CN104776907A - 一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法。现有无法实现振动信息无损遥测。本发明基于多点激光散斑原理和极值跟踪技术，多光强峰值激光束照射到被检测区域，被检测区域发生多点激光散射效应，多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，基于电路进行信号放大、去噪、信息差分和比较、得到光信息极值位置演化轨迹，分析模块得到振动频率特性和振幅信息。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成等特点。

Description

一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种振动检测方法，特别是一种基于基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，主要应用于振动监测、噪声分析、语音采集、工程测试、危险评估、环境感知、质量检测、环境监测、资源勘探、生物生命、医学医疗、过程控制、国防安全、物联网、过程控制、先进制造等领中的振动监测。

背景技术

振动是指物体的全部或一部分沿直线或曲线往返出颤动，具有一定的时间规律或周期，广义上振动还包括声学和音频领域中的研究工程内容。振动检测广泛存在于振动监测、噪声分析、语音采集、工程测试、危险评估、环境感知、质量检测、环境监测、资源勘探、生物生命、医学医疗、过程控制、国防安全、物联网、过程控制、先进制造等领，并且对振动检测的要求也越来越高。在先技术中存在振动信息检测方法，一种压电振动传感器，（参见美国专利，专利名称：Piezoelectric vibration sensor，发明人：Orten Birger，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2008年05月06日），虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足，1）采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测；2）由于压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性；3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量〉，又限制了频率检测应用范围；4）在先振动检测系统构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用广发、功能易于扩充、便于集成等特点。

本发明的基本构思是：基于多点激光散斑原理和极值跟踪技术，多光强峰值激光束照射到被检测区域，被检测区域发生多点激光散射效应，多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，每一个光学通道与一个光学波导相连接，光学波导的另一端与光电传感器相连接实现每个光学通道的光电转换，基于电路进行信号放大、去噪、信息差分和比较、得到光信息极值位置演化轨迹，分析模块得到振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块进行振动信息输出。

本发明的一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其具体的技术方案如下：

步骤(1) 多光强峰值激光光源出射光束为多光强峰值的激光束，多光强峰值的激光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；

步骤(2) 激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，通过多点激光散射效应，形成激光散射传输光场向外传播；

步骤(3) 激光散射传输光场向外传播的多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，光学微通道板的每一个光学通道与一个光学波导相连接，光学波导的另一端与光电传感器相连接实现每个光学通道的光电转换；

步骤(4) 光电转换得到的光电转换信息通过信号放大和去噪声模块对每一个光学通道光电信息的信号放大和去噪声，然后利用电路差分比较模块进行所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录；

步骤(5)电路差分比较模块输出的所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录结果通过光信息极值位置演化轨迹模块，分析得到光信息极值位置时域信息，分析模块得到振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块进行振动信息输出。

所述的激光光源为谐振腔内调节高阶激光光场出射的激光器、腔外调制非本征模式多光强峰值光场出射的激光器中的一种。

所述的腔外调制非本征模式多光强峰值光场出射的激光器由激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器或半导体激光器中的一种与腔外激光调节模块结合构成。

所述的光束调整部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、声光调制器、电光调制器、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

所述的离焦光学成像系统为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管、光电三极管、雪崩管、光电倍增管的中一种。

本发明中散斑原理、图像处理技术、光学微通道板、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于多点激光散斑原理和极值跟踪技术，给出一种无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用广发、功能易于扩充、便于集成的基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术采用压电原理进行振动检测，基于压电材料制作成振动传感器，然后振动传感器与被检测物进行接触感知振动信息，因此本质上无法实现远距离振动遥测。本发明基于多点激光散斑原理和极值跟踪技术，多光强峰值激光束照射到被检测区域，被检测区域发生多点激光散射效应，多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，进而被光电探测器探测，通过分析得到振动信息，本发明充分发挥了多点激光散斑原理和成像远距离工作特性，故具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度等特点；

2）由于在先技术中压电振动传感器与被检测物存在近距离相互所用，被检测物以及所处环境会影响压电振动传感过程，影响影响检测结果的正确性和灵敏度，进而影响振动检测过程的可靠性。本发明本质上为激光散斑遥测原理，本质上避免了与被检测物的直接接触，并且光学检测原理受外界环境影响小，同时，基于电路进行信号放大、去噪、信息差分和比较、所以具有可靠性高、抗干扰能力强、被检测物形态和物质多样、信息量高等特点；

3）由于压电材料以及基于压电材料制作成的振动传感器存在自身本质机械频率特性，固有频率特性限制了振动信息检测的频率响应行为，既影响振动检测信息量，又限制了频率检测应用范围。本发明中，基于电路进行光信息极值位置演化轨迹分析，分析模块得到振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块进行振动信息输出，本发明频率特性不受限于器件机械性质，并且光电信号处理速度快、频率范围广，进一步增加了信息量；

