本发明涉及一种振动测量装置，尤其涉及一种零差式激光多普勒振动测量装置，属于光学精密测量技术领域。
背景技术：
激光振动测量技术是一种非接触振动测量技术，因其具备精度高、灵敏度高、测量距离远等特点，日益受到各种高精测量领域的青睐，已经广泛应用于机械制造、航空航天、微细加工、建筑等领域。目前，基于激光振动测量的技术主要有：多普勒参考光振动测量技术、散斑法振动测量技术、莫尔条纹法、全息干涉法振动测量技术等。
其中，多普勒参考光振动测量技术主要利用光外差技术和光学多普勒效应实现，包括外差式振动测量技术和零差式振动测量技术。外差式振动测量技术的工作原理是使进入光电探测器中的相互干涉的两路光信号的载波频率不同，形成干涉后将产生差频信号。外差式振动测量技术以高频信号作为载波，提高了抗干扰能力，但由于光电探测器的频率响应随着频率增加增益下降，较高的载波频率降低了光电探测器的灵敏度，从而限制了外差式振动测量技术对微弱振动的探测能力。在零差式振动测量技术中，测量光和参考光的频率相同，即频率差为0。它不需要对参考光进行移频处理，省去了声光移频器件，简化了光学系统。但由于光学系统和电学系统在零中频处存在较大的系统噪声以及干扰，因此零差式振动测量技术的抗干扰能力不如外差式振动测量技术。
在中国发明专利“一种激光相位载波多普勒振动信号的检测系统及解调方法”(cn104964735b)中，发明人提出了一种利用电光调制器实现低中频激光多普勒振动测量的系统架构，并给出了相应的解调方案。该解调方案提高了检测系统的探测灵敏度。但仍然存在载波泄漏问题，进而限制了检测系统的最远探测距离。在美国专利申请“tunableopticalfrequencyconverterbasedonadopplervibrationmirror”(us2014/0327956a1)中，发明人提出了基于多普勒振动反光镜的可调移频模块。该模块采用反光镜和少量的光学器件实现了具有大的频率转换范围、高的变频效率和大的输出功率。但是，该技术方案仅仅涉及光学移频功能，并未考虑振动测量功能。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种改进设计的零差式激光多普勒振动测量装置。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
一种零差式激光多普勒振动测量装置，包括：
光前端模块，包括镜头、分束器和激光器，用于通过激光器产生激光，然后将产生的激光经过所述分束器分为两路，一路为参考光，另外一路为测量光；所述参考光和所述测量光的频率相同，经合束处理后通过所述镜头发射到外部；
载波插入模块，连接在所述光前端模块和被测物体之间，包括带有反射镜的超声换能器，用于接收所述光前端模块经由所述镜头发射的激光，将所述激光反射到所述被测物体，并将所述被测物体漫反射回来的光再次反射回到所述镜头；其中，
所述反射镜以预定频率和预定振幅振动，在振动测量光路上引入预定频率和预定振幅的光程变化。
其中较优地，所述超声换能器以预定频率带动所述反射镜一起振动。
其中较优地，所述反射镜和所述超声换能器刚性连接，与所述镜头轴线的夹角为45度。
其中较优地，所述零差式激光多普勒振动测量装置还包括信号处理模块；
所述信号处理模块包括抗混叠滤波器、数模转换器和fpga处理器；其中，
所述抗混叠滤波器，用于过滤掉从所述光前端模块输出的信号的高频成分；
所述数模转换器，用于将从所述抗混叠滤波器输出的信号从模拟形式转换为数字形式；
所述fpga处理器，包括基于数字锁相环的解调模块，用于实现具有频率跟踪的信号相位解调。
其中较优地，所述解调模块包括正交下变频器、下抽取模块、相位解调器、环路滤波器和数控振荡器；其中，
正交下变频器、下抽取模块和相位解调器用于锁相环中的相位检测，正交下变频器以数控振荡器输出的正交本振信号对输入信号进行正交下变频，获得同相信号和正交信号；
相位解调器，用于采用坐标旋转数字计算求解所述同相信号和所述正交信号对应的相位；
环路滤波器，用于对所述相位解调器输出的相位进行环路滤波，得到频率控制字；
数控振荡器，用于在所述频率控制字的控制下输出预定频率的正交本振信号，从而形成负反馈回路跟踪载波频率的变化。
其中较优地，所述下抽取模块采用积累梳妆滤波器、半带滤波器和有限冲击响应滤波器对所述同相信号和所述正交信号进行下抽取。
其中较优地，所述fpga处理器还包括振动参数输出模块，用于将相位信号进行后处理以获取被测物体的振动参数。
