一种基于激光自混合的两振动参数检测方法和装置与流程

本公开涉及振动检测领域，特别涉及一种振动参数检测方法和装置。

背景技术

激光自混合干涉是指激光器输出的光被外部物体反射或散射后，其中一部分光又反馈回激光器的谐振腔。反馈光携带了外部物体的信息，与腔内的光混合后，调制激光器的输出，形成激光自混合干涉。与传统的干涉相比，利用半导体激光自混合干涉对振动源信息的测量具有光路简单、易于准直、结构紧凑等优点。目前对于应用激光自混合干涉进行对振动源的测量受到国内外学者的广大关注和重视，并有很多研究人员已经提出了激光自混合干涉的应用，如基于激光自混合干涉的多普勒测速；根据激光自混合干涉所产生的散斑效应来获取振动源的速度及对目标表面进行分类；运用激光自混合对振动源的微位移和振动进行测量；除此之外还可以对于基本的物理量进行测量；激光自混合干涉还可以应用于三维成像；还有将激光自混合干涉应用的光纤及次声波上等等。

但是现有技术中，基于激光自混合干涉的测量应用，只适用于一路自混合干涉信号，即现有技术具有单一性，不能满足一些需要测量双方向信息的领域。

技术实现要素：

有鉴于此，本公开实施例提出了一种能够方便的检测两个振动对象的振动信息的振动参数检测方法和装置。

根据本公开的第一方面，提供了一种振动参数检测方法，其包括：

基于激光器发射的第一光信号，以及经第一对象和第二对象反射返回的第二光信号，生成自混合干涉信号，所述第一对象和第二对象为振动对象；

对所述自混合干涉信号进行预处理，得到所述自混合干涉信号的频谱信息；

基于所述频谱信息获得所述第一对象和第二对象的振动参数。

在本公开实施例中，所述对所述自混合干涉信号进行预处理，得到所述自混合干涉信号的频谱信息包括：

对所述混合光信号归一化处理；

对归一化处理后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述频谱信息。

在本公开实施例中，所述基于所述频谱信息获得所述第一对象和第二对象的振动参数包括：

利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数；

利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第二对象的振动参数；

其中，第一对象的振动频率范围包括第一频段范围，第二对象的振动频率范围包括第二频段范围。

在本公开实施例中，所述利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数包括：

利用所述第一最大频率值和第一次大频率值之间的第一差值确定所述第一对象的第一振动频率；

基于所述第一振动频率确定所述第一对象的第一振动幅值。

在本公开实施例中，所述利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第一对象的振动参数包括：

利用所述第二最大频率值和第二次大频率值之间的第二差值确定所述第二对象的第二振动频率；

基于所述第二振动频率确定所述第二对象的第二振动幅值。

在本公开实施例的第二方面，提供了一种振动参数检测装置，其包括：

激光器，其配置为基于发射的第一光信号，以及经第一对象和第二对象反射返回的第二光信号，生成自混合干涉信号，所述第一对象和第二对象为振动对象；

预处理模块，其配置为对所述自混合干涉信号进行预处理，得到所述自混合干涉信号的频谱信息，

数据处理模块，其配置为基于所述频谱信息获得所述第一对象和第二对象的振动参数。

在本公开实施例中，所述预处理模块进一步配置为对所述混合光信号归一化处理，对归一化处理后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述频谱信息。

在本公开实施例中，所述数据处理模块进一步配置为利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数；利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第二对象的振动参数；

其中，第一对象的振动频率范围包括第一频段范围，第二对象的振动频率范围包括第二频段范围。

在本公开实施例中，所述数据处理模块进一步配置为利用所述第一最大频率值和第一次大频率值之间的第一差值确定所述第一对象的第一振动频率；并基于所述第一振动频率确定所述第一对象的第一振动幅值。

在本公开实施例中，所述数据处理模块进一步配置为利用所述第二最大频率值和第二次大频率值之间的第二差值确定所述第二对象的第二振动频率；

基于所述第二振动频率确定所述第二对象的第二振动幅值。

本公开实施例，本公开实施例可以通过对从两个振动对象反馈生成的自混合干涉信号进行频域分析，可以方便的得到两个振动对象的振动信息，具有非接触、低成本、便捷等优点；

本公开实施例的技术方案可以开发二维传感器，拓展激光自混合干涉技术的应用领域，该二维传感器可以应用到管道泄露的横纵轴检测上、医学中对人体内结石的多方向同时测量、石油开发中对地下石油进行多方向搜索等多领域方向。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出根据本公开实施例的振动参数检测方法的流程图；

