一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法
【专利摘要】一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，涉及环境低频大幅度的随机扰动淹没下的纳米级中高频机械振动的幅值测量方法。本发明利用迈克尔逊干涉系统探测被测物体的表面，获得参考光和测量光光程差的调制信号；利用光电探测器接收激光干涉信号，并将光信号转换为干涉电信号；并利用离散傅里叶变换算法对获得干涉电信号进行频率分析，获得幅值序列和频率序列；利用幅值序列和频率序列计算待测纳米级振动的频率fs，确定奇倍频移衰减比Ro、偶倍频移衰减比Re，并利用奇倍频移衰减比Ro和偶倍频移衰减比Re确定特征比R；利用步骤三获得的特征比R，利用插值法计算纳米级振动的振幅As。本发明适用于测量低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅。
【专利说明】一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境低频大幅度的随机扰动淹没下的纳米级中高频机械振动的幅值 测量方法。
【背景技术】
[0002] 工程中常常遇到低频随机扰动下中高频纳米级振动的测量问题，例如水表面声波 振幅的测量。水表面声波由水下声源向外辐射声波产生，这类表面声波振幅的数量级通常 为l(T9m。对于这样微弱的振动，通常采用激光干涉方法来测定，基于相位解调的激光干涉 测量微弱振动的振幅已经被广泛应用在工程中，在系统性能达到理想的情况下，该方法能 够实现0.Inm的分辨力。然而诸如水表面声波这类微弱振动常常淹没在幅度较大的低频 的环境扰动中，这种环境扰动在时间轴上是随机分布的，其幅度和频率都具有随机性，在振 动等直线运动位移测量领域，使用的激光干涉法主要包括三种：第一种是普通的迈克尔逊 干涉法，当被测量的位移为λ/2(λ为激光波长）时两路光束由于光程差能产生一条干涉 条纹，通过对条纹计数即可获得被测位移的大小，然而即使进行倍频和细分，条纹计数法的 分辨力仍然难以满足纳米级振动的检测要求，因此该方法一般用于大幅度低频振动的检测 中；第二种是改进的迈克尔逊干涉法，相对于普通的迈克尔逊干涉法，该方法多了一路正交 的输出，将被测的位移量转化为正交信号相位的变化，提高了位移的分辨力；第三种是外差 式激光干涉方法，其主要特点是在干涉信号中加入了载波信号，便于对干涉信号的放大整 形，该方法通过电路混频或软件方式生成另一路正交信号，具有较高的测量精度，但是价格 较为昂贵。但是上述三种方法对微弱振动振幅的测量精度都比较差。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有激光干涉法测量微弱振动振幅的测量精度差的问题，提出 了一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法。
[0004] 本发明所述一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，该方法基于 迈克尔逊探测系统实现，该系统包括激光器、分光镜、一号角锥棱镜、反射镜、光电接收器和 二号角锥棱镜；
[0005] 激光器所发射的激光经分光镜分开的光束分别入射至一号角锥棱镜和反射镜，经 一号角锥棱镜后返回的光束入射至分光镜，经分光镜后的光束入射至光电接收器的感光面 上，经反射镜后的光束入射至二号角锥棱镜，经二号角锥棱镜返回的光束经反射镜发射后 入射至分光镜，经分光镜后的光束入射至光电接收器的感光面上，所述二号角锥棱镜设置 在被测振动物体的上表面；
[0006] 该方法的具体步骤为：
[0007] 步骤一、利用迈克尔逊干涉系统探测被测物体的表面，获得参考光和测量光光程 差的调制信号；
[0008] 步骤二、利用光电探测器接收激光干涉信号，并将光信号转换为干涉电信号；并利 用离散傅里叶变换算法对获得干涉电信号进行频率分析，获得幅值序列和频率序列；
[0009] 步骤三、利用幅值序列和频率序列计算待测纳米级振动的频率fs和待测纳米级振 动频率4所在频带的半宽，并利用待测纳米级振动频率1所在频带的半宽确定奇倍频移衰 减比R〇、偶倍频移衰减比Re,并利用奇倍频移衰减比Ro和偶倍频移衰减比Re确定特征比 R；