其中较优地，所述光前端模块和所述载波插入模块在结构上采用吸声或减振材料以避免超声信号被所述光前端模块拾取。
其中较优地，所述吸声或减振材料为橡胶皮垫。
其中较优地，所述光前端模块还包括环形器、合束器和光电探测器；
其中，所述镜头用于输出测量光到反射镜，并从反射镜上接收反射光，其接口通过光纤与所述环形器的一个端口相连；
所述环形器为3端口器件，第一端口通过光纤和所述分束器连接，第二端口通过光纤和所述镜头连接，第三端口通过光纤和所述合束器连接；
所述合束器用于将反射光和参考光合成一路光，其输入端通过光纤与所述环形器和所述分束器相连，其输出端通过光纤连接所述光电探测器。
与现有技术相比较，本发明实施例提供的零差式激光多普勒振动测量装置具有下述有益的技术效果：首先，抗干扰能力强，测量信号的载波频率非零频，不仅能够避免因光路和光电探测器本身引入的低频噪声，还能够避免引入载波泄漏信号的干扰；其次，探测灵敏度高，光电探测器在低中频处具有较高的增益，可提高测量信号的信噪比，有利于高灵敏探测；再次，光学结构集成度高，光路采用全光纤器件实现；最后，成本低廉，避免使用昂贵的声光调制器，降低了振动测量装置的复杂度和成本。
附图说明
图1为现有技术中，零差式激光振动测量装置的工作原理图；
图2为现有技术中，载波泄漏信号的示意图；
图3为本发明实施例提供的零差式激光多普勒振动测量装置的整体结构示意图；
图4为第一类贝塞尔函数曲线的示意图；
图5为本发明实施例中，载波泄漏信号的示意图；
图6为本发明实施例中，面向低中频信号的信号处理模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
如图1所示，在现有技术的一个示例中，该零差式激光振动测量装置包括101a本振、102a电光调制器、第二分光棱镜103a、光电探测器104a、处理器105a、镜头106a、第一分光棱镜107a、分束器108a和激光器109a。其中，激光器109a用于产生激光，分束器108a用于将激光器产生的激光分为测量光和参考光，参考光输入电光调制器102a的信号输入端，测量光输入第一分光棱镜107a，本振101a输出的频移驱动信号输入电光调制器102a的电信号驱动端，电光调制器102a在频移驱动信号的作用下输出的频移参考光输入到第二分光棱镜103a；通过第一分光棱镜107a的测量光在待测目标表面反射后形成的返回测量光再次进入第一分光棱镜107a，返回测量光再反射到第二分光棱镜103a，返回测量光与频移参考光在第二分光棱镜103a中混合并干涉形成干涉光，干涉光输入光电探测器104a后经处理器105a处理，获得被测物体的振动参数。
在上述振动测量装置中，电光调制器在光学镜头之后的光路中，第一分光棱镜的泄漏光和镜头表面反射的泄漏光经过与参考光进行干涉后会形成载波泄漏信号。载波泄漏信号的频率和本振相同，也和测量信号的载波相同，在远距离测量时载波泄漏信号甚至会超过测量信号，如图2所示。载波泄漏信号对测量信号解调的影响主要有以下三方面：一是降低测量信号的信噪比，缩短了测量距离；二是在解调信号时引入非线性；三是振动测量装置在本地的振动会调制到载波泄漏信号中，进一步影响测量精度。
为了解决上述问题，本发明提出了一种改进设计的零差式激光多普勒振动测量装置。它以上述的零差式激光振动测量装置为基础，通过在镜头外增加一个以超声频率振动的反射镜结构实现低中频(数十/数百赫兹)的载波插入，从而通过降低载波频率来实现高灵敏度的探测。下面对此展开详细具体的说明。
图3为本发明实施例提供的零差式激光多普勒振动测量装置的整体结构示意图，其中光路全部采用光纤实现。和传统的零差式激光振动测量装置不同的是，该零差式激光多普勒振动测量装置在镜头外增加了一个带有反射镜的超声换能器。镜头输出激光经过反射镜反射后再用于测量被测物，而被待测物漫反射回来的信号也会经过反射镜后回到镜头中。当超声换能器以角频率ωc(即预定频率)振动时，会带着反射镜一起振动，通过这种方式主动在测量光上引入角频率为ωc的光程变化。
经过载波插入后，总的中频信号的主要成分如公式(1)所示：
其中，ssig_1(t)为载波插入后的测量信号，slk(t)为直流泄漏信号，即零频泄漏信号，βfm为子载波的调频指数(由振幅决定)，asig为测量信号的幅度，ωc为载波信号的角频率，φsig(t)为被测物振动位移对应的相位，alk为泄漏信号的幅度，φlk为泄漏信号的相位。
下面对测量信号进行分析，通过三角函数展开可得到公式(2)：
其中，cos(βfmsinωct)和sin(βfmsinωct)可以进一步展开成以贝塞尔函数为系数的三角函数，即
