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        基于互相關(guān)的大型機(jī)組軸系激光對(duì)中微弱信號(hào)提取方法研究

        2017-11-09 09:22:51唐晨張茂云曹國(guó)華丁紅昌
        兵工學(xué)報(bào) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:背景測(cè)量信號(hào)

        唐晨, 張茂云, 曹國(guó)華, 丁紅昌

        (長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022)

        基于互相關(guān)的大型機(jī)組軸系激光對(duì)中微弱信號(hào)提取方法研究

        唐晨, 張茂云, 曹國(guó)華, 丁紅昌

        (長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 吉林 長(zhǎng)春 130022)

        為提高自主研發(fā)的大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀的對(duì)中精度,減少由位置檢測(cè)單元(PSD)受雜散光干擾引起的誤差,提出一種基于互相關(guān)算法的微弱信號(hào)提取方法。建立基于互相關(guān)算法的數(shù)學(xué)模型,并設(shè)計(jì)模擬電路,實(shí)現(xiàn)了大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀的位置誤差補(bǔ)償;搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)獲取PSD坐標(biāo)數(shù)據(jù),使用二維精密微位移平臺(tái)進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以在自然光照條件下保證設(shè)備的精度,分辨力在0.005 mm內(nèi),可以有效地提高大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀對(duì)外界噪聲的抗干擾性能。

        儀器儀表技術(shù); 激光對(duì)中儀; 互相關(guān); 微弱信號(hào)提??; 誤差補(bǔ)償

        0 引言

        大型機(jī)組一般由軸系來傳遞動(dòng)力,目前主要采用激光對(duì)中儀對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)軸和軸承槽進(jìn)行對(duì)中,本文研究的大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀由激光發(fā)射模塊、位置檢測(cè)單元(PSD)構(gòu)成[1-4]。用PSD進(jìn)行位置測(cè)量,根據(jù)PSD的輸出電流方程,計(jì)算出PSD光敏面上的光點(diǎn)坐標(biāo),由數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出對(duì)中調(diào)整數(shù)據(jù)。在檢測(cè)中如果除了入射光外,還有其他背景光在PSD上造成響應(yīng),這無(wú)疑會(huì)干擾測(cè)試系統(tǒng)的正常檢測(cè),使精度降低,甚至使系統(tǒng)無(wú)法工作。

        PSD的測(cè)量精度是影響大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀檢測(cè)精度的關(guān)鍵因素,要實(shí)現(xiàn)激光對(duì)中儀的高精度測(cè)量,首先要解決的問題就是提高PSD的測(cè)量精度,必須采取有效的微弱信號(hào)提取方法。

        現(xiàn)有的方法主要通過增加與激光器波長(zhǎng)匹配的濾光片來消除背景光的影響,在明亮環(huán)境下誤差仍較大。本文以大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀為硬件平臺(tái),根據(jù)對(duì)中儀的控制原理,采用一種基于互相關(guān)算法的去噪方法[5-8],通過建立互相關(guān)算法的數(shù)學(xué)模型結(jié)合電路實(shí)現(xiàn)對(duì)大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀進(jìn)行位置誤差補(bǔ)償,并給出了相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)激光發(fā)射模塊和PSD驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行改進(jìn),從而有效地濾除外界光干擾,提取弱信號(hào),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以有效地提高大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀的檢測(cè)精度。

        1 對(duì)中檢測(cè)原理

        1.1 工作原理

        大型機(jī)組激光對(duì)中儀是針對(duì)大型機(jī)組旋轉(zhuǎn)軸中心線與軸瓦或軸承環(huán)槽中心線位置差進(jìn)行檢測(cè),大型機(jī)組軸系激光對(duì)中原理如圖1所示。由激光器發(fā)出準(zhǔn)直基準(zhǔn)光束,PSD光靶接收光點(diǎn)位置坐標(biāo)、傾角裝置檢測(cè)角度信息,根據(jù)對(duì)中數(shù)學(xué)模型計(jì)算出軸瓦或軸承環(huán)槽在水平方向與鉛垂方向的偏差量,通過調(diào)整機(jī)構(gòu)使軸瓦或軸承環(huán)槽中心線與旋轉(zhuǎn)軸中心線重合。

