高速高精度实时相位式激光测距系统

为解决工业现场测量对高速实时精密测距的需求,设计并搭建了一套高速高精度的激光测距系统。系统采用双测尺同时调制的激光光源以及双路信号同步探测的信号处理技术,提高了系统测量速度以满足高速测距的需求;分析验证了欠采样方法应用于的高频信号测鉴相的有效性,基于欠采样可有效降低了鉴相处理电路的复杂度。采用201 MHz+3 MHz的双测尺调制光源及40 MHz的采样频率,结合收发光学系统及信号解算电路,搭建了高速激光测距系统;进行了激光测距系统的测量速度和测量精度实验。实验结果表明,该测量系统的测量速度可达62次/s,测距精度可达±0.2mm。该系统具有高速高精度的实时测量性能,可用于高精度激光扫描仪、动态跟踪测量等高速测距系统。     

基于马赫增德尔调制器的相位式激光测距

为了提高相位式激光测距的精度,提出以马赫增德尔调制器作为外调制器,提高调制频率以提高测距分辨率。介绍了射频相位式激光测距试验装置的组成,该系统以小数分频锁相环产生1.5 GHz左右正弦调制信号,采用马赫增德尔调制器对光波进行强度调制,并以差分式测量的方法抵消温度引起的相位差漂移,将信号下变频后按相关法计算相位差。试验表明,由光电探测器噪声和电路噪声引起的相位差漂移小于0.15°,该测距装置的测距误差在±0.05 mm以内。     

相位法激光测距接收系统

相位法激光测距作为一种高精度的测距方法,在很多领域中得到广泛应用,在激光调制频率一定的情况下,测距速度和精度取决于相位差测量的速度和精度,并受信号串扰等因素的影响。基于此,提出了一种新的相位差放大测量的方法,在不增加测量时间的同时将测相精度提高1/N倍,并结合欠采样技术避免了混频器和其他多余器件的使用,减小了串扰对系统的影响;高频弱光信号入射到雪崩光电二极管上,会在输出信号上产生相位延迟导致测距误差,我们提出灵活控制加在雪崩光电二极管上的反向偏压的方法减小该相位延迟,对于调制频率为18.5MHz波长为650nm的激光,当入射光强度为0.5uW时,可将相位延迟从1.4度 压缩到0.03度 之内;建立了信号串扰产生测相误差的数学模型,并通过实验给出了采取不同屏蔽措施时串扰对测相误差的影响。实验结果证明,当调制频率为18.5MHz时,测相精度为0.014度 ,相应测距精度可达0.3mm 。     

高频相位式激光测距频率源分析与改进

为优化相位式激光测距的频率源设计,提高测距准确度,通过建立频率源的相位噪声和频差在电路中的传递模型,分析二者对测量误差的影响程度,得出频差是影响测距误差的主要因素,提出通过混频器改进锁相环频率源的方法.该方法采用混频器替代传统锁相环反馈同路的分频器,缩短锁相环的锁定时间,从而提高相位式激光测量的准确度.实验结果表明,在测量频率达每秒百万次时,改进后频率源引起的误差降低了39％,该方法能有效提高相位式激光测量性能.     

飞秒激光频域干涉测距相位信号分析与处理

针对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号,分析了被测距离精度对于相位信息采集与处理要求,详细介绍了光谱分辨干涉测距的数据处理过程。根据测距信号干涉谱的数学关系,推导了被测距离求解公式。采用快速傅里叶变换和坐标旋转数字计算法进行光谱分辨干涉信号处理,经过时域信号的傅里叶变换、信号相位解包裹、加窗函数时域信号滤波等环节,分别对飞秒激光测距频谱干涉条纹信号中每个频率的相位值进行处理和变换。系统仿真中,离散频谱分析的幅值最大误差从36.3%降低到15.1%。经过比对实验,该法能实现飞秒激光测距信号有效处理。     

正交调制降频相位式激光测距

为了提高激光测距的精度与稳定性,通过改良传统相位激光测距仪,设计了新型正交调制降频与最小二乘法解相位的相位式激光测距仪。使用反射镜实现内外测距光路,通过正交调制技术对发射激光进行幅度调制,接收模块接收到的回波信号经过混频器后再经过低通滤波器将回波信号降频,降低解相难度并提升解相精度。改用分时测量得到距离相位从而消除二次混频方法所产生的附加相移,分别对内外光路低频回波信号采样进行模数转换后使用最小二乘法求解相位。采用多频率调制测量兼顾激光测距范围与测量精度,最后通过超定方程解模糊算法求解多频测距的待测距离。在国家标准基线上进行样机测试,实验结果表明,在60m量程内正交调制激光测距仪的测量平均误差控制在1.5mm以内,测距量程内标准差保持在0.9mm以内。     