以上两式中，jn(βfm)为第一类n阶贝塞尔函数，它是n(n为正整数)和调频指数βfm的函数，其值可通过公式(4)计算。图4给出了n＝0、1、2、3时，贝塞尔函数的曲线。
将公式(3)代入公式(2)中，可得公式(5)：
公式(5)由4项组成：第一项为零频载波分量asigcos(φsig(t))j0(βfm)，和零频泄漏信号频谱上交叠，属于无用项；第二项2asigj1(βfm)sin(φsig(t))sinωct为载波分量，其中包含了测量信息φsig(t)，而且幅度可以足够大，属于有用项；第三项为载波谐波信号上的余弦分量
图4中，0阶贝塞尔函数j0(βfm)是零频上信号分量的幅度系数，j1(βfm)是载波上信号分量的幅度系数，其他为载波高次谐波上信号分量的幅度系数。从图4很容易看出，调频指数βfm并不是越大越好，而是调频指数βfm＝1.85时，j±1(βfm)≈0.58为最大值，即载波上信号幅度最大。此时对载波上的信号进行解调可以得到最小的功率损耗，相对不进行载波插入的情况，有用信号的功率损耗仅为1.7db。
基于上述的理论分析，本发明实施例提供的零差式激光多普勒振动测量装置如图3所示，包括载波插入模块1、光前端模块2和信号处理模块3。其中，载波插入模块1用于在现有的零差式激光振动测量装置的光路上引入特定频率、特定振幅的光程变化，包括超声信号源模块101、超声换能器102和反射镜103。在另外一些实施例中，载波插入模块1可以根据实际应用的需要包括另外的功能模块。
超声信号源模块101用于产生角频率为ωc的余弦电信号，该余弦电信号输出给超声换能器102。在一些实施例中，超声信号源模块提供的余弦电信号的角频率ωc＝2π*100khz。超声换能器102用于将电信号转换成超声振动，带动反射镜103按照预定频率振动。反射镜103用于反射光前端模块2中的镜头201输出的激光，并将被测物体4反射回来的光信号再次反射给镜头201。它与超声换能器103采用刚性连接，与镜头轴线夹角为45°，并在超声换能器102的带动下以ωc角频率进行振动。在本发明的一些实施例中，刚性连接可以是超声换能器以金属抱箍的方式固定反光镜。
在一些实施例中，为了减少光强的损耗，反射镜103在预定波长下具有较高的反射率，例如，大于预定阈值。该预定阈值可根据实际应用需要确定，从而使得从反射镜头输出的激光尽可能多地被反射，从被测物体反射回来的光信号尽可能多地反射给镜头。反射镜103还配置为具有较高的平整度，例如，平整度小于预定阈值，该预定阈值可根据工艺要求选定，从而保证更多的光进入探测器。反射镜103还优选地选择重量较轻，例如，小于预定重量，从而保证在超声换能器的作用下振幅较大。
在一些实施例中，超声换能器为压电陶瓷换能器。在其他实施例中，还可以选择其他形式的换能器。超能换能器的振动频率需要进行适当的选择，例如，优选为人耳听不见的频率区间，并且频率不能太高，也不能太低，太高了振动幅度不够，太低了会形成较大自干扰。在一些具体的实施例中，超能换能器的振动频率为50khz～100khz。
光前端模块2为基于光纤器件的零差式激光多普勒振动测量光路。在一些实施例中，其输出载波频率为100khz的中频信号给信号处理模块3，包括镜头201、环形器202、合束器203、激光器204、分束器205和光电探测器206。
其中，镜头201用于输出测量光到反射镜103，并从反射镜103上接收反射光，其接口通过光纤与环形器202的3个端口中的一个端口相连。环形器202用于实现光信号收发隔离，为3端口器件，其第一端口通过光纤和分束器205连接，第二端口通过光纤和镜头201连接，第三端口通过光纤和合束器203连接。合束器203用于将反射光和参考光合成一路光，其输入端通过光纤与环形器202和分束器205相连，其输出端通过光纤连接光电探测器206。激光器204用于产生激光信号，然后将产生的激光信号经过分束器205分为两路，一路为参考光，另外一路为测量光。参考光和测量光的频率相同，经合束处理后通过镜头201发射到外部。在一些实施例中，激光器204可以是窄线束半导体激光器，能够产生波长为1550nm的激光信号。在其它的实施例中，激光器204可以采用其他类型的激光器，并产生其他波段的激光信号。光电探测器206用于将相干的光信号转换成电信号，形成低中频信号，输出给信号处理模块3。信号处理模块3用于实现低中频信号的解调，以获取被测物体的振动参数(位移、速度等)。
