基于半導(dǎo)體激光自混合干涉的振動(dòng)測(cè)量研究與應(yīng)用.pdf

1、隨著計(jì)量?jī)x器儀表的飛速發(fā)展，計(jì)量傳感領(lǐng)域越來越依靠光學(xué)解決方案以提供精確的非接觸式測(cè)量技術(shù)。半導(dǎo)體激光自混合干涉振動(dòng)測(cè)量因其精度高，且具有傳統(tǒng)干涉系統(tǒng)所無法比擬的光路簡(jiǎn)單、干涉信號(hào)含有方向信息、自準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。
　　半導(dǎo)體激光自混合干涉振動(dòng)測(cè)量是一種基于激光二極管弱耦合現(xiàn)象的測(cè)量方法。激光器輸出的光被外部振動(dòng)物體反射或散射后，其中一部分光又反饋回激光器內(nèi)腔，反饋光攜帶了目標(biāo)的振動(dòng)信息，與腔內(nèi)光相混合后，調(diào)

2、制激光器的輸出，形成自混合干涉。因此需要對(duì)攜帶目標(biāo)運(yùn)動(dòng)信息的自混合信號(hào)進(jìn)行處理來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)振動(dòng)信息的提取。發(fā)展精確的自混合信號(hào)處理方法用于提高半導(dǎo)體激光自混合干涉振動(dòng)測(cè)量精度一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛的關(guān)注和重視。本課題研究目的是探索基于半導(dǎo)體激光自混合干涉振動(dòng)測(cè)量的精確目標(biāo)振動(dòng)信息提取算法，以解決目前該方法中存在的抗干擾能力差、重構(gòu)誤差累積和重構(gòu)算法無法通用等問題，以期提高測(cè)量準(zhǔn)確性和對(duì)測(cè)量目標(biāo)表面的通用性，并將自混合干涉效應(yīng)應(yīng)用于次聲波檢

3、測(cè)，拓展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
　　首先，本文在研究半導(dǎo)體激光自混合干涉機(jī)理、深入分析適度光反饋水平下相位解卷法位移重構(gòu)方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)噪聲干擾下基于相位解卷法振動(dòng)位移重構(gòu)過程中自混合信號(hào)跳變點(diǎn)的正確檢測(cè)問題及位移測(cè)量誤差的累積問題進(jìn)行研究。提出基于分段閾值跳變點(diǎn)檢測(cè)算法的相位解卷法，用于噪聲干擾下的振動(dòng)位移重構(gòu)。采用分段閾值跳變點(diǎn)檢測(cè)算法對(duì)跳變點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，利用目標(biāo)振動(dòng)幅度的均勻性作為最優(yōu)分段的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，解決誤差累積問題，最小化全局

4、重構(gòu)誤差。當(dāng)自混合信號(hào)信噪比低至16 dB時(shí)，對(duì)于目標(biāo)位移振幅小于3?m的正弦振動(dòng)，位移偏差小于7.15％，而且振幅越大，位移偏差越小。新算法提高了相位解卷算法的抗噪聲能力，并為低功率、經(jīng)濟(jì)型的紅光半導(dǎo)體激光器在自混合干涉測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一種可靠的信號(hào)處理方法。
　　其次，目前已經(jīng)發(fā)展的多種自混合信號(hào)處理方法，只能對(duì)各自特定的干涉信號(hào)進(jìn)行處理。不同光反饋水平下的自混合信號(hào)具有不同的波形特征，而實(shí)際測(cè)量中保持反饋水平不變卻十分困

5、難。造成在測(cè)量過程中，對(duì)光反饋水平需要較嚴(yán)格的控制和對(duì)測(cè)量目標(biāo)表面粗糙度有較大的要求。針對(duì)這一問題，在分析不同光反饋水平機(jī)制下的自混合干涉信號(hào)的頻譜特征的基礎(chǔ)上，提出基于傅里葉變換的主頻階次判定算法，為半導(dǎo)體激光自混合干涉振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在不同光反饋水平機(jī)制下或不同粗糙表面目標(biāo)的微振動(dòng)測(cè)量提供了一種通用的信號(hào)處理算法。利用一類貝塞爾函數(shù)為極大值時(shí)的階次對(duì)應(yīng)自混合干涉信號(hào)頻譜中的主頻階次這一特點(diǎn)，推導(dǎo)得到主頻階次與目標(biāo)振幅的直接的線性關(guān)系式，

6、降低了目標(biāo)振動(dòng)信息提取過程的復(fù)雜性。由于只有一次諧波及主頻所對(duì)應(yīng)的諧波被提取，使算法具有較強(qiáng)的抗噪聲能力。當(dāng)自混合干涉信號(hào)信噪比低至5 dB時(shí)，依然能夠準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)的振動(dòng)信息。
　　最后，利用半導(dǎo)體激光自混合振動(dòng)測(cè)量技術(shù)其光路簡(jiǎn)單、易于準(zhǔn)直、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，提出將自混合干涉效應(yīng)應(yīng)用于次聲波測(cè)量。開發(fā)基于半導(dǎo)體激光自混合干涉的次聲傳感器，拓展自混合干涉技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。針對(duì)現(xiàn)有一些次聲傳感器存在頻率響應(yīng)曲線不平坦的問題。根據(jù)次聲波傳