        1.2 總體設(shè)計(jì)激光對(duì)中儀的結(jié)構(gòu)組成

        大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀結(jié)構(gòu)如圖2所示。激光光源經(jīng)調(diào)制之后,經(jīng)過濾光片,濾除一部分雜光;濾除雜光后的激光光源一部分反射到測(cè)量PSD上,經(jīng)過電路運(yùn)算,測(cè)得激光器打在測(cè)量PSD上的位置坐標(biāo);而另一部分經(jīng)過分光片投射到雙凸透鏡后匯聚到校正PSD上,再經(jīng)過電路運(yùn)算測(cè)得匯聚的激光光源在校正PSD上的坐標(biāo);最后通過空間坐標(biāo)變換計(jì)算出實(shí)際測(cè)得的激光器坐標(biāo)值。

        圖2 大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of large unit shafting laser alignment instrument

        2 基于互相關(guān)算法的校正模型及硬件實(shí)現(xiàn)

        在微弱信號(hào)檢測(cè)中,相關(guān)檢測(cè)技術(shù)可以將淹沒在噪聲中的有用信號(hào)有效地提取出來,本文采用互相關(guān)算法把確定信號(hào)和干擾噪聲區(qū)分開來。

        2.1 背景光對(duì)PSD的干擾模式

        作用在PSD上光的形式可分為兩大類,一類是背景光,另一類是入射光源,背景光是照明光源或自然背景光。在測(cè)量時(shí)無(wú)論哪種背景光照射在PSD上,都相當(dāng)于在PSD上除了位置指示光點(diǎn)外,還有一個(gè)背景光光點(diǎn),此時(shí),PSD輸出的位置信號(hào)是兩個(gè)光點(diǎn)共同作用的結(jié)果。

        下面以改進(jìn)的表面分流型二維PSD為例,推導(dǎo)兩光點(diǎn)位置關(guān)系。背景光與入射光作用時(shí)的坐標(biāo)關(guān)系如圖3所示。

        圖3 背景光與入射光在PSD上的坐標(biāo)關(guān)系Fig.3 Coordinate relationship between ambient light and incident light in PSD

        設(shè)入射光照射到PSD上Pi(xPi,yPi)點(diǎn),等效背景光作用于PSD上Pa(xPa,yPa)點(diǎn),入射光單獨(dú)作用時(shí)PSD輸出電流為(Ix1i,Ix2i,Iy1i,Iy2i);背景光單獨(dú)作用時(shí)PSD輸出電流為(Ix1a,Ix2a,Iy1a,Iy2a);PSD在兩個(gè)光點(diǎn)共同作用下輸出的電信號(hào)是它們疊加的結(jié)果,即(Ix1i+Ix1a,Ix2i+Ix2a,Iy1i+Iy1a,Iy2i+Iy2a),此時(shí)由PSD輸出電流。解算出的位置P(xP,yP)為

        (1)

        (2)

        式中:L為PSD的有效長(zhǎng)度。

        設(shè)Ix1i+Ix2i+Iy1i+Iy2i=Ii,Ix1a+Ix2a+Iy1a+Iy2a=Ia,K=Ii/Ia,則(1)式和(2)式可轉(zhuǎn)換為

        (3)

        (4)

        PSD輸出電流計(jì)算其光敏面上光點(diǎn)位置方程分別為

        (5)

        (6)

        根據(jù)方程(5)式和(6)式則可得求得xPi、yPi、xPa和yPa的坐標(biāo)值,將其帶入(3)式和(4)式可求得P(xP,yP)的坐標(biāo)值為

        xP=(1+K-1)-1xPi+(1+K)-1xPa,

        (7)

        yP=(1+K-1)-1yPi+(1+K)-1yPa.

