劉 建，馮國英，谷曉彬，羅 韻，周壽桓，2

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，四川 成都610065;2.華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

激光外差振動測量技術(shù)是一種基于多普勒效應(yīng)的激光相干探測手段，具有非接觸、靈敏度高、作用距離遠(yuǎn)等眾多的優(yōu)點，在科研與工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用［1－4］，如水下聲光通信［5－6］、微弱超聲振動信號檢測［7］、爆炸沖擊測量［8］、語音信號實時獲取與復(fù)原［9］、固體發(fā)動機(jī)振動測量［10－11］、耦合振動檢測［12］、車輛識別［13］、微納結(jié)構(gòu)體振動測量［14］、聲致振動檢測［15］、電子器件表面振動測量［16］等。在激光外差干涉系統(tǒng)中，需要在參考光或者信號光中引入一定的頻率偏移量，使得兩光束之間存在一個頻率差，從而在探測器光敏面處發(fā)生混頻干涉后形成一個中頻信號作為載波［3－4］。常用的頻移引入方法有波片旋轉(zhuǎn)法［17］、雙頻激光器法［18］以及聲光調(diào)制器法［19］等。其中，聲光移頻法基于聲光效應(yīng)，具有衍射效率高、頻移量可調(diào)、性能穩(wěn)定等特點［20－21］?；诖?，設(shè)計并搭建了基于聲光移頻式激光外差多普勒振動測量系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)對于振動源振幅和頻率變化的響應(yīng)做了驗證性實驗，最后探究了其在小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測中的應(yīng)用。

2 聲光式外差振動測量系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計并搭建的聲光移頻式的光外差振動測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，主要由光路、信號處理兩部分組成。如圖1所示，光路部分由分別作為分束鏡和合束鏡的分光鏡BS1、BS2，偏振分光棱鏡PBS，聚焦透鏡L1、L2，二分之一波片(633 nm)HWP1、HWP2，高反射率透鏡 M，四分之一波片(633 nm)QWP以及聲光移頻器AOM等組成;信號處理部分主要由放大器、混頻器、自動增益控制器(AGC)和鎖相環(huán)(PLL)等組成。

激光器出射光為線偏振光，頻率為f0，經(jīng)過擴(kuò)束器擴(kuò)束準(zhǔn)直后在BS1處分為反射光和透射光，分別進(jìn)入?yún)⒖脊饴泛托盘柟饴?。在參考光路中，光束?jīng)HWP1透射、M反射進(jìn)入AOM發(fā)生衍射，輸出0級光和1級光，1級光相比于入射光發(fā)生80 MHz頻移，頻率變?yōu)閒0+fAOM，取該一級光作為參考光。參考光經(jīng)L1聚焦、BS2反射后落在探測器表面。其中，HWP1被用來調(diào)節(jié)參考光偏振方向以達(dá)到和信號光偏振匹配。在信號光路中，首先，光束經(jīng)過HWP2后偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。設(shè)置合理的HWP2角度，使得光束經(jīng)過PBS時發(fā)生完全透射;隨后該光束經(jīng)由QWP照射在振動源表面后反射，該反射光中攜帶有由振動引入的多普勒頻移 fd=2v/λ［3－4］，從而頻率變?yōu)閒0+fd。設(shè)置合適的QWP快軸角度，使得反射光二次經(jīng)過QWP后偏振態(tài)發(fā)生90°偏轉(zhuǎn)，從而再次經(jīng)過PBS時發(fā)生完全反射，這一設(shè)計提高了光能利用率，該反射光作為信號光;最后，信號光經(jīng)過L2聚焦、BS2透射后落在探測器表面。信號光和參考光在探測器光敏面處發(fā)生混頻干涉，輸出帶有振動信息的拍頻信號，頻率為fd－fAOM，隨后該信號進(jìn)入信號處理部分進(jìn)行振動信息解調(diào)，下面將對該解調(diào)過程進(jìn)行詳細(xì)描述。

圖1 激光外差振動測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser heterodyne vibration measurement system

在信號處理部分，利用鎖相環(huán)對拍頻信號進(jìn)行鑒相處理。相位是頻率變化對時間的積分，兩者可相互轉(zhuǎn)換，因此我們以相位調(diào)制信號來表示拍頻信號。假設(shè)表面振動位移為u(t)，則此時拍頻信號可表示為:

其中，Is和Il分別為信號光和本振光的直流分量;φ為相位差。fAOM=80 MHz，為聲光移頻器頻移量。由式(1)可知，拍頻信號為載頻為80 MHz的相位調(diào)制信號，其振幅與參考光和信號光強度相關(guān)。

為了便于后續(xù)處理，探測器輸出拍頻信號經(jīng)過放大器放大后進(jìn)行混頻降頻處理。利用一有源晶振產(chǎn)生84 MHz正弦波作為參考信號，與拍頻信號進(jìn)行混頻，取其差頻部分，則此時拍頻信號載頻變?yōu)? MHz;隨后，該降頻信號進(jìn)入AGC模塊。該模塊可使得拍頻信號幅值始終保持在一定范圍內(nèi)，從而滿足后續(xù)PLL解調(diào)電路要求;最后，利用PLL進(jìn)行鑒相處理，輸出與拍頻信號相位變化成正比的電信號，也即為與u(t)成正比，可表示為:

其中，k為一比例常數(shù)。這樣，通過放大、混頻降頻、AGC控制、鎖相環(huán)鑒相即完成了振動信息的解調(diào)。

在本系統(tǒng)中，所用光源為He－Ne激光器，型號為 DH－HN250P，中心波長為632.8 nm，功率約為3.2 mW。AOM工作波長為632.8 nm，中心頻率為80 MHz。光電探測器選用的是Thorlabs公司型號為PDA10A－EC的硅光電探測器，其波長響應(yīng)范圍為200～1100 nm，帶寬為150 MHz。BS1、BS2為5∶5消偏振分光棱鏡，PBS為單波長偏振分光棱鏡(633 nm)，型號為GCC－4020，消光比大于1000∶1。L1、L2均為焦距為300 mm 的雙膠合透鏡，可變光闌A1、A2用來調(diào)節(jié)光斑大小以及濾除雜散光，以提高系統(tǒng)信噪比。隔離器用以隔離系統(tǒng)散射光進(jìn)入激光器以提高光源穩(wěn)定性。如圖2所示，所用振動源為一揚聲器，利用信號發(fā)生器對其進(jìn)行可變振幅、頻率驅(qū)動。揚聲器發(fā)出的聲音信號作用在玻璃板上產(chǎn)生聲致振動，信號光照射在振動玻璃表面即可通過所述系統(tǒng)復(fù)原得到振動信息。

圖2 利用所述系統(tǒng)得到的拍頻信號Fig.2 Beat signals obtained by the proposed system

2.2 信號獲取與解調(diào)實驗

為了驗證所搭建測振系統(tǒng)的可行性，對其進(jìn)行了可行性驗證實驗。在外差光路中，信號光和參考光必須保持很高的空間準(zhǔn)直性才能獲得拍頻信號［22－23］。通過仔細(xì)的光路調(diào)節(jié)，獲得了拍頻信號輸出，其波形圖和頻譜如圖2所示。其中，圖2(a)為未施加振動時的拍頻信號時域波形圖，圖2(d)為其對應(yīng)的頻譜，其峰值頻率為79.99 MHz，與標(biāo)準(zhǔn)中頻信號頻率80 MHz誤差為0.01%。圖2(b)、(c)為施加振動信號時的拍頻信號波形圖，驅(qū)動頻率分別為500 Hz和1000 Hz，驅(qū)動電壓均為4 V，圖2(e)、圖2(f)分別為圖2(b)、圖2(c)所對應(yīng)的頻譜圖。由圖2可知，施加振動后拍頻信號顯示出了明顯的振動調(diào)制，頻譜中產(chǎn)生了新的頻率成分，與理論相符合。

在得到拍頻信號的基礎(chǔ)上，下一步就是從該拍頻信號中解調(diào)得到振動信息。以500 Hz振動信號為例說明整個的解調(diào)過程，如圖3所示。圖3(a)所示為84 MHz信號波形圖，圖3(d)為其對應(yīng)的頻譜圖，由圖3(d)可知，峰值頻率為83.998 MHz，與84 MHz相差0.002%。圖3(b)和圖3(e)為混頻信號經(jīng)過濾波后得到的以4 MHz載波的拍頻信號波形圖和頻譜圖。圖3(e)和圖3(f)分別為鎖相環(huán)解調(diào)輸出信號的波形圖和頻譜圖，由圖可知，輸出信號為一近似正弦波，峰值頻率為 499.94 Hz，誤差為 0.01%。

