基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法

摘要

本发明公开了基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法，该方法包括：以固定采样率同步采集外差激光干涉仪输出的S/PDIF信号与被校振动传感器及测量仪的输出电压信号；通过对采集的S/PDIF信号进行解码，并利用混合插值算法剔除解码信号的噪声点；再对输出电压信号与解码的振动激励信号对齐处理，保证被校振动传感器及测量仪的校准精度；最后基于正弦逼近法(SAM)拟合解码的振动激励信号与输出电压信号，获得被校振动传感器及测量仪的输入激励加速度峰值与初相及其输出电压信号的峰值与初相，以实现振动校准。相比于现有的外差激光干涉振动校准方法，本方法在保证校准精度的前提下，实现稳定、可靠、快速的校准。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法，属于激光干涉技术领域。

背景技术

振动传感器及测量仪被广泛用于多个领域的实时监控与振动参数测量，如桥梁建筑、地震、汽车、航空航天等。为了保证振动传感器及测量仪所得测量结果的可靠性与准确性，需要定期对振动传感器及测量仪进行校准。

常规的外差激光干涉振动校准方法有基于Nyquist采样定理的NS采集方式校准方法、使用模拟混频器与低通滤波器的MLPFS采集方式校准方法、基于带通采样的BPS采集方式校准方法。NS采集方式的校准方法具有所需采样频率高、采样数据量大、采集信号测量精度高等特点；基于MLPFS采集方式的校准方法具有所需采样率低，采集数据量小，但引入外部模拟器件导致校准精度有限。基于BPS采集方式的校准方法具有所需采样率低，采集数据量小、采集信号测量精度高，不需要外部模拟器件而不存在相位延时，但是需要计算最佳采样频率，增加了校准过程的复杂性。

因此，针对目前外差激光干涉振动校准方法存在的所需采样率高且处理数据量大、存在相位延时、灵敏度相位校准精度有限、校准过程复杂等缺点，本发明提出一种所需采样率低、不需要外部模拟器件、测量精度高、校准过程简单的外差激光干涉振动校准方法。

发明内容

本发明的目的在于针对目前的外差激光干涉振动校准方法存在所需采样率高且处理数据量大、需要外部模拟器件而引入相位延时导致校准精度有限、校准过程复杂等不足，提供了一种基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法，该方法包括：以固定采样率同步采集外差激光干涉仪输出的S/PDIF信号与被校振动传感器及测量仪的输出电压信号，对采集到S/PDIF信号进行解码处理，对解码过程中出现的噪声点利用混合插值算法处理，得到振动激励信号。

引入振动激励信号与输出电压信号的对齐处理过程，保证两信号的对齐，提高校准精度。

基于SAM拟合对振动激励信号与输出电压信号，获得被校振动传感器及测量仪的输入激励峰值与初相及其输出电压信号的峰值与初相，以实现振动校准。

基于数字解码的高精度外差激光干涉仪振动校准方法包括以下步骤，

S1：以固定采样率同步采集外差激光干涉仪的S/PDIF信号与被校振动传感器及测量仪输出电压信号；

S2：对S/PDIF信号进行解码，获取被校振动传感器及测量仪的输入激励信号，对解码的激励信号使用混合插值算法剔除其噪声点；

S3：对采集到的输出电压信号与解码的激励信号进行对齐处理，以保证被校振动传感器及测量仪的校准精度；

S4：基于SAM拟合激励信号与输出电压信号，获得被校振动传感器及测量仪的输入激励峰值与初相及其输出电压信号的峰值与初相。

利用混合插值算法剔除解码激励信号的噪声点，具体包括，

(1)线性插值；

当振动频率小于1kHz时，根据S/PDIF信号编码规则，在固定采样率下12.288MHz下，每个振动周期的采样点数大于96个，连续3个点之间的关系可近似为直线，使用线性插值算法剔除噪声点，计算如下：

其中，L_j(x)为连接(x_j,x_j+1)的线段，i、j分别为采样点序号。

(2)样条插值；

当振动频率大于等于1kHz时，利用趋于正弦分布的样条插值算法剔除噪声点，以提高校准精度，在区间[x_i,x_i+1]，插值y计算如下：

y＝Ay_i+1+By_i+1+Cy″_i+Dy″_i+1>

其中，

B＝1-A

对采集到的输出电压信号与解码的振动激励信号进行对齐处理的方法：

通过判断S/PDIF信号中第一个左声道头码的位置，计算出第一个左声道头码之前的无效位位数，相应地剔除采集到的输出电压信号相同的位数，即实现输出电压信号与振动激励信号的对齐。