        (8)

        考慮到Ii、Ia分別與入射光和背景光的強(qiáng)度有關(guān),則系數(shù)K即為入射光與背景光光強(qiáng)之比。(7)式和(8)式表明,當(dāng)兩個(gè)等效光點(diǎn)Pi和Pa共同作用于PSD上時(shí),由PSD輸出電流算出的位置坐標(biāo)P(xP,yP),是兩光點(diǎn)Pi和Pa間的點(diǎn),即該解算點(diǎn)位于兩光點(diǎn)連線上,且距兩光點(diǎn)距離之比與兩光點(diǎn)強(qiáng)度成反比。

        2.2 互相關(guān)算法數(shù)學(xué)模型及仿真

        背景光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后成為直流背景光信號(hào),如果信號(hào)直接經(jīng)過直流放大,信號(hào)中的直流噪聲、器件漂移以及探測(cè)器和電路中的低頻噪聲同時(shí)被放大,嚴(yán)重時(shí)噪聲比有用信號(hào)大幾個(gè)數(shù)量級(jí),將導(dǎo)致無(wú)法完成測(cè)試任務(wù)。確定性信號(hào)的不同時(shí)刻取值一般都具有較強(qiáng)的相關(guān)性[9],對(duì)于干擾噪聲,因?yàn)槠潆S機(jī)性較強(qiáng),不同時(shí)刻取值的相關(guān)性一般較差,利用這一差異可以把確定信號(hào)和干擾噪聲區(qū)分開來,故可應(yīng)用相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)確定性信號(hào)的提取。

        如圖4所示,采用信號(hào)調(diào)制驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)器作為信號(hào)處理系統(tǒng),對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制,半導(dǎo)體激光器可以通過對(duì)電源的調(diào)制得到不同波形的激光。將激光器的電源供電電路進(jìn)行脈寬調(diào)制,使激光器的輸出能量變成具有一定頻率的交流信號(hào)。圖4中sm(t)為激光器發(fā)出的調(diào)制好的信號(hào),sr(t)為參考信號(hào),sa(t)為背景光的信號(hào)。

        圖4 信號(hào)處理系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of signal processing system

        激光器發(fā)出的調(diào)制好的信號(hào)為

        (9)

        式中:A為激光器調(diào)制信號(hào)的幅值;T為激光器調(diào)制信號(hào)周期。

        由傅里葉變換展開三角函數(shù)式:

        (10)

        式中:ω0為角頻率。

        參考信號(hào)sr(t)是調(diào)制器發(fā)出的頻率為f0的正弦信號(hào),即

        sr(t)=Vsin(ω0t+φ),

        (11)

        式中:φ為相位;V為振幅。

        含有背景光的輸入信號(hào)為

        f(t)=sm(t)+sa(t).

        (12)

        參考信號(hào)為

        fr(t)=sr(t).

        (13)

        根據(jù)互相關(guān)理論可得輸入信號(hào)與參考信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)為

        (14)

        式中:τ為信號(hào)間的時(shí)間間隔,即時(shí)延。

        通過上述推導(dǎo)可知,只有滿足有用信號(hào)的頻率和參考信號(hào)頻率一致的條件時(shí),才能濾掉噪聲,得到有用信號(hào)。

        為驗(yàn)證上述結(jié)論,使用Matlab軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),如圖5(a)所示,基準(zhǔn)信號(hào)采用方波模擬激光器經(jīng)調(diào)制后的波形,它既作為原始信號(hào),又作為參考信號(hào)。如圖5(b)所示,使用具有一定幅值的白噪聲信號(hào)模擬背景光,另一不同頻率和幅值的交流信號(hào)模擬固定干擾信號(hào),使其和原始信號(hào)相疊加,其中,各種信號(hào)的頻率、幅度、點(diǎn)數(shù)、相位等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際條件設(shè)定。通過相關(guān)運(yùn)算和積分器等,可提取含原始信號(hào)特征的信號(hào)。

        圖5 Matlab仿真圖Fig.5 Matlab simulation diagram

        仿真結(jié)果表明,提取出的信號(hào)與原始信號(hào)具有相同的頻率,只是相位、振幅上有些變化,這是由于運(yùn)算的滯后造成的,可通過相位補(bǔ)償還原原始信號(hào)。只有與參考信號(hào)頻率相同才能相關(guān)輸出,從而去掉了噪聲項(xiàng)。