在本发明的一些实施例中，光前端模块2和载波插入模块1在结构上采用吸声或减振材料以避免超声信号被光前端模块2拾取。例如，可以在光前端模块和载波插入模块上设置橡胶皮垫。
激光振动测量技术对环境的稳定性要求较高，例如当振动测量设备受到触碰之后就会产生大范围的低频振动。该低频振动作为一种环境扰动，会引入光程变化叠加到被测量的振动信号中，从而会影响振动测量的精度。上述环境扰动在低中频信号的主要表现是导致其载波发生漂移。为了抑制这种环境扰动，本发明实施例提供了一种基于数字锁相环(digitalphase-lockedloop，简称dpll)的解调方案。下面给出采用该解调方案的信号处理模块3的具体实施方案。
图6是本发明实施例中，采用该解调方案的信号处理模块3的结构示意图。信号处理模块3的主要功能是在数字域对低中频信号进行解调，进而获得被测物体的振动参数。在本发明的一些实施例中，信号处理模块3可以包括模数转换器302和fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程逻辑阵列)处理器303。在本发明的另一些实施例中，信号处理模块3也可以包括抗混叠滤波器301、数模转换器302和fpga处理器303。
在本发明的一个实施例中，抗混叠滤波器301为有源低通滤波器，用于滤除输入信号的高频分量，其输入为光电探测器206的输出，其输出给数模转换器302。数模转换器302为中频数模转换器，用于将模拟信号转换为数字信号，并交给fpga处理器303进行处理。为了获得大的接收动态范围，本发明的一些实施例使用过采样方式。例如，数模转换器的采样速率选择为49.152msps。在另外一些实施例中，还可以采用欠采样方式。本发明的实施例中对此不进行具体的限定。
fpga处理器303用于在数字域对经过数模转换器302数字化的低中频信号进行处理。在本发明的实施例中，fpga处理器303由两部分组成：一是基于数字锁相环的解调模块，主要用于实现具有频率跟踪的信号相位解调；二是振动参数输出模块，用于将相位信号进行后处理以获取被测物体的振动参数(位移、速度等)。
在本发明的一个实施例中，数字锁相环(dpll)由正交下变频器、下抽取模块、相位解调器、环路滤波器和数控振荡器构成，其中正交下变频器、下抽取模块和相位解调器实现了锁相环中的相位检测。正交下变频器以数控振荡器(numericallycontrolledoscillator，简称nco)输出的正交本振对高速的输入信号s(n)进行正交下变频，获得同相信号i1(n)和正交信号q1(n)。在一种具体的实施例中，数控振荡器输出的信号的频率为100khz，同相信号和正交信号这两个信号的采样速率为49.152msps。
下抽取模块采用积累梳妆滤波器(cascadedintegrator-combfilter，简称cic滤波器)、半带滤波器(half-bandfilter,简称hb滤波器)和有限冲击响应滤波器(finiteimpulseresponsefilter,简称fir滤波器)对高速的同相信号和正交信号进行下抽取。在一种具体的实施例中，下抽取模块对同相信号i1(n)和正交信号q1(n)进行192倍的下抽取，获得采样速率为256ksps的同相信号i2(n)和正交信号q2(n)，实现了高速信号到低速信号的转换。
相位解调器采用坐标旋转数字计算求解同相信号i2(n)和正交信号q2(n)对应的相位phase(n)。环路滤波器的作用是对相位phase(n)进行环路滤波，获得频率控制字frqword(n)。数控振荡器在频率控制字frqword(n)的控制下输出预定频率的正交本振信号，从而形成了一个负反馈回路跟踪载波频率的变化。在一种具体的实施例中，数控振荡器在频率控制字frqword(n)的控制下输出100khz的正交本振信号。
与现有技术相比较，本发明实施例提供的零差式激光多普勒振动测量装置具有下述有益的技术效果：首先，抗干扰能力强，测量信号的载波频率非零频，不仅能够避免因光路和光电探测器本身引入的低频噪声，还能够避免引入载波泄漏信号的干扰；其次，探测灵敏度高，光电探测器在低中频处具有较高的增益，可提高测量信号的信噪比，有利于高灵敏探测；再次，光学结构集成度高，光路采用全光纤器件实现；最后，成本低廉，避免使用昂贵的声光调制器，降低了振动测量装置的复杂度和成本。
需要指出的是，上面所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分实施例，而不是全部实施例。上面所述的各种实施例，可以根据需要进行各种组合。本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味对本发明的权利要求构成限定。
