基于主频阶次的两路外腔激光自混合振动测量与信号处理

【摘要】：激光自混合干涉振动测量技术因其结构简单、易准直、成本低等优势而被广泛地应用。当激光器发出的光一部分被外部物体反射或者散射后,反馈的光会和激光谐振腔内的光进行耦合,此耦合光会影响输出功率和输出频率,从而形成激光自混合干涉。因此为了进行振动测量需要对携带了外部物体振动信息的自混合信号进行数据处理,近几年,研究者们提出了很多基于激光自混合干涉振动测量的数据处理方法,但这些方法都是基于单通道测量环境的,只有重复进行两次同样的测量才能满足双通道测量或多维测量的情况,这在结构和处理方法上都是冗余的。针对这一问题,本文提出了两路外腔激光自混合干涉模型,并基于该模型运用改进的主频阶次算法对两个振动物体的振动信息进行同时测量,其具有结构简单、抗干扰能力强等优点。首先,根据传统的激光自混合干涉理论,利用三镜腔模型以及等效替代的方法对两路外腔激光自混合干涉模型进行理论分析和数学公式推导,最终得到其功率方程和频率方程。通过对两路外腔激光自混合和传统激光自混合的功率方程的对比,得出在弱反馈条件下,两路外腔的混合信号相当于两个物体振动的自混合信号的叠加。其次,对两路外腔激光自混合干涉模型进行时域和频域验证。通过傅里叶变换对两路外腔激光自混合干涉信号进行频谱分析,可以得到该频谱中包含两个物体的振动信息,并且当两个振动的频率差值足够大时,可以在频谱中清晰地搜索到两个物体的振动频率值。接着通过数值仿真和搭建实验验证了该结论的准确性。然后,为了达到同时对两个振动物体进行振动信息测量的目的,本文提出了改进的主频阶次算法。该算法通过在频谱中搜索主频的方法得到振动频率,再通过利用一类贝塞尔函数的性质得到振动幅值,相比传统主频阶次方法不仅适用范围广且具有更好的抗噪性,解决了传统主频阶次算法需要搜索基频的缺点,使其能有效地用于激光自混合的双通道振动测量上。最后,基于两路外腔激光自混合干涉模型,利用改进的主频阶次算法进行双通道测量。通过数值仿真和搭建实验验证该方法只用一个半导体激光器、一个光电探测器就可以同时对两个物体的振动信息进行测量。