        2.3 算法的硬件電路實(shí)現(xiàn)

        算法的硬件電路原理框圖如圖6所示,通過對(duì)半導(dǎo)體激光器電源的調(diào)制,把一束輸出光功率恒定的連續(xù)激光變成一束光功率時(shí)變的光束,將激光器的電源進(jìn)行脈寬調(diào)制,使激光器的輸出能量變成具有一定頻率的交流信號(hào)[10]。

        圖6 硬件電路原理框圖Fig.6 Block diagram of electric circuit

        由2.2節(jié)可以得出推論,要想去掉干擾信號(hào)就要保證采集信號(hào)頻率與光源調(diào)制信號(hào)頻率一致,因此采用NE555構(gòu)成施密特觸發(fā)器,將PSD輸出信號(hào),經(jīng)施密特觸發(fā)器產(chǎn)生同頻率的TTL信號(hào)。TTL信號(hào)為高電平時(shí),激光光斑入射到PSD上產(chǎn)生原始信號(hào)輸出,同時(shí)疊加了噪聲信號(hào),TTL信號(hào)為低電平時(shí),PSD的輸出由噪聲信號(hào)單獨(dú)產(chǎn)生。

        為了分別采集TTL信號(hào)為高低電平時(shí)的PSD輸出信號(hào)作為互相關(guān)的原始信號(hào)及參考信號(hào),通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)在TTL信號(hào)高電平和低電平時(shí)分別采集PSD的位置信號(hào),由TTL信號(hào)的高電平和低電平分別產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào),所產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)分別為CH1和CH2(見圖7和圖8),其與TTL信號(hào)的關(guān)系如圖9所示。

        圖7 產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)CH1Fig.7 Generated trigger signal CH1

        圖8 產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)CH2Fig.8 Generated trigger signal CH2

        圖9 TTL、CH1和CH2信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.9 Corresponding relationship of TTL, CH1 and CH2 signals

        本文使用了采樣保持器AD684,分別采集高低電平的信號(hào),如圖10所示,其工作原理是在高電平的時(shí)候采集信號(hào),低電平的時(shí)候保持。根據(jù)產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)CH1和CH2,對(duì)PSD輸出x軸坐標(biāo)和y軸坐標(biāo)的電流信號(hào)IxP、IyP分別進(jìn)行采集,在高電平采集到的信號(hào)分別為IxPh和IyPh,分別是有用信號(hào)和噪聲的疊加信號(hào),低電平采集到的信號(hào)分別為噪聲IxPl和IxPl.

        圖10 高低電平分別采集信號(hào)Fig.10 Acquisition of high and low level signals

        由于高電平采集到的信號(hào)是有用信號(hào)和噪聲的疊加,而低電平采集到的只有噪聲。根據(jù)這個(gè)原理,本設(shè)計(jì)將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行差分處理,從而將信號(hào)中的噪聲濾除掉,如圖11所示。

        圖11 降噪處理電路Fig.11 De-noise processing circuit

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

        將本文設(shè)計(jì)的電路安裝在大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀設(shè)備中,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。系統(tǒng)采用精密二維平臺(tái)作為基準(zhǔn),將本儀器的測(cè)量光靶放置在精密二維平臺(tái)上,以平臺(tái)的移動(dòng)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù),檢測(cè)光點(diǎn)在PSD線性化處理、空間糾偏等基礎(chǔ)上,獲取的光點(diǎn)坐標(biāo)的精度。測(cè)量光靶通過磁力表座固定在精密二維平臺(tái)上,激光器粗調(diào)保證光點(diǎn)可靠、穩(wěn)定地落在PSD的光靶上。通過移動(dòng)精密平臺(tái),使PSD光點(diǎn)x軸方向坐標(biāo)為0 mm左右后,以每次移動(dòng)精密二維平臺(tái)0.5 mm的方式,獲取PSD坐標(biāo)數(shù)據(jù)。連續(xù)測(cè)量5次,獲取平均值作為最終數(shù)據(jù)。PSD數(shù)據(jù)采集流程如圖13所示。

