一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置及方法与流程
本发明涉及一种基于最优滤波及微分的激光多普勒测振法冲击加速度测量装置及方法，特别涉及零差和外差激光干涉方式的冲击加速度精确测量方法，属于冲击计量测试技术领域。
背景技术：
由于属于非接触测量方式，从而对运动类型的被测量对象没有机械接触和外加影响，利用激光多普勒效应的激光干涉法是到目前为止高水平冲击、振动测量的最佳方式，可以获得远超过其它方式的测量准确度和分辨力。因而，国际上最高计量标准装置均使用该方式。
由于激光多普勒效应的基本原理，是相对运动而产生的多普勒频移与相对运动速度成线性关系，因而，从运动速度获取运动加速度需要用到微分运算。直接进行差分运算获得微分结果由于信噪比等因素很难获得正确可用的结果。需要对其速度曲线波形首先进行滤波然后再微分才能获得正确的加速度波形。但微分会对加速度波形的峰值等参数带来额外的影响。该影响的定量评定一直没有解决。为了明确限定该影响，并且统一要求，国际标准化组织ISO在其有关冲击计量校准的标准(ISO 16063-13-2001(E))中特别限定了滤波器为4阶Butterworth滤波器，当冲击加速度波形脉冲宽度T时，其滤波器截止频率为16/T～5/T。
该方法主要存在以下问题：1)进行速度波形滤波求加速度波形时，尚未知晓T值，因而方法存在倒果为因的逻辑问题。2)在对于具体校准波形而言，滤波器截止频率范围16/T～5/T依然会使冲击加速度峰值产生较大波动，缺乏最优判据。因此，冲击加速度计量校准的准确度一直较低，最佳的时候只能达到5％左右。
由此，人们需要寻找出没有逻辑上倒果为因问题的滤波方式，并希望能给出滤波参数最优的客观判据，以提高冲击加速度计量校准的准确度水平。
技术实现要素：
本发明的目的是为了克服现有的冲击速度波形滤波微分方法的缺点，提出了一种使用冲击速度波形阶跃上升时间为参考尺度，以局域窗口内平均值滤波然后差分实现滤波微分的方式获取冲击加速度波形的激光多普勒测振法冲击加速度测量装置及方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置，包括HOPKINSON冲击机、弹体、垫层、HOPKINSON棒、砧体、被校冲击加速度传感器、计算机、数字示波器、差动激光干涉仪、信号适调仪以及光栅。
其中，HOPKINSON冲击机用于发射弹体；弹体用于产生冲击加速度；垫层起保护作用；HOPKINSON棒接受弹体撞击，产生并传递应力波以产生加速度；砧体将冲击加速度传递给被校冲击加速度传感器，并防止棒体直接击中传感器，以保护传感器；计算机用于系统控制和计算；数字示波器用于采集记录激光多普勒信号；差动激光干涉仪用于接收光栅传来的冲击速度信号，并转换成电信号；信号适调仪用于完成对传感器输出信号进行滤波、放大等调理功能；光栅用于对照射的激光产生衍射条纹信号。
使用HOPKINSON冲击机发射弹体，击中垫层和HOPKINSON棒，使HOPKINSON棒产生运动，从而击中砧体，使得光栅和被校加速度传感器产生冲击运动；该冲击运动经光栅被差动激光干涉仪转换成电信号，然后被数字示波器采集记录形成波形数据；通过电子计算机经解调计算后输出冲击加速度波形序列，给出冲击加速度峰值的校准参量，用以校准冲击加速度传感器输出的信号，同时经过信号适调仪调理后，由数字示波器采集记录对加速度传感器的测量结果。
一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置的测量方法，具体实现步骤如下：
1)使用Hopkinson冲击机发射弹体，利用Hopkinson棒在校准端面上产生波形良好的冲击加速度过程，直接加载到光栅和被校准的加速度计上。
2)使用差动式激光干涉仪，利用光电探测器检测光栅运动产生的激光多普勒信号x(t)。光电探测器上升时间为2ns。作为合作目标的光栅，栅线数为150/mm，栅线间距d的不确定度为1×10-6。
