一种测振激光干涉仪多普勒信号的时域解调方法

摘要

一种测振激光干涉仪多普勒信号的时域解调方法，其特点在于：(1)求多普勒信号的每半个条纹周期；(2)针对振动信号的波形，求相应的参考倒向点；(3)利用在步骤(1)中求出的半条纹周期中，在参考倒向点附近寻找时间间隔极大值点，该极大值点即为真实倒向点；(4)恢复波形，对步骤(1)求出的每个半条纹周期中，求出每个零点所对应的振动波形值，并在两个零点之间进行线性插值，从而得到每一点对应的振动波形值，根据步骤(3)中求出的真实倒向点，判断振动台的振动方向，从而解调出振动波形。本发明消除了传统解调设备仅能测量恒定幅值和频率的振动的局限性，实现了对时变幅值和频率的连续振动多普勒信号的解调，精度达到λ/4，具有较好重复性和稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于振动台测振的激光干涉仪多普勒信号的时域解调方法。

背景技术

单频迈克尔逊激光干涉仪系统，如图1所示，激光源A发出波长固定的激光，分光镜B将激光分为2束，一束射向定镜C，一束射向牢固安装在振动台上的动镜D，动镜D随振动台的振动而移动，当动镜D移动时，经定镜C和动镜D的反射光在O处汇合产生干涉，光电探测器E根据光信号的强弱转换为电信号，从而解调设备由条纹计数解算出振动台的振幅。

激光干涉测量的方法为零差法。若振动台做正弦振动y＝Asinωt，当ωt从π/2变化到3π/2(3π/2变化到5π/2)时，相位θ逐渐减少(增大)，振动台的振动从波峰到波谷(波谷到波峰)。所以当振动台振动λ/2时，相位改变2π，光信号强弱发生一次变化，相应地，电信号电压U周期性变化一次。

传统解调设备大多由硬件实现，根据频率相同的参考信号在一定周期内对电信号的条纹个数计数，计算出振动幅值，它只能在振动频率已知的情况下，测量恒定幅值和频率振动的振幅，无法获得相位等信息，更无法还原信号的时域波形。另外，由于调制器解调出的电压信号被限幅而无法获得完整的调制信号，从而对解调多普勒信号增加了一定的难度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为解决上述激光干涉仪基于被限幅的多普勒信号特征，提出一种测振激光干涉仪多普勒信号的时域解调方法，实现恒定幅值和频率以及时变幅值和频率振动的多普勒信号的解调，提高其精度、重复性和使用灵活性。

本发明的技术解决方案：一种测振激光干涉仪多普勒信号的时域解调方法，其特点在于通过以下步骤实现：

(1)求多普勒信号的每半个条纹周期；

(2)针对振动信号的波形，求相应的参考倒向点；

(3)利用在步骤(1)中求出的半条纹周期中，在参考倒向点附近寻找时间间隔极大值点，该极大值点即为真实倒向点；

(4)恢复波形，对步骤(1)求出的每个半条纹周期中，求出每个零点所对应的振动波形值，并在两个零点之间进行线性插值，从而得到每一点对应的振动波形值，根据步骤(3)中求出的真实倒向点，判断振动台的振动方向，从而解调出振动波形。

在所述的步骤(1)之前，依据对被限幅的实测多普勒信号的特征分析，先对多普勒信号滤波和降噪处理，滤除其低频分量以及由于安装误差等因素引入的噪音和抖动信号，使得条纹更加平滑，以求得多普勒信号较为精确的每个半条纹周期。

所述步骤(1)中的半条纹的周期的求解的方法为：由于采集的多普勒信号在零点附近趋近于直线，所以在零点附近取5点或7点采用拉各朗日线性插值法能够精确的求出每个零点的位置，从而得到每个半条纹的周期。

本发明的原理：对于振动台做正弦振动y＝Asinωt，假设激光干涉仪调整到理想位置，即图1中L₁＝L₂，经光电倍增管进行转换后，输出的交流电信号电压U为：

$>>U>=>>U>0>>cos>>>4>\pi >>\lambda >>>(>A>sin>\omega t>)>>->->->>(>1>)>>>s>$

此激光干涉仪的调制器输出的多普勒信号被限幅，所以无法采集到完整的信号，如图2所示，图中虚线为补齐的由于信号限幅而无法采集到的信号。

对于没有限幅的完整多普勒信号，假设其第i个点在第k-1个极点C_k-1和第k个极点C_k之间，其输出为U_i，且极点的瞬时电压为U_m’|U_m|＝U₀，则由式(1)可得第i个点相对于振动台正弦振动的时刻t_i为：