        圖12 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Experimental site

        圖13 PSD數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.13 Flow chart of data collection

        為保證數(shù)據(jù)的有效性,在每組測(cè)量完成后,調(diào)整激光光靶垂直位置,重新按照上述方法獲取PSD坐標(biāo)數(shù)據(jù),連續(xù)測(cè)量數(shù)次,取得每次的誤差值。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為x軸方向測(cè)量結(jié)果,實(shí)驗(yàn)條件如下:

        1) 室內(nèi)自然光,室內(nèi)溫度21 ℃,濕度31.93%.

        2) 檢測(cè)設(shè)備以美國(guó)PI公司產(chǎn)二維精密微位移平臺(tái)為基準(zhǔn)(精度0.001 mm),每移動(dòng)0.5 mm間距進(jìn)行一次測(cè)量。

        通過表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以看出:測(cè)量結(jié)果與激光照射在PSD上的實(shí)際光點(diǎn)值誤差較小,分辨力在0.005 mm以內(nèi),優(yōu)于僅采用濾光片濾除背景光的方法,降低了系統(tǒng)的測(cè)量誤差。測(cè)量環(huán)境得到很大改善,消除了背景光對(duì)測(cè)量的干擾,不需要在暗室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)??梢姡瑢⒒ハ嚓P(guān)算法應(yīng)用在大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀中對(duì)誤差補(bǔ)償是一種非常有效的方法。

        表1 0.5 mm間距測(cè)量

        4 結(jié)論

        1) 本文將互相關(guān)算法應(yīng)用在大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀中,通過Matlab軟件仿真驗(yàn)證了理論的正確性,以二維精密微位移平臺(tái)作為基準(zhǔn),每移動(dòng)0.5 mm進(jìn)行測(cè)量,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有效地降低了儀器的測(cè)量誤差,分辨力達(dá)到0.005 mm.

        2) 該方法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)、實(shí)用性強(qiáng),消除了外界背景光的干擾,可以提高自主研發(fā)的大型機(jī)組軸系激光對(duì)中儀的對(duì)中精度及抗干擾能力,解決了系統(tǒng)精度提升的瓶頸。

        3) 本文所提出的方法不僅適用于PSD測(cè)量中,也適用于部分其他對(duì)光源敏感的感光元器件中。系統(tǒng)的綜合分辨率還受入射到PSD上光斑定位誤差的影響,下一步工作應(yīng)采用其他技術(shù)減小激光光斑的定位誤差。

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        StudyofCross-correlationAlgorithm-basedWeakSignalExtractionMethodforLaserAlignmentofLargeUnit

        TANG Chen, ZHANG Mao-yun, CAO Guo-hua, DING Hong-chang
        (College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

        To improve the laser alignment accuracy of a large unit shafting and reduce the errors caused by position sensitive detector (PSD) that is easily interfered by stray light, a weak signal detection algorithm based on cross-correlation algorithm is proposed, the specific mathematical models are established, and the circuits are designed. The position error compensation of laser alignment instrument for large unit shafting is achieved using the mathematical model of cross-correlation algorithm and circuit. To obtain the data of PSD, a 2-D micro-displacement platform was built to test the system. The repeatability tests were completed using the micro-displacement platform, then the measured data was analyzed. The results indicate that the proposed method can ensure the alignment accuracy of the equipment with the resolution of 0.005 mm, and the anti-noise performance of large unit shafting laser alignment instrument can be effectively improved.

        apparatus and intruments technology; laser alignment instrument; cross-correlation; weak signal detection; error compensation

        2017-05-02

        吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20100365); 兵器科技研究項(xiàng)目(62201040504-A)

        唐晨(1986—),女,講師。E-mail: tangchen@cust.edu.cn

        曹國(guó)華(1965—),男,教授,博士生導(dǎo)師。E-mail: caoguohua@cust.edu.cn

        TH741.4

        A

        1000-1093(2017)10-2048-07

        10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.022

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