一种基于残周期解调的差分式激光测冲击方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种差分式激光测冲击方法及装置，特别涉及一种基于残周期解调的 差分式激光测冲击方法及装置，属于光电测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 在振动、冲击等力学量计量测试中，为了避免安装传感器对被测对象产生的影响， 人们普遍采用光电测量等非接触测量方式。而针对以波形测量为目的的情况，基于多普勒 原理的光电测量技术为其最主要的方式之一，其中的核心技术，恰是调频信号解调技术。
[0003] 调制与解调都是频谱变化的过程：由于非线性元件的输出信号比输入信号具有更 为丰富的频率成分，因此，用非线性元件才能实现频率转换，选出所需要的频率成分，消除 其余不需要的频率成分。调制域测量就是让被测量的物理量对另外一种物理量（例如声 波、光波、电磁波等）产生调制，然后，利用调制域测量技术手段将其从已调制信号波形中 解调出来，它是调制域测量中的基本功能。由于运动的多普勒效应本身产生的是一种频率 调制现象，而相应的测量可以归结为具有间接测量特征的非接触、调制域测量，因此，从中 分析与获取实际物理量的瞬变过程，可以称为调制域瞬变信号的分析与处理过程。目前，在 高精度冲击、振动测量测试中应用最广泛是以激光干涉方式，借助于激光多普勒效应的调 制域测量、分析与处理方法，它是目前准确度最高的冲击和振动计量校准手段。
[0004] 通常，当载波信号比较规整平稳时，通常是含有多个载波的局域区间均值为0或 恒定，有许多调制解调理论、方法和技术可以采用，例如希尔波特变换法、位相展开法、卡尔 曼滤波法等。但是当载波信号由于某种原因变化比较大，且呈现剧烈的非平稳特征时，例 如，含有多个载波的局域区间均值不恒定且波动剧烈，以及载波幅度变换剧烈。这在高冲击 加速度和超高冲击加速度的激励测量中极为常见。该类信号的解调给人们提出了巨大的挑 战，在很多情况下无法解调出正确的结果，或者测量准确度非常低。为解决此问题，人们通 常的做法是针对不理想波形数据情况下，重复进行实验，直到获得令人满意的规整测量波 形为止。而超高冲击实验对于传感器等的寿命损伤较大，多次重复进行超高冲击的测试实 验将可能导致传感器损毁，使得计量测试成本激增。
[0005] 因此，人们一直试图寻找出克服该技术难点的解决方案，其中之一就是试图从每 一次冲击实验数据中都能够准确获取解调波形及其特征量值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为解决在超高冲击计量校准和测试中，测量获得的激光多普勒信 号波形质量不佳的问题，提出一种基于残周期解调的差分式激光测冲击方法及装置。其特 点是可以通过不足一个载波周期的部分波形，自适应估计出其瞬时频率、幅度、直流分量等 局域波形特征，从而实现调频信号的解调。通过使用本发明能够使在振荡波形的中值和幅 度均变化剧烈时，呈现剧烈的无规律非平稳特征，克服现有冲击激光测量装置的缺点与不 足。
[0007] 本发明的思想是使用小于一个载波周期的模型段进行正弦参数的最优估计，将小 于一个波形周期的正弦模型在实际测量曲线波形上进行滑动拟合，从而完成差分式激光多 普勒信号的瞬时频率解调，进而获得冲击速度波形和冲击加速度波形。
[0008] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0009] 一种基于残周期解调的差分式激光测冲击的装置，包括激光器、分束棱镜、聚焦透 镜、光栅测量表面、冲击台、反射镜、反射镜、聚焦透镜、光电转换器和数据采集系统；
[0010] 其连接关系为：
[0011] 激光器发出的激光经分束棱镜2 -分为二后，经聚焦透镜聚焦后分别到达光栅测 量表面的衍射光栅上，经光栅测量表面的衍射光栅反射后合束为一束，经反射镜6、反射镜 7反射，到达聚焦透镜产生干涉，最终干涉信号被光电转换器9接收转换成电信号，该电信 号经数据采集系统10进行波形采集，获得信号的采集序列。
[0012] 所述光栅测量表面4米用金属刻蚀光栅。
[0013] 一种基于残周期解调的差分式激光测冲击方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤一、用冲击台5产生冲击激励信号，带动被测量对象的光栅测量表面4的衍射 光栅移动；