$>>>t>i>>=>>1>\omega >>arcsin>[>>\lambda >>4>\pi \Lambda >>>>(>k\pi >+>arccos>>>U>i>>>U>m>>>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

由式(2)可得振动台在该点的振动位置y_i为：

$>>>y>i>>=>>\lambda >>4>\pi >>>>(>k\pi >+>arccos>>>U>i>>>U>m>>>)>>->->->>(>3>)>>>s>$

如果采集到完整的多普勒信号，根据式(3)可以得到每一点的电压值U_i以及每个极点的电压U_m，就能够求出振动的每一点所对应的瞬时位置。但是由于无法采集到完整的多普勒信号，所以无法解调振动波形。

由于振动台进行往复的正弦振动，其振动方向‘正’、‘负’交替，而多普勒信号则是‘正’信号的累加，所以无法根据式(3)直接获得振动的方向。由此对多普勒信号精确解调的另一个关键是准确的辨向。

根据激光干涉仪解调原理，振动台振动λ/2对应于激光干涉仪多普勒信号一个条纹，所以可以通过判断多普勒信号的条纹得到振动台的实时振动波形。为了提高解调精度，将每半个条纹作为一个解调单位。

欲得到每半个条纹的周期，可通过多普勒信号的相邻零点求得。此时，对于第k个零点，有U_k＝0，则由式(2)可得第k个零点的时刻t_k为：

$>>>t>k>>=>>1>\omega >>arcsin>[>>\lambda >>8>A>>>>(>2>k>+>1>)>>]>->->->>(>4>)>>>s>$

所以每个半条纹的周期为：

$>>>\Delta t>k>>=>>t>k>>->>t>>k>->1>>>=>>1>\omega >>\{>arcsin>[>>\lambda >>8>A>>>>(>2>k>+>1>)>>]>->arcsin>[>>\lambda >>8>A>>>>(>2>k>->1>)>>]>\}>->->->>(>5>)>>>s>$

由式(5)可以看出，半条纹周期是随采样周期数的增加而变化的。假设λ＝0.6328×10^-6m，A＝4.06×10^-3m，f＝1Hz，则在半个振动周期内，即振动台从-A振动到A，半条纹的周期随半条纹序号k的变化曲线仿真和实测结果如图3所示，二者相吻合。

对于多普勒信号的第k个零点，即U_i＝0，由式(5)得到此时振动台振动的瞬时位置为：

$>>>y>k>>=>>\lambda >>4>\pi >>>>(>k\pi >+>arccos>>0>>U>m>>>)>>=>>\lambda >8>>>(>2>k>+>1>)>>->->->>(>6>)>>>s>$

则每半个条纹的振动距离为

$>>\Delta y>=>>y>k>>->>y>>k>->1>>>=>>\lambda >8>>>(>2>k>+>1>)>>->>\lambda >8>>[>2>>(>k>->1>)>>+>1>]>=>>\lambda >4>>->->->>(>7>)>>>s>$

由式(7)可知，振动台在半个条纹周期内振动了λ/4。由于认为振动台在倒向点处的条纹周期内也是振动了λ/4，所以此方法精度达到λ/4。

由图3可以看出，当振动台在平衡位置附近振动时，速度较大，振动λ/4所花费的时间较少，此时多普勒信号周期较短，条纹较紧密。反之，当振动台振动位置接近峰值时，其速度很小，振动λ/4所花费的时间较长，多普勒信号周期较长，条纹较稀疏。在峰值处的条纹，周期最长。本发明的方法就是根据倒向点的这个特征，在含有峰值的一段振动区间内寻找周期最长的条纹，实现较准确地辨向，从而解调出振动台的振动波形。

本发明与现有技术相比的优点在于：在振动频率未知的情况下，对于恒定幅值和频率以及时变幅值和频率的连续振动，对激光干涉仪被限幅的多普勒信号均能实现较好的解调，解调精度较高，达到λ/4，且重复性较好。

