基于激光自混合散斑干涉的转速测量及信号处理技术研究

来源 :东北石油大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yuxiguang
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光学非接触测量由于其无损耗,高精度等优点被广泛使用,但通过传统方法对目标采取非接触式测量时,测量系统往往伴有装置复杂、光路庞大、信号处理难度大等问题,于是研究人员提出通过分析激光自混合干涉(Self-Mixing Interference,SMI)信号,来实现对目标运动状态参量的测量。其中SMI可描述为一束激光照射到目标表面,目标反射入射光,并反馈回激光腔内,调制激光器的输出,继而通过对SMI信号的分析得到被测目标的运动状态。在以往SMI的研究中,对被测目标表面粗糙度有较高的要求,通常对激光照射到镜面产生的SMI信号进行分析实现测量,而关于被测目标表面为粗糙面的研究较少。针对该问题,本课题将SMI与激光照射到粗糙表面产生的散斑效应相结合,提出基于激光自混合散斑干涉(Self-Mixing Speckle Interference,SMSI)信号的分析,实现被测目标为粗糙表面时的转速测量。本文所提出的转速测量方法均可以降低在SMI领域对被测目标表面粗糙度的要求,实现对随机信号的处理,改进以往信号处理复杂,采样率高,信号需要预处理的问题,并且可以降低成本拓展为新型的转速测量传感器,应用于各行业对转速测量的工程中。本课题的研究主要分为以下四个方面:1.通过对SMI理论以及SMSI理论的分析,推导了等效物理模型法布里—珀罗(F-P)模型,分析被测目标表面对激光调制所产生的相位变化,为基于SMSI的信号处理及转速测量提供理论支撑。2.基于对SMSI的理论分析,提出基于光栅自混合散斑频移的转速测量方法,通过分析SMSI信号的功率谱,提取出当物体运动时产生的SMSI信号频率偏移,实现对粗糙表面目标的转速测量。并提出利用光栅的衍射特性消除测量中光的入射角度对实验结果的影响,降低工作波长波动对测速精度的影响,实现对低转速物体的高精度测量。3.为提高测速范围,实现在低采样率条件下对高转速目标的测量,本课题提出基于互相关激光SMSI的转速测量方法。即利用两个半导体激光二极管(Laser Diode,LD)同时照射被测目标表面,当目标运动时,目标表面的任一点先后经过两激光器,通过互相关算法对两路SMSI信号进行处理,得到该点先后经过两个激光器的时间延迟,结合所经过的路程,得出被测物体转速。该方法可以改进以往高转速测量方法中所需采样率较高的问题,并且不需要对SMSI信号进行预处理,简化了实验过程,能够以低采样率实现对高转速物体的测量。4.提出基于自相关SMSI的转速测量方法,在保留基于互相关SMSI转速测量法的优势下,简化实验系统,只利用一个半导体激光器照射被测目标表面,当目标物体运动一个周期后,采集SMSI信号并对该信号进行自相关运算,得出被测目标转速。
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