[0010] 步骤四、利用步骤三获得的特征比R，利用插值法计算纳米级振动的振幅As。 toon] 本发明采用迈克尔逊探测系统，通利用离散傅里叶变换算法对获得干涉电信号进 行频率分析，获得幅值序列和频率序列，并利用奇倍频移衰减比Ro和偶倍频移衰减比Re确 定特征比R;采用插值法计算纳米级振动的振幅As，提高了微弱振动振幅的测量精度，且与 现有测量相比提高了 10%。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明所述方法的流程图；
[0013] 图2为迈克尔逊探测系统的原理框图；
[0014] 图3为基于迈克尔逊干涉的水表面声波探测系统的原理框图；
[0015] 图中：标号7为一号反射镜、标号8为衰减片、标号9为四分之一玻片、标号10为 偏振片、标号11为激光器、标号12为立方体半反射镜、标号13为二号反射镜、标号14为窄 带干涉滤光片、标号15为信号发生器、标号16为功率放大器、标号17为扬声器、标号18为 实验水池、标号19为光电接收器、标号20为数据采集及处理系统；
[0016] 图4为具体实施例中采用本发明方法测量水表面声波的振幅干涉信号时域波形 图；
[0017] 图5为具体实施例中对水表面声波干涉信号时间序列做FFT变换频谱分布图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0018] 一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种低频随机 扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，该方法基于迈克尔逊探测系统实现，该系统包 括激光器1、分光镜2、一号角锥棱镜3、反射镜4、光电接收器5和二号角锥棱镜6 ;
[0019] 激光器1所发射的激光经分光镜2分开的光束分别入射至一号角锥棱镜3和反射 镜4,经一号角锥棱镜3返回后的光束入射至分光镜2,经分光镜后的光束入射至光电接收 器5的感光面上，经反射镜4反射后的光束入射至二号角锥棱镜6,经二号角锥棱镜6返回 后的光束经反射镜4发射后入射至分光镜2,经分光镜2后的光束入射至光电接收器5的感 光面上，所述二号角锥棱镜6设置在被测振动物体的上表面；
[0020] 该方法的具体步骤为：
[0021] 步骤一、利用迈克尔逊干涉系统探测被测物体的表面，获得参考光和测量光光程 差的调制信号；
[0022] 步骤二、利用光电探测器接收激光干涉信号，并将光信号转换为干涉电信号；并利 用离散傅里叶变换算法对获得干涉电信号进行频率分析，获得幅值序列和频率序列；
[0023] 步骤三、利用幅值序列和频率序列计算待测纳米级振动的频率fs和待测纳米级振 动频率4所在频带的半宽，并利用待测纳米级振动频率1所在频带的半宽确定奇倍频移衰 减比Ro、偶倍频移衰减比Re,并利用奇倍频移衰减比Ro和偶倍频移衰减比Re确定特征比R；
[0024] 步骤四、利用步骤三获得的特征比R，利用插值法计算纳米级振动的振幅As。
【具体实施方式】 [0025] 二、本实施方式是对一所述的一种低频随机扰动下中 高频振动的纳米级振幅测量方法的进一步说明，步骤一所述的获得参考光和测量光光程差 的调制信号的获得方法为：
[0026] 根据迈克尔逊干涉的基本原理，参考光的振幅分布式：
[0027]Eb(t) =Absin(c〇〇t+kzb+<i)) (I)
[0028] 式中，ω。为参考光角频率，呌=2;r/〇?2;r(f); 2^Γ
[0029] k为波数，々，λ为激光波长；
[0030] Φ为激光束的初始相位；
[0031] 式中Ab为参考光振幅，t为时间，Zb为参考光臂长，c为真空中的光速，f^为激光 束的频率，测量光的振幅分布式：
[0032]Ec(t) =Acsin(co〇t+kzc+<i)) (2)
[0033] 式中，A。测量光振幅，z。测量光臂长；两束光汇合后的合振幅式：
[0034]E(t) =Eb(t)+Ec(t) =Acsin(ω〇t+kzc+Φ)+Absin(ω〇t+kzb+Φ) (3)