图2示出根据本公开实施例的振动参数检测方法中激光器的配置的结构示意图；

图3示出根据本公开实施例对自混合干涉信号进行预处理的流程图；

图4示出根据本公开实施例的自混合干涉信号的光强度的波形图；

图5示出根据本公开实施例的自混合干涉信号的频谱信息的波形图；

图6示出根据本公开实施例的振动参数检测装置的结构框图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

图1示出根据本公开实施例的振动参数检测方法的流程图，其中，本公开实施例的振动参数检测方法可以包括：

s100：基于激光器发射的第一光信号，以及经第一对象和第二对象反射返回的第二光信号，生成自混合干涉信号，所述第一对象和第二对象为振动对象；

s200：对所述自混合干涉信号进行预处理，得到所述自混合干涉信号的频谱信息；

s300：基于所述频谱信息获得所述第一对象和第二对象的振动参数。

本公开实施例所提供的振动参数检测方法可以对激光器生成的自混合干涉信号进行处理，该自混合干涉信号中可以包括两个振动对象的振动特征信号。图2示出根据本公开实施例的振动参数检测方法中激光器的配置的结构示意图。

其中，激光器10的发光二极管可以生成第一光信号，该第一光信号经激光器内的反光镜r2投射，入射到分光器bs。经bs反射的一部分光束a入射到移动第二对象，由反射后的光束经bs再次反射，最后经反射镜透射，进入激光腔；经bs透射的另一部分光束b入射到移动第一对象，由反射后的光束经bs再次透射，最后经反射镜透射，进入激光腔形成自混合干涉信号，如图4示出根据本公开实施例的自混合干涉信号的光强度的波形图。该光强度信号中可以包括振动对象的振动特征。

在本公开实施例中，设为的透射率，、分别为、的反射率，为到的外腔长度，为到的外腔长度，为bs的透射率，为bs的反射率。如果将与两路反馈外腔结构一起等效成一个反射镜，其等效反射率为，则

其中为反馈光的耦合系数，为的外腔相位，为的外腔相位。存在两路反馈外腔结构的激光腔阈值条件为

如上述所述，在步骤s200中，可以对自混合干涉信号进行预处理得到自混合干涉信号的频谱信息，例如可以通过快速傅里叶变换对自混合干涉信号进行频域分析，得到其频谱信息。或者，在另一实施例中，也可以对自混合干涉信号进行归一化处理后再进行快速傅里叶变化得到频谱信息。

例如，图3示出根据本公开实施例对自混合干涉信号进行预处理的流程图，其中可以包括：

s201：对所述混合光信号归一化处理；

s202：对归一化处理后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述频谱信息。

其中，本公开实施例中可以通过采集卡从激光器10中采样获取自混合干涉信号，其采样频率可以根据数据量的大小、数据处理能力或者其他因素来确定，本领域技术人员可以根据实际情况自行设定，本公开实施对此不进行限制，其中自混合干涉信号的光强可以表示为：

其中，

，，，

），

其中，p为自混合干涉信号的光强，p0为无反馈时的初始光强，和分别为的和振动频率；和分别为和的初始相位；为时间变量；和为激光器端面到外腔目标1（即）和外腔目标2（即）表面之间的距离；和分别为和简谐振动的幅值；、为自混合干涉的条纹可见度。

在本公开的另一实施例中，可以在通过采集卡采样获得采样信号后，对该采样信号进行功率放大处理，并以此获得上述自混合干涉信号。通过该方式可以进一步提高信号强度，从而提高获得的振动参数的精确度，

经步骤s201归一化处理后的自混合干涉信号可以表示为：

。本公开实施例中，对自混合干涉信号p进行归一化的方式可以为多种，例如除以一恒定值，使得归一化后的信号幅值在-1到1之间，或者0到1之间，但本公开实施例对此不进行限制，本领域技术人员可以根据需求通过不同的归一化处理方式对自混合干涉信号进行归一化处理。

在对自混合干涉信号归一化处理后，可以执行步骤s202，即可以对进行频域分析，得到其频谱信息。例如，图5示出根据本公开实施例的自混合干涉信号的频谱信息的波形图。其中，本公开实施例可以对进行傅里叶变换得到其频谱信息，该频谱信息可以表示为：

从而可以得到，各频率分量的模为：

在获得自混合干涉信号的频谱信息后，可以基于该频谱信息获得第一对象和第二对象的振动参数。其中，获得第一振动对象可以包括：

利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数；

利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第二对象的振动参数；

其中，第一对象的振动频率范围包括第一频段范围，第二对象的振动频率范围包括第二频段范围。

如上所述，可以获得自混合干涉信号的各频率分量的模值，其中，本公开实施例中第一振动对象的振动频段可以包括第一频段范围，第二对象的振动频段可以为包括第二频段范围，该第一频段范围和第二频段范围可以不同。对应的，可以获取频谱信息中第一频段范围内的第一最大频率值fnd1+1和第一次大频率值fnd1，即可以获取第一频段范围内最大的两个频率值。同时还可以获取频谱信息中第二频段范围内的第二最大频率值fnd2+1和第二次大频率值fnd2，即可以获取第二频段范围内最大的两个频率值。在获得上述两个频段范围内的最大频率和次大频率值后，可以分别的获取对应的振动对象的振动参数。

