成像，而是在相对大视场范围内收集光，减小被测物体振动过程中倾斜引起的光斑偏移，从而抑制非测量方向上振动引起的信号被调制现象。

本实施例降低了光斑在探测器上的漂移对测量的影响，提高信号的信噪比。振动物体往往不只存在单一方向上的振动，非测量方向上的振动会引起测量光斑在光电探测器17上的来回漂移，产生信号偏差，本实施例对零差干涉光路100的改进，使得在其他振动引起的测量光束的任何晃动下，被测物体都能够成像在光电探测器17的光敏面上，很好的抑制了非测量方向上振动对测量的影响。

处理器与光电探测器17连接，根据光电探测器17发送的电流信号，提取相应的振动信息。

示例性地，处理器包括信号调理电路200和振动信息处理单元。信号调理电路200包括电流电压转换电路和滤波放大电路两部分。电流电压转换电路将光电探测器17输出的电流信号转化为电压信号；滤波放大电路对信号进行进一步的处理，减轻噪声和外界环境干扰振动对多普勒信号的影响，同时放大信号。

振动信息处理单元内嵌有瞬时振动速度提取算法，瞬时振动速度提取算法基于小波脊提取的方法，对信号调理电路200的输出信号进行连续复小波变换，由变换得到的小波系数求取局部模极大值得到小波脊线，即信号的瞬时频率曲线，最后根据激光多普勒效应原理得到振动的速度曲线，提取得到相应的振动信息。

本实施例选用数字测频方法，通过小波变换脊提取方法求得多普勒效应引起的瞬时频移，提高了测量的实时性和准确性。

实例

本发明实施例的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***的整体结构主要包括干涉光路100、信号调理电路200以及信号处理模块300三部分。

一，干涉光路100

干涉光路100中激光器11选用JDSU公司1107P型号He-Ne激光器，光电探测器17选择Thorlabs公司的SM05PD2A光电二极管，另外还包括透镜、分束器12、反射镜和衰减片若干。He-Ne激光器发出波长为632.8nm的激光束经分束器12被分为测量光束和参考光束，测量光束经被测物体振动面反射后入射到分束器12上，反射光的频率会因为多普勒效应而改变，参考光束经参考镜反射后，入射到分束器12上。频率不同的两光束经分束器12合束，经透镜入射到光电探测器17上。在光电探测器17前放置的第一透镜15的瞳面和光电探测器17光敏面处于光学共轭关系，即第一透镜15瞳面的像恒在光电探测器17的光敏面上。

二、信号调理电路200

信号调理电路200由三部分组成，依次是跨阻放大器21、电压跟随器22和滤波放大器23，其核心芯片分别选用ADI公司的AD8663芯片和AD705芯片。AD8663芯片具有低输入偏置电流、低输入失调电压以及低电流噪声等特性，非常适合精密电流-电压转换器，是信号调理电路200中跨阻放大器21的核心芯片；AD705芯片是一种低功率双极运算放大器，是工业标准OP07放大器的高质量替代品，适用于高精密仪器的微弱信号放大，做跟随器可以起到阻抗匹配的作用，是信号调理电路200中电压跟随器22和滤波放大器23的核心芯片。由于被测振动物体的反射率通常不高，光电探测器17输出的电流一般为微弱信号，跨阻放大器21起着电流-电压转换的作用，其中的跨阻选择1MΩ的精密电阻，实现对微弱信号的初级放大。电压跟随器22，作为缓冲级，为后续滤波放大器23的稳定工作提供保证。滤波放大电路滤除低频噪声后对信号进行进一步放大，使得信号调理电路200输出的电压信号在合适的范围。

三、信号处理模块300

信号调理电路200输出的信号经示波器400采集后被输入到PC端进行振动信息的提取，信号处理模块300的核心算法为在PC上实现的基于小波脊提取的瞬时频率提取算法。该算法首先对数据x(t)进行连续小波变换：

W_x(a,b)＝<x(t),ψ_a,b(t)>， (1)

其中为由尺度参数a和时间平移参数b控制形状的一组小波基函数，ψ(t)为小波母函数，使用常用的Morlet小波作为小波母函数。数据经连续小波变换得到各个时间和尺度下的小波系数W_x(a,b)，其时间轴b、小波尺度轴a及小波系数模值|W_x(a,b)|构成小波量图，小波量图上局部极大值连成的曲线即为小波脊线，求每一时刻|W_x(a,b)|极大值点并将对应的尺度换算为相应的频率即可得到信号的瞬时频率。最后根据激光多普勒效应原理，多普勒频移f与振动速度v存在如下关系：