[0035] 因此干涉光强式：
[0036] I= |E(t)|2= [A csin(ω0t+kzc+Φ)+Absin(ω0t+kzb+Φ) ]2
[0037] =Ac2Sin2 (ω〇t+kzc+Φ) +Ab2Sin2 (ω〇t+kzb+Φ) +2AcAbsin(ω〇t+kzc+Φ) sin(ω0t+kzb+Φ) (4)
[0038] =Ac2Sin2(ω〇t+kzc+Φ) +Ab2Sin2(ω〇t+kzb+Φ) +AcAbCos(2ω〇t+kzc+kzb+2Φ) +AcAbC os[k(zc-zb)]
[0039] 光强由光电探测器接收，探测器不对前3个高频项响应，即转变为直流信号，因 此，去除直流分量接收到的光强信号式：
[0040]Id=KAcAbCos[k(zc-zb) ]=Adcos[k(zc-zb)] (5)
[0041] 式中，K为光电接收器放大倍率，Id光电流大小、Ad为增益；
[0042] 光电探测器接收的信号是关于参考光和测量光光程差的调制信号，两束激光的光 程差由两个臂的初始长度和被测物体振动幅度有关，光程差Zc;-zb的调制信号表达式： 「00431
【权利要求】
1. 一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，该系统包括激光器（1)、 分光镜（2)、一号角锥棱镜（3)、反射镜（4)、光电接收器（5)和二号角锥棱镜（6); 激光器（1)所发射的激光经分光镜（2)分开的光束分别入射至一号角锥棱镜（3)和反 射镜（4)，经一号角锥棱镜（3)后返回的光束入射至分光镜（2)，经分光镜后的光束入射至 光电接收器（5)的感光面上，经反射镜（4)后的光束入射至二号角锥棱镜（6)，经二号角锥 棱镜（6)返回的光束经反射镜（4)发射后入射至分光镜（2)，经分光镜（2)后的光束入射至 光电接收器（5)的感光面上，所述二号角锥棱镜（6)设置在被测振动物体的上表面； 该方法的具体步骤为： 步骤一、利用迈克尔逊干涉系统探测被测物体的表面，获得参考光和测量光光程差的 调制信号； 步骤二、利用光电探测器接收激光干涉信号，并将光信号转换为干涉电信号；并利用离 散傅里叶变换算法对获得干涉电信号进行频率分析，获得幅值序列和频率序列； 步骤三、利用幅值序列和频率序列计算待测纳米级振动的频率fs和待测纳米级振动频 率仁所在频带的半宽，并利用待测纳米级振动频率fjf在频带的半宽确定奇倍频移衰减比 R〇、偶倍频移衰减比Re，并利用奇倍频移衰减比R〇和偶倍频移衰减比Re确定特征比R; 步骤四、利用步骤三获得的特征比R，利用插值法计算纳米级振动的振幅As。
2. 根据权利要求1所述的一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，其 特征在于，步骤一所述的获得参考光和测量光光程差的调制信号的获得方法为： 根据迈克尔逊干涉的基本原理，参考光的振幅分布式：
光强由光电探测器接收，探测器不对前3个高频项响应，即转变为直流信号，因此，去 除直流分量接收到的光强信号式：
特征在于，步骤三中所述的根据步骤二获得干涉电信号，计算待测纳米级振动频率fs所在 频带的半宽，并利用待测纳米级振动频率fs所在频带的半宽确定奇倍频移衰减比R〇、偶倍 频移衰减比Re，并利用奇倍频移衰减比Ro和偶倍频移衰减比Re确定特征比R的方法为：
采用插值的方法计算有限个As在从0到120nm内的R值，采用利用一维多项式插值方 法得到未知R值对应的As的大小。
6.根据权利要求1所述的一种低频随机扰动下中高频振动的纳米级振幅测量方法，其 特征在于，步骤三所述利用幅值序列和频率序列计算待测纳米级振动的频率fs的方法为： 针对步骤二中所述的幅值序列，设定幅值的阈值，提取出连续大于该阈值的幅值所对应的 频率带，忽略低频段内的频率带，提取出位于中高频段的频率带，该频率带的中心即为待测 频纳米级振动的频率fs。
【文档编号】G01H9/00GK104483009SQ201410788980
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】张晓琳, 张烈山, 唐文彦, 王军 申请人:哈尔滨工业大学