高速齿轮动态传动误差的希尔伯特-黄变换分析

高速齿轮传动误差测量与分析是一个急需解决的难题。通过构建动态传动误差测量系统,测得高速齿轮动态传动误差曲线,并将希尔伯特-黄变换(HHT)应用于高速齿轮动态传动误差信号分析,自适应得到高速齿轮动态传动误差信号不同频率成分的固有模态函数,分离出轴频分量和齿频分量,获得动态传动误差希尔伯特谱。为了验证HHT的可行性与正确性,利用快速傅立叶变换(FFT)对相同的传动误差信号进行频谱分析。结果表明:HHT在高速齿轮动态传动误差信号的分频、滤波方面都具有优越性;相比FFT,希尔伯特-黄变换能够很好的提取信号的高频特征,将传动误差信号各成分分离,分析结果更加精确。     

高频相位激光测距系统的高精度鉴相

相位测距是一种非常重要的绝对测距手段,是大尺寸精密测量的重要保障。提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。针对高性能器件的最大采样频率总是受限,难以满足高调制频率采样的难题,分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性,同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（allphase Fast Fourier Transform,apFFT）提高鉴相精度的优势。在此基础上,提出“欠采样+apFFT”的方法,并构建了激光相位测距的鉴相系统。当调制频率为201 MHz,欠采样频率为100 MHz时,系统鉴相精度高于±0.04°,对应的测距精度为±0.08 mm。实验结果表明,基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势,在科学研究与工程应用中具有重要价值。     

激光测距与光速测量实验方法研究

本文给出了采用相位式进行激光测距的实验原理,根据相位式激光测距原理提出了一种激光测距实验方法。在此基础上,通过对实验方法的调整,同时实现了对光速的测量,并对距离测量和光速测量测量的结果进行了误差分析。     

一种轴扭转变形动态测量系统的设计及实现

设计并实现了一种以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的相位差式的扭转变形动态测量系统。该系统以反射式激光测头和制作在旋转轴上的色标带构成敏感转速和作用扭矩的色标传感器,输出信号为脉冲和相位差。此外,以FPGA为核心构建了专用的鉴相、周期及相位脉宽测量模块。仿真、现场标定和实际测试表明,在0~2000N.m量程范围内,系统的综合测量精度小于0.5%满量程,能有效解决恶劣条件下高速转轴扭转角、扭矩及功率等动态测量问题。     

Note: Intensity control of a phase-shift based laser scanner for reducing distance errors caused by varying surface reflectivity

In the phase-shift measurement method, the distance traveled by light can be obtained on the basis of the phase difference between the reference signal and the measured signal. When a different colored object is measured, the intensity of the measured signal varies greatly, even at the same distance, which causes a different phase delay owing to the wide dynamic range input into the signal processing circuit. In this study, an intensity control method is proposed to solve this phase delay problem.     

基于希尔伯特变换的核电站松动部件定位方法

针对当前的核电站松动部件定位方法在估算信号到达时间差时存在起始点难以准确判定、误差大、抗噪声性能差的缺点,提出一种基于希尔伯特变换的时间差估计方法,从而根据时间差估算松动部件位置实现定位。希尔伯特变换可提取信号轮廓线,以轮廓线的第一个峰值到达时间作为能量最大弯曲波到达传感器的时间;分析信号的主频率可以计算出弯曲波的传播速度,根据波速和信号到达不同传感器之间的时间差使用三角形定位法实现松动部件的定位分析。搭建平板试验台,在不同信噪比条件下和不同方法之间进行对比试验,结果显示这种方法的平均估计偏差为34.1 mm,在信噪比为1 dB时仍然能够得到比较准确的结果,具有定位精度高、抗噪声性能好、运算速度快等特点。     

基于高分辨率谱估计的早期转子断条故障诊断

以快速傅里叶变换(FFT)为基础的电机电流信号特征分析(MCSA)具有频率分辨率低的固有缺陷,从而严重影响了鼠笼电机早期转子断条故障的诊断性能。为解决这一问题,提出基于高分辨率谱估计的早期转子断条故障诊断方法。首先利用Hilbert变换和离散小波变换对单相定子电流信号预处理,然后采用扩展Prony算法对预处理后的信号进行定性/定量分析。运用该方法对不同故障严重程度、不同负载条件下的3 k W电机稳态定子电流信号进行分析,并与FFT分析结果做对比。实验结果表明,即使在短时数据条件下所提方法仍然能够准确诊断出早期转子断条故障,验证了该方法的有效性和优越性。     