由此关系，可以将信号的瞬时频率转化为被测物体的振动速度，进而分析被测物体的振动信息。信号处理部分通过示波器400采集至PC端处理，存在实时性差、***不够紧凑的缺点，可以将信号采集和处理环节通过FPGA实现，令仪器的实时性更好，更加小型便携。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，所述零差激光干涉测振***包括激光器、第一透镜、第二透镜、分束器、参考平面镜、光电探测器和处理器；

所述分束器相对于激光器发出的激光束倾斜放置，与激光束的行进方向呈一夹角；激光器发出的激光束经分束器的前表面分成测量光束和参考光束；其中，测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器的后表面；参考光束经分束器的前表面反射后入射至参考平面镜表面，再经参考平面镜反射后返回至分束器的前表面；两光束经分束器合束后，依次经过第一透镜和第二透镜，最终入射至光电探测器，由光电探测器转换成相应的电流信号；

所述第一透镜的瞳面与光电探测器的光敏面经由第二透镜构成光学共轭关系，第二透镜使第一透镜瞳面的像恒在光电探测器的光敏面上，通过减小被测物体振动过程中倾斜引起的光斑偏移，抑制非测量方向上振动引起的信号被调制现象；

所述处理器与光电探测器连接，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息。

2.根据权利要求1所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，所述分束器与激光束呈45度夹角。

3.根据权利要求1所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，所述处理器包括信号调理电路和振动信息处理单元；

所述信号调理电路用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，再对转换后的电压信号进行滤波放大处理；

所述振动信息处理单元内嵌有瞬时振动速度提取算法，瞬时振动速度提取算法基于小波脊提取的方法，对信号调理电路的输出信号进行连续复小波变换，由变换得到的小波系数求取局部模极大值得到小波脊线，即信号的瞬时频率曲线，最后根据激光多普勒效应原理得到振动的速度曲线，提取得到相应的振动信息。

4.根据权利要求3所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的跨阻放大器、电压跟随器和滤波放大器；

所述跨阻放大器用于将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号；所述电压跟随器用于阻抗匹配；所述滤波放大器用于对转换后的电压信号进行滤波和放大处理。

5.根据权利要求4所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，所述跨阻放大器的跨阻采用1M Ω的精密电阻。

6.根据权利要求3所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振***，其特征在于，根据激光多普勒效应原理，将信号的瞬时频率转化为被测物体的振动速度，分析被测物体的振动信息；其中，多普勒频移f与振动速度v存在如下关系：

7.一种基于权利要求1—6任一项所述测振***的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振方法，其特征在于，所述零差激光干涉测振方法包括以下步骤：

S1，驱使激光器发出的激光束至分束器的前表面，激光束经分束器的前表面分成测量光束和参考光束；其中，测量光束透射至振动面，经振动面反射后返回至分束器的后表面；参考光束经分束器的前表面反射后入射至参考平面镜表面，再经参考平面镜反射后返回至分束器的前表面；

S2，采用分束器将两光束合束，使合束光依次经过第一透镜和第二透镜，最终入射至光电探测器，由光电探测器转换成相应的电流信号；所述第一透镜的瞳面与光电探测器的光敏面处于光学共轭关系，使第一透镜瞳面的像恒在光电探测器的光敏面上；

S3，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息。

8.根据权利要求7所述的基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振方法，其特征在于，步骤S3中，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息的过程包括以下步骤：

S31，将光电探测器输出的电流信号转化为电压信号，再对转换后的电压信号进行滤波放大处理；

S32，基于小波脊提取的方法，对滤波放大处理后的电压信号x(t)进行连续复小波变换，得到各个时间和尺度下的小波系数W_x(a，b)：

W_x(a，b)＝<x(t)，ψ_a，b(t)>

其中为由尺度参数a和时间平移参数b控制形状的一组小波基函数，ψ(t)为小波母函数，使用常用的Morlet小波作为小波母函数，t是第t时刻；

S33，结合时间轴b、小波尺度轴a及小波系数模值|W_x(a，b)|构成小波量图，小波量图上局部极大值连成的曲线即为小波脊线，求每一时刻|W_x(a，b)|极大值点并将对应的尺度换算为相应的频率得到信号的瞬时频率；

S34，根据激光多普勒效应原理得到振动的速度曲线，提取得到相应的振动信息，多普勒频移f与振动速度v存在如下关系：