其中，利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数可以包括：

利用所述第一最大频率值和第一次大频率值之间的第一差值确定所述第一对象的第一振动频率f1；即

基于所述第一振动频率确定所述第一对象的第一振动幅值a1。

其中，nd1是的第一次大频率值fnd1和f1的比值。

对应的，利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第一对象的振动参数可以包括：

利用所述第二最大频率值和第二次大频率值之间的第二差值确定所述第二对象的第二振动频率f2；

基于所述第二振动频率确定所述第二对象的第二振动幅值a2，

其中，nd2是第二次大频率值fnd2和f2的比值。

通过上述配置，即可以获得第一振动对象的振动频率和振动幅值，以及第二振动对象的振动频率和和振动幅值，以便于对振动对象进行分析。

综上所述，本公开实施例，本公开实施例可以通过对从两个振动对象反馈生成的自混合干涉信号进行频域分析，可以方便的得到两个振动对象的振动信息，具有非接触、低成本、便捷等优点；另外，本公开实施例的技术方案可以开发二维传感器，拓展激光自混合干涉技术的应用领域，该二维传感器可以应用到管道泄露的横纵轴检测上、医学中对人体内结石的多方向同时测量、石油开发中对地下石油进行多方向搜索等多领域方向。

图6示出根据本公开实施例的振动参数检测装置的结构框图，其中，该振动参数检测装置可以应用上述实施例所述的振动参数检测方法。

如图6所示，本公开实施例的振动参数检测装置可以包括：激光器10、分光镜20、预处理模块30、数据处理模块40以及恒流源50。

其中，激光器10可以包括发光二极管ld和光电二极管pd，其中发光二极管ld的波长为650nm，功率为5mw，例如型号可以为ql65d5sa，其中，激光器10内的pd、ld和非球面的平行透镜可以被封装在一起。激光器10可以通过恒流源50驱动发光，恒流源的型号可以为ldc200c。

分光镜20可以设置在激光器发光的一侧，其分光比可以为50:50，可以保证各个均匀分光，从而可以保证每个振动对象的振动参数的精确分析。该分光镜20可以用于将激光器发出的第一光信号分为两束光后分别入射到两个振动对象m1和m2。

具体的，激光器10在恒流源50的恒流驱动下，生成第一光信号，该第一光信号经分光器20分光处理后，一部分光被传输至第一对象m1，另一部分被传输至第二对象m2，该两部分光经第一对象和第二对象反射后经分光镜返回至激光器，形成自混合干涉信号，其中第一对象和第二对象为振动对象。

而后，预处理模块20可以对所述自混合干涉信号进行预处理，得到所述自混合干涉信号的频谱信息，以及数据处理模块30可以基于所述频谱信息获得所述第一对象和第二对象的振动参数。其中，本公开实施例各功能模块的配置可以与上述振动参数检测方法中实施例的说明相同，在此不进行赘述。

在一种可能的实施例中，预处理模块进一步配置为对所述混合光信号归一化处理，对归一化处理后的信号进行快速傅里叶变换，得到所述频谱信息。

在一种可能的实施例中，数据处理模块进一步配置为利用第一频段范围内的第一最大频率值和第一次大频率值获得第一对象的振动参数；利用第二频段范围内的第二最大频率值和第二次大频率值获得第二对象的振动参数；

其中，第一对象的振动频率范围包括第一频段范围，第二对象的振动频率范围包括第二频段范围。

在一种可能的实施例中，所述数据处理模块进一步配置为利用所述第一最大频率值和第一次大频率值之间的第一差值确定所述第一对象的第一振动频率；并基于所述第一振动频率确定所述第一对象的第一振动幅值。

在一种可能的实施例中，所述数据处理模块进一步配置为利用所述第二最大频率值和第二次大频率值之间的第二差值确定所述第二对象的第二振动频率；

基于所述第二振动频率确定所述第二对象的第二振动幅值。

综上所述，本公开实施例，本公开实施例可以通过对从两个振动对象反馈生成的自混合干涉信号进行频域分析，可以方便的得到两个振动对象的振动信息，具有非接触、低成本、便捷等优点；另外，本公开实施例的技术方案可以开发二维传感器，拓展激光自混合干涉技术的应用领域，该二维传感器可以应用到管道泄露的横纵轴检测上、医学中对人体内结石的多方向同时测量、石油开发中对地下石油进行多方向搜索等多领域方向。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。