圖3 拍頻信號解調(diào)過程Fig.3 Beat signal demodulation process

3 振動源振幅與頻率變化響應(yīng)度實驗研究

在完成了系統(tǒng)搭建以及信號解調(diào)的基礎(chǔ)上，通過改變振動源的振幅、頻率等，對該系統(tǒng)對于頻率與振幅變化的響應(yīng)度進(jìn)行了驗證性實驗探究。

3.1 振動源振幅變化

為了驗證該系統(tǒng)對于振動源振幅變化的響應(yīng)度，固定振動源驅(qū)動頻率為500 Hz，驅(qū)動電壓由2 V以0.2 V步進(jìn)到4 V，記錄了解調(diào)信號的波形圖變化，結(jié)果如圖4所示，插圖為驅(qū)動電壓分別為2.0 V，2.6 V，3.2 V 和 4.0 V 時輸出信號波形圖的對比圖。由圖4可知，解調(diào)輸出信號幅值隨著驅(qū)動電壓的增大而增大，近似為線性，這與驅(qū)動電壓越大振動振幅越大是相符合的，驗證了該系統(tǒng)對于振動振幅變化的響應(yīng)度。

圖4 輸出信號幅值與驅(qū)動電壓對應(yīng)圖Fig.4 Diagram of the output signal amplitude vs the driving voltage

3.2 振動源頻率變化

為了驗證該系統(tǒng)對于振動頻率變化的響應(yīng)度，固定振動源驅(qū)動電壓為4 V，驅(qū)動頻率從10 Hz以10 Hz步進(jìn)到100 Hz，記錄解調(diào)信號的頻譜變化如圖5所示。其中，圖5(a)為測量得到的各頻率頻譜對比圖，各峰值頻率如圖中所標(biāo)示;圖5(b)為圖5(a)中所得峰值頻率與驅(qū)動頻率的對比圖;圖5(c)為相對誤差曲線，由該曲線可知:在10～100 Hz頻段內(nèi)，測量誤差小于0.15%。同樣的，對100～1000 Hz，1～10 kHz頻段的測量精度進(jìn)行了測量，相對誤差分別小于0.07%、0.03%。由此可知，該系統(tǒng)可對10 Hz～10 kHz振動頻率內(nèi)進(jìn)行精確的測量，且頻率較高時其測量相對誤差較小。

圖5 10～100 Hz振動測量結(jié)果圖Fig.5 The vibration measurement results of 10 ～100 Hz

4 應(yīng)用舉例

旋轉(zhuǎn)機(jī)械在現(xiàn)代工業(yè)中具有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，如壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等，利用外差光學(xué)方式可實現(xiàn)特殊環(huán)境下，如高溫、高壓等情況下的振動測量。限于實驗室條件，我們對一小型旋轉(zhuǎn)設(shè)備－空氣螺絲起子進(jìn)行了振動測量。測量部位為壓縮機(jī)密封蓋處。將密封蓋處固定螺絲輕微旋轉(zhuǎn)使得密封度下降，即人為引入一機(jī)械故障，分別記錄了在有、無故障情況下測量點的振動波形圖及頻譜圖，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)、(b)分別為無故障、有故障下的波形圖，由圖可以看到，故障發(fā)生后，振動時域圖發(fā)生明顯變化，且峰峰值相對變大;圖6(c)、(d)分別為圖6(a)、(b)所對應(yīng)的頻譜圖，由該圖可以看出，未存在故障時，測試點振動頻率主要為25 Hz以及諧波成分，如 50 Hz，75 Hz，100 Hz 等;當(dāng)發(fā)生故障時，低頻成分基本未變化，在175～250 Hz頻段內(nèi)(左側(cè)虛線框所示)，頻譜幅值相對變小;在250～350 Hz頻段內(nèi)(右側(cè)虛線框所示)，產(chǎn)生了新的頻譜成分。該實驗結(jié)果表明，通過監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)械某測試點的頻譜變化，可有效地對其運行狀況進(jìn)行監(jiān)測，可及時地發(fā)現(xiàn)故障的出現(xiàn)以避免更大的損失。