本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施例的基本原理的前提下，对上述实施例中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。
对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
1.一种零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于包括：
光前端模块，包括镜头、分束器和激光器，用于通过激光器产生激光，然后将产生的激光经过所述分束器分为两路，一路为参考光，另外一路为测量光；所述参考光和所述测量光的频率相同，经合束处理后通过所述镜头发射到外部；
载波插入模块，连接在所述光前端模块和被测物体之间，包括带有反射镜的超声换能器，用于接收所述光前端模块经由所述镜头发射的激光，将所述激光反射到所述被测物体，并将所述被测物体漫反射回来的光再次反射回到所述镜头；其中，
所述反射镜以预定频率和预定振幅振动，在振动测量光路上引入预定频率和预定振幅的光程变化。
2.如权利要求1所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述超声换能器以预定频率带动所述反射镜一起振动。
3.如权利要求1所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述反射镜和所述超声换能器刚性连接，与所述镜头轴线的夹角为45度。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于还包括信号处理模块；
所述信号处理模块包括抗混叠滤波器、数模转换器和fpga处理器；其中，
所述抗混叠滤波器，用于过滤掉从所述光前端模块输出的信号的高频成分；
所述数模转换器，用于将从所述抗混叠滤波器输出的信号从模拟形式转换为数字形式；
所述fpga处理器，包括基于数字锁相环的解调模块，用于实现具有频率跟踪的信号相位解调。
5.如权利要求4所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述解调模块包括正交下变频器、下抽取模块、相位解调器、环路滤波器和数控振荡器；其中，
正交下变频器、下抽取模块和相位解调器用于锁相环中的相位检测，正交下变频器以数控振荡器输出的正交本振信号对输入信号进行正交下变频，获得同相信号和正交信号；
相位解调器，用于采用坐标旋转数字计算求解所述同相信号和所述正交信号对应的相位；
环路滤波器，用于对所述相位解调器输出的相位进行环路滤波，得到频率控制字；
数控振荡器，用于在所述频率控制字的控制下输出预定频率的正交本振信号，从而形成负反馈回路跟踪载波频率的变化。
6.如权利要求5所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述下抽取模块采用积累梳妆滤波器、半带滤波器和有限冲击响应滤波器对所述同相信号和所述正交信号进行下抽取。
7.如权利要求4所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述fpga处理器还包括振动参数输出模块，用于将相位信号进行后处理以获取被测物体的振动参数。
8.如权利要求1～3中任意一项所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述光前端模块和所述载波插入模块在结构上采用吸声或减振材料以避免超声信号被所述光前端模块拾取。
9.如权利要求8所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于：
所述吸声或减振材料为橡胶皮垫。
10.如权利要求1～3中任意一项所述的零差式激光多普勒振动测量装置，其特征在于所述光前端模块还包括环形器、合束器和光电探测器；
其中，所述镜头用于输出测量光到反射镜，并从反射镜上接收反射光，其接口通过光纤与所述环形器的一个端口相连；
所述环形器为3端口器件，第一端口通过光纤和所述分束器连接，第二端口通过光纤和所述镜头连接，第三端口通过光纤和所述合束器连接；
所述合束器用于将反射光和参考光合成一路光，其输入端通过光纤与所述环形器和所述分束器相连，其输出端通过光纤连接所述光电探测器。
技术总结