3)使用数字示波器对激光多普勒信号x(t)以及经过送信号适调仪调理后的被校加速度计输出信号进行数据采集。示波器为8Bits A/D，存储容量50kSamples/ch，模拟带宽500MHz，最小电压分度1mV/div，双通道采样时，最高采样率500MSps。
4)使用Hilbert变换法对x(t)的采样信号x(i)(i＝1,2,…,n)进行变换处理获得Hilbert变换信号其中：
其中，x(i)为激光多普勒信号x(t)的采样信号；为激光多普勒信号x(t)的采样信号x(i)的Hilbert变换信号；m为卷积变换的中间变量，m∈[-M,+M]；
其中，使用公式(1)进行希尔波特变换运算时，卷积区间为[-M,+M]，M应当使卷积窗口宽于载频信号的周期，且M≥100。这里M＝151；
h(i)为Hilbert变换器的单位冲击响应：
x(i)的瞬时幅度：
x(i)的瞬时相位：
5)对式(4)所示的实时相位波形通过叠加kπ(k＝0,1,2,…)进行位相展开，获得连续相位波形；
6)对上述位相展开后的相位序列φ1,φ2,…,φn进行线性趋势剔除工作，使用端基直线法获得参数G0和φ0：
其中，G0为表示相位序列趋势的端基直线的斜率；φ0表示相位序列趋势的端基直线的截距；
计算获得剔除线性趋势后的相位序列
7)选取与希尔波特变换卷积区间相同的差分点数2M+1，进行滑动平均方式多点差分运算，获得瞬时频率值fi(i＝1,…,n)：
其中，为小于的M点相位之和；为大于的M点相位之和；
由瞬时频率值中剔除非多普勒效应的恒定部分频率fc，将得到瞬时多普勒频移Δfi＝fi-fc(i＝1,…,n)；
8)使用差分式衍射激光干涉仪进行冲击测量时，其运动速度波形信号v(i)：
按公式(9)计算冲击速度序列v1,v2,…,vn；它是一个典型的阶跃波形。
9)用众数法计算冲击速度波形序列的上升时间tr；
f)按照选取局域平均窗口的半长度L，执行如下局域平均和差分运算，获得冲击加速度波形序列a1,a2,…,an。
其中，
为了判断L取值是否最优，采取如下判定方式：
将平均值窗口内的速度值序列vi-L,vi-L+1,…,vi+L-1,vi+L,做端基直线拟合，得：
v(k)＝k·g+v0 (11)
其中，k＝i-L,i-L+1,…,i+L-1,i+L
v0＝vi-L
以局域平均窗口中的误差均值Δv(t)曲线作为微分中的误差指针，当窗口由大到小时，Δv(t)曲线在加速度峰值附近的曲线值呈下降趋势，且有明显的局部极小值；当该极小值下降不明显，且局部极小值特征微弱时，即可判定窗口选择值已经接近最佳，由此完成对被校冲击加速度传感器各项数据的测量。
有益效果
本发明方法简捷，算法收敛并且容易实现，具有滤波与微分一并计算给出的特点，并且，由于使用的是时域局部简单平均值滤波方式，滤波过程给后续的加速度峰值所带来的不确定度可以简单定量估计出来，拥有其它滤波器所不具备的优势。
从相位序列到频率序列的微分运算中，本发明的方法使用了趋势分量预先剔除的方式，从而降低了由于计算机舍入误差带来的不确定度，提高了频率解调的准确度和分辨力；相较于使用ISO推荐标准方法获得的加速度激励波形，其峰值加速度为1048301.6798m/s2，本发明所用方法获得的加速度波形峰值加速度为1080282m/s2，比ISO方法高约3％，因此与ISO标准中推荐的滤波方法相比，本发明的方法不仅没有倒果为因的逻辑问题，而且更适合于自动化校准，从而提供了最佳滤波方式的搜索和判定方法，这使得不同实验室的冲击加速度校准结果将更加一致和可比。在计量比对实验中将具有更大的技术优势。
附图说明
图1为本发明的方案结构示意图；
图2为在实际冲击加速度标准装置上获得的激光多普勒波形；
图3为使用ISO推荐标准方法获得的加速度激励波形；
图4为本发明的一种激光多普勒测振法冲击加速度测量方法实现后获得的加速度波形图；
其中，1-HOPKINSON冲击机；2-弹体；3-垫层；4-HOPKINSON棒；5-砧体；6-被校冲击加速度传感器；7-计算机；8-数字示波器；9-差动激光干涉仪；10-信号适调仪；11-光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置，包括HOPKINSON冲击机、弹体、垫层、HOPKINSON棒、砧体、被校冲击加速度传感器、计算机、数字示波器、差动激光干涉仪、信号适调仪以及光栅。