4）在先振动检测系统构建复杂、使用不便利、功能不容易扩充。本发明采用多点散斑光电遥测原理和光波导技术，并且信号分析基于硬件电路进行处理，使得本发明的基于激光散斑行为的振动信息检测方法具有结构简洁、构建灵活、使用特便利、应用范围广、功能易于扩充、便于集成等特点。

附图说明

图1为本发明的一种实施例结构示意图。

具体实施方式

    下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

    如图1所示，一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法的实施例，基于多点激光散斑原理和极值跟踪技术，多光强峰值激光束照射到被检测区域，被检测区域发生多点激光散射效应，多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，基于电路进行信号放大、去噪、信息差分和比较、得到光信息极值位置演化轨迹，分析模块分析振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块进行振动信息输出。

本实施例的具体实现步骤为：

步骤(1) 多光强峰值激光光源1出射光束为多光强峰值的激光束，多光强峰值的激光束的光路上设置有光束调整部件2，光束调整部件2调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；本实施例中,激光光源1为谐振腔内调节高阶激光光场出射的激光器，输出波长为632.8纳米波长的氦氖气体激光器，输出光束为高级Ince光束，光束调整部件2采用透镜光束整形部件；

步骤(2) 激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面3，激光光束在光学界面3处被散射，多点激光散射效应，形成激光散射传输光场向外传播；本实施例中, 被检测区域存在光学界面3为8米远处的纸张；

步骤(3) 在离焦光学成像系统4的像空间设置有光学微通道板5，将用散斑离焦像传出，每一个光学通道与一个光学波导相连接，光学微通道板5与光学波导束6相连接，光学波导束6的每个光学波导的另一端与光电传感器相连接实现每个光学通道的光电转换，光学波导束6的另一端所有的光电传感器构成了光电传感器阵列7；本实施例中, 离焦光学成像系统4为折射式光学成像，光学微通道板5采用玻璃光学微通道板，光学波导束6采用光纤束，光电传感器阵列7采用光电二极管阵列；

步骤(4) 光电转换信息通过信号放大和去噪声模块8，基于电路硬件系统进行每一个光学通道光电信息的信号放大和去噪声，然后利用电路差分比较模块9进行所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录；

步骤(5) 光信息极值位置演化轨迹模块10通过分析电路差分比较模块9输出的所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录结果，分析得到光信息极值位置时域信息，分析模块11得到振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块12进行振动信息输出。

本实施例成功实现了8米远处的纸张振动信息遥测。本发明具有无接触检测、无损检测、可以实现遥测、高灵敏度、可靠性高、抗干扰能力强、频率响应特性宽、信息量高、系统易于构建、使用便利、应用广泛、功能易于扩充、便于集成等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1. 一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤(1) 多光强峰值激光光源出射光束为多光强峰值的激光束，多光强峰值的激光束的光路上设置有光束调整部件，光束调整部件调节光束参数或传播特性，达到测量用激光光束和传播方向；

步骤(2) 激光光束照射到被检测区域，被检测区域存在光学界面，激光光束在光学界面处被散射，通过多点激光散射效应，形成激光散射传输光场向外传播；

步骤(3) 激光散射传输光场向外传播的多点激光散斑经过离焦光学成像系统进行成像，在离焦光学成像系统的像空间设置有光学微通道板，将用散斑离焦像传出，光学微通道板的每一个光学通道与一个光学波导相连接，光学波导的另一端与光电传感器相连接实现每个光学通道的光电转换；

步骤(4) 光电转换得到的光电转换信息通过信号放大和去噪声模块对每一个光学通道光电信息的信号放大和去噪声，然后利用电路差分比较模块进行所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录；

步骤(5)电路差分比较模块输出的所有光学通道光电信息的差分、比较和位置记录结果通过光信息极值位置演化轨迹模块，分析得到光信息极值位置时域信息，分析模块得到振动频率特性和振幅信息，通过信息返演输出模块进行振动信息输出。

2.如权利要求1所述的一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其特征在于：所述的激光光源为谐振腔内调节高阶激光光场出射的激光器或腔外调制非本征模式多光强峰值光场出射的激光器。

3.如权利要求2所述的腔外调制非本征模式多光强峰值光场出射的激光器，其特征在于：所述的腔外调制非本征模式多光强峰值光场出射的激光器由激光二极管、二极管激光器、气体激光器、固态激光器、染料激光器或半导体激光器中的一种与腔外激光调节模块结合构成。

4.如权利要求1所述的一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其特征在于：所述的光束调整部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、声光调制器、电光调制器、液晶光束调整部件、微纳结构光束调整部件中的一种。

5.如权利要求1所述的一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其特征在于：所述的离焦光学成像系统为折射式光学成像系统、反射式光学成像系统、混合式光学成像系统中的一种。

6.如权利要求1所述的一种基于多点激光散斑极值跟踪的振动检测方法，其特征在于：所述的光电传感器为光电二极管、光电三极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。