一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法

摘要

本发明涉及一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法。现有无法实现振动信息无损遥测。本发明基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有分光镜将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器工作在行扫描成像模式，振动分析单元进行行扫描成像信号处理，得到检测区域的振动信息。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活、成本低等特点。

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种振动检测方法，特别是一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法，主要应用于语音采集、健康检测、振动监测、质量检测、噪声分析、环境监测等领域中的振动检测。

背景技术

振动检测广泛存在机械诊断、语音采集、健康检测、振动监测、质量检测、噪声分析、环境监测、资源勘探、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全、工程测试、危险评估、环境感知、物联网、过程控制、先进制造等领域中，并且对振动检测的需求越来越紧迫，检测要求也越来越高，例如，在语音采集领域中，语音也是振动的一种表现，通常采用麦克风进行语音信息采集，然而麦克风在远距离语音采集中难于实现，并且性能不佳，因此需要高质量远距离的采集器；在健康检测中，可以通过心脏引起的身体振动检测，进行人体生理特性和健康状况的分析，振动检测技术必不可少。

在先技术中存在振动信息检测方法，一种压电振动传感器，（参见美国专利，专利名称：Piezoelectricvibrationsensor，发明人：OrtenBirger，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2008年05月06日），此在先技术虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足：1）采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测；2）由于压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性；3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围；4）在先振动检测系统构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充；5）压电振动传感器不便于进行集成。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵出敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活、成本低特点。

本发明的基本构思是：基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，激光束照射到被检测区域；激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有分光镜将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器均为二维光电传感器；光电传感器工作在行扫描成像模式，第一光电传感器和第二光电传感器对同一个激光散斑离焦像进行成像，第一光电传感器和第二光电传感器进行行扫描成像的扫描方向不平行；振动分析单元进行行扫描成像信号处理，综合分析光电传感器信号并进行信息融合和特征提取，得到检测区域的振动信息。

本发明的一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法，其具体的技术方案如下：

步骤(1)激光光源出射光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播行为特性，实现振动检测用的激光光束和传播方向；

步骤(2)激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，实现激光传输散斑光场；

步骤(3)激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有分光镜将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器均为二维光电传感器；

步骤(4)光电传感器工作在行扫描成像模式，第一光电传感器和第二光电传感器对同一个激光散斑离焦像进行成像，第一光电传感器和第二光电传感器进行行扫描成像的扫描方向不平行；

步骤(5)振动分析单元对第一光电传感器和第二光电传感器的行扫描成像信号进行处理，综合分析光电传感器信号并进行信息融合和特征提取，得到检测区域的振动信息。

所述的激光光源为激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

所述的光束调整部件为透射式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

所述的离焦光学成像系统为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

所述的光电传感器为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。

所述的振动分析单元为计算机、嵌入式系统、数字信号处理器、移动终端设备中的一种。

本发明中散斑原理、图像处理技术、传感器使用、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，给出一种无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活、成本低的基于激光散斑离焦成像的振动检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测。本发明基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，通过分析得到振动信息，本发明充分发挥了散斑原理和成像远距离工作特性，故具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度等特点；

2）由于在先技术中压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性。本发明本质上为激光散斑遥测原理，本质上避免了与被检测物的直接接触，光学检测原理受外界环境影响小，并且在离焦光学成像系统的像空间设置有分光镜将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器均为二维光电传感器；光电传感器工作在行扫描成像模式，所以具有可靠性高、抗干扰能力强、被检测物形态和物质多样、信息量高等特点；

3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围。本发明中，第一光电传感器和第二光电传感器对同一个激光散斑离焦像进行成像，第一光电传感器和第二光电传感器进行行扫描成像的扫描方向不平行；振动分析单元进行行扫描成像信号处理，综合分析光电传感器信号并进行信息融合和特征提取，得到检测区域的振动信息，因此，本发明频率特性不受限于器件机械性质，并且光电信号处理速度快、频率范围广，因此，本发明具有频率响应特性宽，进一步增加了信息量；

4）在先技术中的振动检测系统构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充。本发明采用散斑光电遥测原理和光纤技术，并且结构简洁，使得本发明的基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，振动信息检测方法具有易于构建、使用特便利、应用范围广、功能易于扩充等特点。

5）在先技术压电振动传感器不便于进行集成。本发明点在于提供一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法，发明的检测原理决定振动信息检测方法中可以采用现有低价成熟处理模块和元件，本发明便于集成，并且方法实现所需成本低。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于激光散斑离焦成像的振动检测方法的实施例，基于激光散斑离焦成像原理，结合二维光电传感器行扫描技术，激光束照射到被检测区域，激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有分光镜将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器工作在行扫描成像模式，二个光电传感器进行行扫描成像的扫描方向不平行；振动分析单元进行行扫描成像信号处理，得到检测区域的振动信息。

本实施例的具体实现步骤为：

步骤(1)激光光源1出射光束的光路上设置有光束调整部件2，光束调整部件2调节光束参数或传播行为特性，实现振动检测用的激光光束和传播方向；本实施例中,激光光源1为532纳米波长的固体激光器，光束调整部件2采用反射式光束调整部件，为平面反射镜，光束调整部件2用于改变激光光源1出射光束的传播方向；

步骤(2)激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面3，激光光束在光学界面处被散射，发生激光散射效应，形成激光散射光场，实现激光传输散斑光场；本实施例中,光学界面3为10米距离处的通话过程中手机后盖；

步骤(3)激光散斑经过离焦光学成像系统4进行成像，在离焦光学成像系统4的像空间设置有分光镜5将成像光束分成两束，每一个成像光束的像平面上设置有一个二维光电传感器，光电传感器均为二维光电传感器；本实施例中,分光镜5的透射光路上的像平面上设置有第一电传感器6，分光镜5的反射光路上的像平面上设置有第二光电传感器7，第一光电传感器6和第二光电传感器7均采用互补金属氧化物半导体电传感器；

步骤(4)第一光电传感器6和第二光电传感器7均工作在行扫描成像模式，第一光电传感器6和第二光电传感器7对同一个激光散斑离焦像进行成像，第一光电传感器6和第二光电传感器7进行行扫描成像的扫描方向不平行；本实施例中第一光电传感器6和第二光电传感器7进行行扫描成像的扫描方向相互垂直；

步骤(5)振动分析单元8进行行扫描成像信号处理，综合分析光电传感器信号并进行信息融合和特征提取，得到检测区域的振动信息，本实施例中振动分析单元8采用嵌入式系统。

本实施例成功实现了10米距离处的通话过程中手机后盖振动特性检测，包括振动频率特性和振幅特性。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成、构建灵活、成本低等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。