基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法

科氏流量计相位差估计方法存在计算量较大、计算复杂、实时性和计算精度较差等问题,已不能满足复杂环境高精度流量测量领域的需求。为此,提出一种基于相关和Hilbert变换的科氏流量计相位差估计方法。首先,采用快速傅里叶变换(FFT)对传感器信号进行频率预估计,对信号是否整周期进行判断,对非整周期的信号进行数据延拓处理;然后,对任一路传感器信号进行自相关运算得到一路同频参考信号;对3路同频信号进行Hilbert变换,将3路变换后的信号与变换前信号进行相关运算,再利用三角函数公式即可求出相位差。与原有方法相比,所提方法克服了非整周期采样的影响,实时性、动态性更强,相位差估计精度更高,仿真分析与实测结果均证实了所提方法的有效性和优越性。     

基于卡尔曼滤波算法的光谱共焦测量精度的提升方法

为减少待测物体位置变化时光谱系统受到的噪声干扰以及峰值定位误差,基于卡尔曼滤波算法原理,提出一种将Voigt寻峰定位的结果作为观测误差并进行最优估计来提升共焦系统测量精度的方法。先进行标定实验,确定光谱共焦系统的测量范围及精度;再依次对比中值滤波、Savitzky-Golay滤波以及快速傅里叶变换滤波等对光谱信号去噪的处理情况,并选用高斯、洛伦兹以及Voigt拟合等方法寻峰定位。同时,分析了Voigt拟合中的峰值提取、高斯宽度、洛伦兹宽度以及幅值误差对拟合精度的影响。实验结果表明,系统的测量范围可达3 mm,中心光斑半径增大了近1.79倍,采用卡尔曼滤波算法能够降低系统中的噪声引起的定位误差且系统精度能够提升11倍,满足高精度的测量需求。     

Research on iterated Hilbert transform and its application in mechanical fault diagnosis

Multicomponent AM–FM demodulation is an available method for machinery fault vibration signal analysis, so a new method for mechanical fault diagnosis based on iterated Hilbert transform (IHT) is proposed. The principle of computing the asymptotically exact multicomponent sinusoidal model for an arbitrary signal by iterating Hilbert transform is introduced, and some properties of IHT are analyzed. Theoretical analysis for the generic two-component signal shows that there are limitations in the direct estimation of instantaneous frequencies via the phase signals of the previously obtained model. Therefore, a smoothed instantaneous frequency estimation (SIFE) method based on difference operator and zero-phase digital low-pass filtering is proposed, and then the accuracy and validity of this method have been proved by the simulation results. The analysis results of the mechanical fault signals show that the weak features of these signals can be efficiently extracted with the proposed approach.     

Phase-measuring algorithm to suppress inner reflection of transparent parallel plate in wavelength tuning Fizeau interferometer

Optical thickness variation is a fundamental characteristic of transparent optical devices. When measuring this variation by using a wavelength-tuning Fizeau interferometer, the measurement accuracy depends on the phase-shifting algorithm being used. Therefore, the phase-shifting algorithm should compensate for any errors incurred during the measurement, including the phase-shift error, coupling errors, and bias modulation of intensity. Among these errors, however, the coupling errors between the higher harmonics resulting from the inner reflections of the transparent plate and phase-shift error have not previously been considered. This paper presents a derivation of a 19-sample phase-shifting algorithm that can compensate for the miscalibration and 1st-order nonlinearity of the phase shift, coupling errors, and bias modulation of intensity during wavelength tuning. The characteristics of the 19-sample algorithm were estimated with respect to the Fourier representation in the frequency domain. The phase error of measurements performed using the 19-sample algorithm was discussed and compared with that of measurements obtained using other conventional phase-shifting algorithms. Finally, the optical thickness variation of a fused silica parallel plate was obtained using a wavelength-tuning Fizeau interferometer and the 19-sample algorithm. The measurement accuracy was discussed by comparing the ripples in the crosstalk noise with those calculated using other phase-shifting algorithms. The experimental results indicated that the optical thickness variation measurement accuracy for the fused silica plate was approximately 2 nm.     

一种远程非同步的工频信号相位差测量方法

该方法采用非整数谐波分析算法抑制长范围和短范围频谱泄漏,引入220 V市电信号作为参考信号实现相位差的远程测量和非同步测量,通过牛顿迭代初相计算方法精确计算类正弦信号的初相和相位差。仿真实验和工程应用证明:本文方法可以在±1%频率漂移范围内远程非同步地精确测量正弦和类正弦信号的相位差,具有较高的工程应用价值。