附图说明

图1为激光干涉仪的原理示意图；

图2为采集到的激光干涉仪多普勒信号；

图3为半条纹的周期随半条纹序号变化曲线的仿真与实测数据的比对；

图4为实测的激光干涉仪多普勒信号；

图5为采集的电容位移传感器实测的振动台振动波形(与图4中信号为同时测量)；

图6为振动幅值为0.0088mm，频率为14.6Hz的正弦波时，对振动台振动波形分别由位移传感器测量(曲线1)与激光干涉仪解调结果(曲线2)的比对，振动台的实时振动波形(采样率为150kHz)；

图7为信号源发出频率范围为1～20Hz的调频波时，对振动台振动波形分别由位移传感器测量(曲线1)与激光干涉仪解调结果(曲线2)的比对，振动台的部分振动波形(采样率为30kHz)；

图8为信号源发出幅值为50mv，频率为1Hz的三角波时，对振动台振动波形分别由位移传感器测量(曲线1)与激光干涉仪解调结果(曲线2)的比对，振动台的实时振动波形(采样率为200kHz)；

图9为信号源发出幅值为10mv，频率为3Hz的锯齿波时，对振动台振动波形分别由位移传感器测量(曲线1)与激光干涉仪解调结果(曲线2)的比对，振动台的实时振动波形(采样率为50kHz)；

图10信号源发出幅值为50mv，频率为1Hz的半正弦波时，对振动台振动波形分别由位移传感器测量(曲线1)与激光干涉仪解调结果(曲线2)的比对，振动台的实时振动波形(采样率为200kHz)。

具体实施方式

本发明的具体实施步骤如下：

(1)求多普勒信号的条纹周期。先对多普勒信号进行滤波和降噪处理，滤除其低频分量以及由于安装误差等因素引入的噪音和抖动信号，使得条纹更加平滑。由于采集的多普勒信号在零点附近趋近于直线，所以在零点附近取五点或七点采用拉各朗日线性插值法能够精确的求出每个零点的位置，从而得到每个半条纹的周期。

(2)针对不同信号特点，求相应的参考倒向点。

a.对于正弦振动信号：由于其倒向点时刻出现在波形峰值处，且频率不变，以半振动周期为单位区间，取此区间内时间间隔最大处为其参考倒向点位置。

b.对于调频振动信号：由于此类信号幅值和频率是时刻变化的，其倒向点的时刻无法用固定单位区间判断。先求出时间间隔最大值t_max，取t_max/8为阈值(选取此阈值既包括了所有倒向点，又排除了其他非倒向点)，求大于此阈值的极大值位置，即为参考倒向点位置。

c.对于非正弦、非调频的连续振动信号：由于非正弦波的输出不规则，只能以与激光干涉仪同时测量振动台振动的电容位移传感器信号为参考信号，它与多普勒信号相位差较小，其峰值位置为多普勒信号的倒向点的参考位置。由于电容位移传感器的信号噪音较大，所以其峰值时刻必会偏离真实值，并非真实的峰值及倒向点位置，但是可为准确判断倒向点位置提供粗略的信号区间。由激光干涉仪和电容位移传感器同时测量振动台的振动，如图4、5所示，图5中信号峰值处对应图4中信号条纹最稀疏处。

(3)求多普勒信号的真实倒向点。根据倒向点所在条纹周期变化最大的特征，在步骤(1)中求出的半条纹周期曲线，利用步骤(2)中针对不同的波形，求出的参考倒向点位置，在其附近寻找极大值点即是倒向点所在条纹。

(4)恢复波形。对步骤(1)求出的每个半条纹，根据式(6)求出每个零点所对应的振动波形值。由于各个零点的时间值t_k是不均匀间隔，为了得到与采集信号相同时间间隔的振动波形数据序列，对每个半条纹中的每一点进行线性插值，求出每一点对应的幅值，由步骤(3)求出的倒向点判断振动台的振动方向，从而解调出振动波形。

对振动台不同类型的振动信号解调结果如图6-10所示，曲线1为电容位移传感器实测结果，曲线2为激光干涉仪解调结果，二者较好地吻合，从而证明了本发明的方法的正确性。另外，从图6-10中可以看出，在以下情况下，激光干涉仪解调结果更加稳定、精确：(1)当振动幅值较小，此时电容位移传感器实测信号的噪音较大，如图6、9所示；(2)位移传感器的测量出现故障，如图8、10所示，在图中的正峰值处，位移传感器测得的信号下凹；(3)位移传感器实测信号出现偶尔爆发，如图8所示；(4)对于时变幅值和频率的振动，如图7、9所示。