基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振系统技术方案

本发明专利技术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系统，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。本发明专利技术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。可靠提取。可靠提取。

【技术实现步骤摘要】
基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振系统


[0001]本专利技术涉及激光干涉测振
，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系统。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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系统，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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术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系统，所述零差激光干涉测振系统包括激光器、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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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。
[0011]进一步地，所述分束器与激光束呈45度夹角。
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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；
[0016]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。
[0017]进一步地，所述跨阻放大器的跨阻采用1MΩ的精密电阻。
[0018]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：
[0019][0020]进一步地，所述激光器采用He
‑
Ne激光器。
[0021]第二方面，本专利技术实施例提出了一种基于前述测振系统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：
[0022]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；
[0023]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；
[0024]S3，根据光电探测器发送的电流信号，提取相应的振动信息。
[0025]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：
[0026]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；
[0027]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)：
[0028]W
x
(a,b)＝<x(t),ψ
a,b
(t)>
[0029]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；
[0030]S33，结合时间轴b、小波尺度轴a及小波系数模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于瞳面成像和小波变换的零差激光干涉测振系统，其特征在于，所述零差激光干涉测振系统包括激光器、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。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系统，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系统，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系统，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系统，其特征在于，所述跨阻放大器的跨阻采用1MΩ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系统，其特征在于，根据激光多普勒效应原理，将信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：张思炯，陆彦婷，李常伟，鹿彤彤，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：