基于SAM拟合振动激励信号与输出电压信号，获得被校振动传感器及测量仪的输入激励加速度峰值与初相及输出电压信号的峰值与初相。

本发明外差激光干涉振动校准方法具有如下优势：

(1)本发明方法具有所需采样率低、处理数据量小、实时性好、校准精度高的优点；

(2)本发明方法只需以固定采样率采集，无需其他参数设置与计算，校准过程简单；

(3)本发明方法不需要使用任何外部模拟器件，固不存在外部模拟器件引入的相位延时；

(4)本发明方法基于SAM对振动激励信号与传感器及测量仪输出电压信号拟合，保证振动校准的准确性。

附图说明

图1为本发明方法具体实施实例安装装置示意图；

图2为基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法流程图；

图3为外差激光干涉仪的S/PDIF信号解码与利用混合插值方法剔除解码激励信号噪声点流程图；

图4为振动激励信号与振动传感器及测量仪输出电压信号对齐方法流程图；

图5为本发明方法具体实施实例的相位灵敏度校准结果；

图6为本发明方法具体实施实例的幅值灵敏度校准结果；

具体实施方式

针对目前外差激光干涉振动校准方法存在的所需采样率高且处理数据量大、存在相位延时、灵敏度相位校准精度有限、校准过程复杂等缺点，本发明提出一种所需采样率低、不需要外部模拟器件、测量精度高、校准过程简单的外差激光干涉振动校准方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。

参考图1位本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括振动台1、振动台工作台面2、被校传感器及测量仪3、反光纸4、外差激光干涉仪5、隔振台6、数据传输线7、信号采集设备8、信号处理及显示设备9；隔振台6用于固定外差激光干涉仪5并使激光束垂直于振动台1的工作台面2；被校振动传感器及测量仪3固定在振动台工作台面2；反光纸4用于反射外差激光干涉仪5发出的激光光束；被校振动传感器及测量仪3、外差激光干涉仪5、信号采集设备8、信号处理及显示设备9通过数据传输线7连接；数据传输线7用于实时传输被校传感器2、外差激光干涉仪2、信号采集设备8信号；信号处理及显示设备9用于处理S/PDIF信号与被校振动传感器及测量仪的输出电压信号，并显示波形与校准结果；

参考图2为基于数字解码的高精度外差激光干涉振动校准方法流程图。本发明方法主要包括以下步骤：

S20：以固定采样率同步采集外差激光干涉仪输出的S/PDIF信号与被校振动传感器及测量仪的输出电压信号，对采集的S/PDIF信号进行解码并使用插值算法剔除解码的激励信号噪声点；

S40：对采集的输出电压信号与解码的振动激励信号进行对齐处理，以提高校准精度；

S60：基于SAM拟合振动激励信号与输出电压信号，获得被校振动传感器及测量仪的输入激励加速度峰值与初相及其输出电压信号的峰值与初相；

S80：利用不同频率下的激励信号峰值与初相及输出电压信号计算响应灵敏度，获得振动传感器及测量仪的频率特性。

参考图3为S/PDIF信号解码与利用混合插值方法剔除噪声点流程图。本发明外差激光干涉仪的S/PDIF信号解码与使用混合插值方法剔除噪声点包括如下步骤：

步骤S21：对采集到的S/PDIF信号向上取整，得到规范的二进制数S/PDIF信号；

步骤S22：依据头码的编码规则设置模板，通过模板获取S/PDIF信号的第一个左声道头码；

步骤S23：以第一个左声道头码为起始位置，获取S/PDIF信号中所有的完整左声道；

步骤S24：判断每个左声道的有效位元是否为0，若为0，此左声道有效，跳至步骤S25，否则此左声道无效，跳至步骤S27；

步骤S25：判断每个左声道是否符合S/PDIF编码规则，符合则跳至步骤S26，否则跳至步骤S27；

步骤S27：无效的左声道与不符合编码规则的左声道为噪声点，使用十进制数0替换；

步骤S28：振动频率小于1kHz，跳至步骤S29，振动频率大于等于1kHz，跳至步骤S30；

步骤S29：利用线性插值算法计算噪声点位置的实际值；

步骤S30：使用样条插值算法计算噪声点位置的实际值；

步骤S31：将插值算法获取的值替换原噪声点位置的0值；

步骤S32：输出被校振动传感器及测量仪的激励信号。

参考图4为输出电压信号与振动激励信号对齐处理方法流程图。本发明对采集到输出电压信号与振动激励信号对齐处理包括如下步骤：

步骤S41：以获取S/PDIF信号的第一个左声道头码为起始位置；

步骤S42：计算第一个左声道头码起始位置之前无效的S/PDIF编码位数；

步骤S43：剔除与无效的S/PDIF编码位数相同的输出电压信号位数。

参考图5-6为本发明方法的具体实施实例的传感器振动校准结果图。本实施实例装置的具体参数为：德国保利泰克OFV-5000外差式激光干涉仪，振动频率为5Hz-20kHz的PCB 396C11振动台，凌华9846数据采集卡，被校传感器为PCB 396C11内置传感器，隔振台为一级光学隔振平台。本次校准使用图1对应的安装方式，在正弦激励输入下的振动台工作台面实现传感器校准，以每个频点测量10次的平均值得出校准结果。

上述详细描述为本发明方法的一个具体实施实例，其并非用以限定本发明的应用范围。本领域相关技术人员可以在本发明的基础上可做出一系列的优化与改进、等同修改等。因此本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。