圖6 小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械某測試點Fig.6 The vibration measurement results of a point of small rotating machinery in the condition of normal and fault

5 總結(jié)

本文設(shè)計并搭建了基于聲光移頻式的激光外差振動測量系統(tǒng)。首先通過仔細(xì)地調(diào)整光路，獲得了拍頻信號輸出，并利用以鎖相環(huán)為核心的信號處理模塊完成了信號解調(diào);其次利用信號發(fā)生器來驅(qū)動揚聲器，所發(fā)出的聲音作用在玻璃板上產(chǎn)生聲致振動作為振動源，實驗探究了所述外差測量系統(tǒng)對于振動源驅(qū)動振幅、頻率變化的響應(yīng);最后對該系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了實驗探究。實驗結(jié)果表明，當(dāng)頻率在10 Hz～10 kHz頻段內(nèi)時，其測量誤差小于0.15%，相對誤差隨著頻率的增加而減小;解調(diào)信號幅值隨著驅(qū)動電壓的增大而增大，顯示出了很好的響應(yīng)度。對一小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械未故障、故障前后的振動進(jìn)行了測量，記錄了其波形以及頻譜。測量結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備存在故障時其振動波形圖發(fā)生明顯變化;頻譜分析結(jié)果顯示，在175～250 Hz頻段內(nèi)，頻譜幅值相對變小;在250～350 Hz頻段內(nèi)產(chǎn)生了新的頻譜成分，從而驗證了將該系統(tǒng)應(yīng)用于小型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障監(jiān)測中的可行性。在后續(xù)的工作中將探索該系統(tǒng)更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

［1］ Dutton D，Givens M P，Hopkins R E.Some demonstration experiments in optics using a gas laser［J］.American Journal of Physics，1964，32(5):355－361.

［2］ Corcoran V J.Directional Characteristics in Optical Heterodyne Detection Processes［J］.Journal of Applied Physics，1965，36(6):1819.

［3］ Durst F，Melling A，Whitelaw J H.Principles and practice of laser－Doppler anemometry［M］.Beijing:Science Press，1992.(in Chinese)Durst F，Melling A，Whitelaw J H.激光多普勒測速技術(shù)的原理和實踐［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［4］ Protopipov V，Ustinov:N.Laser heterodyning［M］.Moscow:Izdatel Nauka，1985.

［5］ HE Yan，WANG Wenkui，XIA Wenbing，et al.Laser Doppler vibrometer for acousto－optic communication，Chinese Journal of Laser，2007，34(2):703－706.(in Chinese)賀巖，王文奎，夏文兵，等.激光多普勒振動計用于水下聲光通信［J］.中國激光，2007，34(2):703－706.

［6］ HE Yan，SHANG Jianhua，LIU Dan，et al.Heterodyne laser doppler vibrometer for underwater acousto－optic communication［J］.Chinese Journal of Laser，2009，36(1):189－192.(in Chinese)賀巖，尚建華，劉丹，等.用于水下聲光通信的外差式激光多普勒振動計［J］.中國激光，2009，36(1):189－192.

［7］ LI Xingfei，WANG Chi，XIANG Hongbiao，et al.Detection of weak ultrasonic signal using optical heterodyne interferometry［J］.Optics and Precision Engineering，2008，16(7):1158－1162.(in Chinese)李醒飛，王馳，向紅標(biāo)，等.光學(xué)外差干涉法檢測微弱超聲振動［J］.光學(xué) 精密工程，2008，16(7):1158－1162.

［8］ LIU Hongli，SHAO Lei，JIA Mingyan，et al.Study on laser Doppler technology in measurement of blast shock［J］.Journal of Vibration and Shock，2008，27(1):97－99.(in Chinese)劉宏利，邵磊，賈明雁，等.激光多普勒效應(yīng)在爆炸沖擊測量中的應(yīng)用研究［J］.振動與沖擊，2008，27(1):97－99.