其工作过程为：使用HOPKINSON冲击机发射弹体，击中垫层和HOPKINSON棒，使HOPKINSON棒产生运动，从而击中砧体，使得光栅和被校加速度传感器产生冲击运动；该冲击运动经光栅被差动激光干涉仪转换成电信号，然后被数字示波器采集记录形成波形数据；通过电子计算机经解调计算后输出冲击加速度波形序列，给出冲击加速度峰值的校准参量，用以校准冲击加速度传感器输出的信号，同时经过信号适调仪调理后，由数字示波器采集记录对加速度传感器的测量结果。
一种激光多普勒测振法冲击加速度测量装置的测量方法，具体实现方法如下：
1)使用Hopkinson冲击机发射弹体，利用Hopkinson棒在校准端面上产生波形良好的冲击加速度过程，直接加载到光栅和被校准的加速度计上。
2)使用差动式激光干涉仪，利用光电探测器检测光栅运动产生的激光多普勒信号x(t)。光电探测器上升时间为2ns。作为合作目标的光栅，栅线数为150/mm，栅线间距d的不确定度为1×10-6。
3)使用数字示波器对激光多普勒信号x(t)以及经过送信号适调仪调理后的被校加速度计输出信号进行数据采集。示波器为8Bits A/D，存储容量50kSamples/ch，模拟带宽500MHz，最小电压分度1mV/div，双通道采样时，最高采样率500MSps。
4)使用Hilbert变换法对x(t)的采样信号x(i)(i＝1,2,…,n)进行变换处理获得Hilbert变换信号其中：
其中，x(i)为激光多普勒信号x(t)的采样信号；为激光多普勒信号x(t)的采样信号x(i)的Hilbert变换信号；m为卷积变换的中间变量，m∈[-M,+M]；
其中，使用公式(1)进行希尔波特变换运算时，卷积区间为[-M,+M]，M应当使卷积窗口宽于载频信号的周期，且M≥100。这里M＝151；
h(i)为Hilbert变换器的单位冲击响应：
x(i)的瞬时幅度：
x(i)的瞬时相位：
5)对式(4)所示的实时相位波形通过叠加kπ(k＝0,1,2,…)进行位相展开，获得连续相位波形；
6)对上述位相展开后的相位序列φ1,φ2,…,φn进行线性趋势剔除工作，使用端基直线法获得参数G0和φ0：
其中，G0为表示相位序列趋势的端基直线的斜率；φ0表示相位序列趋势的端基直线的截距；
计算获得剔除线性趋势后的相位序列
7)选取与希尔波特变换卷积区间相同的差分点数2M+1，进行滑动平均方式多点差分运算，获得瞬时频率值fi(i＝1,…,n)：
其中，为小于的M点相位之和；为大于的M点相位之和；
由瞬时频率值中剔除非多普勒效应的恒定部分频率fc，将得到瞬时多普勒频移Δfi＝fi-fc(i＝1,…,n)；
8)使用差分式衍射激光干涉仪进行冲击测量时，其运动速度波形信号v(i)：
按公式(9)计算冲击速度序列v1,v2,…,vn；它是一个典型的阶跃波形。
9)用众数法计算冲击速度波形序列的上升时间tr；
f)按照选取局域平均窗口的半长度L，执行如下局域平均和差分运算，获得冲击加速度波形序列a1,a2,…,an。
其中，
为了判断L取值是否最优，采取如下判定方式：
将平均值窗口内的速度值序列vi-L,vi-L+1,…,vi+L-1,vi+L,做端基直线拟合，得：
v(k)＝k·g+v0 (11)
其中，k＝i-L,i-L+1,…,i+L-1,i+L
v0＝vi-L
以局域平均窗口中的误差均值Δv(t)曲线作为微分中的误差指针，当窗口由大到小时，Δv(t)曲线在加速度峰值附近的曲线值呈下降趋势，且有明显的局部极小值；当该极小值下降不明显，且局部极小值特征微弱时，即可判定窗口选择值已经接近最佳，最终判定
如图4所示，由以上公式计算所得的加速度波形的峰值加速度为1080282m/s2。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
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