[0015] 步骤二、激光器1发出的光束被分束棱镜分为两束，经聚焦透镜以不同的方向聚 焦于测量目标的光栅测量表面上，它们与法线的夹角分别为步和_步，两光束的夹角2步由 所采用的衍射光栅的衍射级数以及所用激光波长按下式（1)确定；
【主权项】
1. 一种基于残周期解调的差分式激光测冲击装置，其特征在于：包括激光器1、分束棱 镜2、聚焦透镜3、光栅测量表面4、冲击台5、反射镜6、反射镜7、聚焦透镜8、光电转换器9 和数据采集系统10 ;激光器1发出的激光经分束棱镜2 -分为二后，经聚焦透镜3聚焦后分 别到达光栅测量表面4的衍射光栅上，经衍射光栅反射后合束为一束，经反射镜6、反射镜7 反射，到达聚焦透镜8产生干涉，最终干涉信号被光电转换器9接收转换成电信号，该电信 号经数据采集系统10进行波形采集，获得信号的采集序列。
2. 根据权利要求1所述的一种基于残周期解调的差分式激光测冲击装置，其特征在 于：所述光栅测量表面4采用金属刻蚀光栅。
3. -种基于残周期解调的差分式激光测冲击方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤一、用冲击台5产生冲击激励信号，带动被测量对象的光栅测量表面4的衍射光栅 移动； 步骤二、激光器1发出的光束被分束棱镜分为两束，经聚焦透镜3以不同的方向聚焦于 测量目标的光栅测量表面4上，它们与法线的夹角分别为！D和-步，两光束的夹角2步由所 采用的衍射光栅的衍射级数以及所用激光波长按下式（1)确定；
⑴ 其中，P、q分别为两路衍射光束所对应的光栅衍射级数，d为光栅栅距，A为激光器1 发出的激光的波长； 步骤三、从激光器1发出的激光经分束棱镜2 -分为二后，经聚焦透镜3分别到达光栅 测量表面4的衍射光栅上，经光栅测量表面4的衍射光栅反射后合束为一束，经反射镜6、反 射镜7反射，到达聚焦透镜8产生干涉，最终干涉信号被光电转换器9接收转换成电信号， 该电信号经数据采集系统10进行波形采集，获得信号的采集序列yi，i= 1，2,…，n，n表示 采集点的数目； 步骤四、用计算机按照本发明下述解调方法，对获取的波形测量数据进行处理 和数字化解调，获得频率解调波形序列：4，A&，......，4&;冲击速度序列 穴，色，......，冲击加速度序列么，毛，......，心；其中M为解调后获得的波 形序列长度；具体过程如下： 1) 在波形采集序列yi前缘截取少于一个载波周期、长度为m:的波形段进行残周期正 弦曲线波形拟合，获得拟合正弦波长度为叫的波形段中心点m/2处的瞬时频率A/i、载波周 期 1/4; 2) 以小于当前点叫/2处一个载波周期长度对应的序列时间长度作为相邻点叫/2+1对 应的下一段拟合序列长度m2，序列中心位置从叫/2处向后移动一个采样点至叫/2+1，在新 的数据段上进行残周期正弦曲线波形拟合，获得相邻点m/2+l对应的瞬时频率、载波 周期1/a/2; 3) 重复执行滑动拟合过程2)，直至波形采集序列终点；此时获得频率解调波形序列： 4/i,￥，,......，4^，该序列即为冲击激光多普勒信号波形的解调波形输出，即是实 际的冲击波形输出。 按照式（2)计筧获得冲击谏度序列倌A，込，.......
(2) 按照式（3)以数值差分方式计算获得冲击加速度序列值七，毛，......,
(3)。
【专利摘要】本发明涉及一种基于残周期解调的差分式激光测冲击方法及装置，属于光电测量技术领域。该发明的思想是使用小于一个载波周期的模型段进行正弦参数的最优估计，然后将估计结果用于差分式激光测冲击数据处理，从而完成激光多普勒信号的瞬时频率解调，进而获得冲击速度波形和冲击加速度波形。本发明所述装置由激光器1、分束棱镜2、聚焦透镜3、测量表面(光栅)4、冲击台5、反射镜6、反射镜7、聚焦透镜8、光电转换器9和数据采集系统10组成。应用本发明方法所述方法及装置进行冲击测量，其时间分辨力高、算法绝对收敛、对于非平稳激光多普勒时域信号具有较强的适应性和鲁棒性，可以方便进行溯源校准。
【IPC分类】G01P3-36, G01P15-16
【公开号】CN104614544
【申请号】CN201510102679
【发明人】梁志国, 朱振宇, 李新良, 张大鹏
【申请人】中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年3月9日