［9］ Jianhua Shang，Yan He，Dan Liu，et al.Laser Doppler vibrometer for real－time speech－signal acquirement［J］.Chinese Optics Letters，2009，7(8):732－733.

［10］ HUO Lei，ZENG Xiaodong，AN Yuying，et al.Vibration measurement and analysis by means of laser Doppler heterodyne principle［J］.Laser Technology，2011，35(5):600－602.(in Chinese)霍雷，曾曉東，安毓英，等.利用激光多普勒外差原理對振動物體測量及分析［J］.激光技術(shù)，2011，35(5):600－602.

［11］ HUO Lei，ZENG Xiaodong，LIU Bing.Application of laser heterodyne interferometer in solid rocket motor vibration［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2012，35(1):139－142.(in Chinese)霍雷，曾曉東，劉兵.激光外差干涉技術(shù)在固體發(fā)動機(jī)振動中的應(yīng)用［J］.固體火箭技術(shù)，2012，35(1):139－142.

［12］ LI Feifei，WU Jin，ZHAO Zhilong，et al.Air coupled vibration detection of all－fiber laser doppler vibrometer［J］.High Power and Particle Beams，2012，24(11):2549－2554.(in Chinese)李斐斐，吳謹(jǐn)，趙志龍，等.全光纖激光多普勒測振儀空氣耦合振動檢測［J］.強激光與粒子束，2012，24(11):2549－2554.

［13］ LUO Yun，F(xiàn)ENG Guoying，Liu Jian，et al.Vehicle identification technology of laser heterodyne spectrum analysis of vibration characteristics［J］.Chinese Journal of Laser，2014，41(11):1108001.(in Chinese)羅韻，馮國英，劉建，等.激光外差振動譜提取分析的車輛標(biāo)識技術(shù)［J］.中國激光，2014，41(11):1108001.

［14］ Martinussen H，Aksnes A，Engan H E.Wide frequency range measurements of absolute phase and amplitude of vibrations in micro－and nanostructures by optical interfer-ometry［J］.Optics Express，2007，15(18):11370－11384.

［15］ Zhu Z，Li W，Wolberg G.Integrating LDV audio and IR video for remote multimodal surveillance［J］.Computer Vision and Pattern Recognition－Workshops，CVPR WorkshopsIEEE ComputerSocietyConference on，2005:10.

［16］ Kokkonen K，Kaivola M.Scanning heterodyne laser interferometer for phase－sensitive absolute－amplitude measurements of surface vibrations［J］.Applied Physics Letters，2008，92(6):063502.

［17］ Sommargren GE.Up/down frequency shifter for optical heterodyne interferometry［J］.JOSA，1975，65(8):960－961.

［18］ Wright O.Stabilized dual－wavelength fiber－optic interferometer for vibration measurement［J］.Optics letters，1991，16(2):56－58.

［19］ Park Y，Cho K.Heterodyne interferometer scheme using a double pass in an acousto－optic modulator［J］.Optics letters，2011，36(3):331－333.

［20］ XU Jieping.The Principle，Design and Application of A-cousto－optic Device［M］.Beijing:Science Press，1982.(in Chinese)徐介平.聲光器件的原理、設(shè)計和應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，1982.

［21］ YU Kuanxin，DING Xiaohong，PANG Zhaoguang.Acousto－optic Principle and Devices［M］.Beijing:Science Press，2011.(in Chinese)俞寬新，丁曉紅，龐兆廣.聲光原理與聲光器件［M］.北京:科學(xué)出版社，2011.

［22］ LIANG Qiaochun，WANG Ying，CHEN Peifeng，et al.Investigation of spatial mismatch problems in laser heterodyne detection［J］.Laser ＆ Infrared，2011，41(1):43－50.(in Chinese)梁喬春，王英，陳培鋒，等.激光外差探測中的空間失配問題研究［J］.激光與紅外，2011，41(1):43－50.

［23］ LI Xiang，YANG Jinhua，JIANG Chenghao，et al.Study on collimation mismatch in laser heterodyne detection［J］.Laser＆ Infrared，2014，44(3):250－253.(in Chinese)李祥，楊進(jìn)華，姜成昊，等.激光外差探測中準(zhǔn)直失配問題的研究［J］.激光與紅外，2014，44(3):250－253.