收稿日期：2022-08-30

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3081400）；國(guó)家自然科學(xué)基金（41702371）；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（SKLGDUEK2130）；地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（2022-KF-01）

通信作者：杜 巖（1980—），男，博士、教授，主要從事巖土工程方面的研究。ljn1203846583@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1308 文章編號(hào)：0254-0096（2023）12-0260-06

摘 要： 該文通過(guò)在系統(tǒng)中增加反光器，實(shí)現(xiàn)了儀器自振的測(cè)量，并依據(jù)儀器自振信號(hào)設(shè)計(jì)一種可自我矯正的新型激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)測(cè)振系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。新系統(tǒng)所測(cè)信號(hào)的頻譜分析圖明顯更接近拾震器所測(cè)結(jié)果，均方誤差平均值為0.08%。此外，新系統(tǒng)的測(cè)量誤差平均降低了1.06個(gè)百分點(diǎn)，有效信號(hào)信噪比平均提升22.72 dB。新系統(tǒng)的測(cè)量精度會(huì)隨著設(shè)備自振的增加有明顯升高，但提升的效果會(huì)存在一定閾值限制。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；激光多普勒測(cè)振儀；自我矯正；信噪比；故障檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN45 "" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

在風(fēng)電機(jī)組故障檢測(cè)和風(fēng)電塔機(jī)組的健康診斷檢測(cè)研究中，振動(dòng)分析以及模態(tài)分析是重要的組成部分［1-2］。其中，振動(dòng)參數(shù)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和風(fēng)電機(jī)組的性能變化都有所體現(xiàn)［3-5］。由于大型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障信息往往被淹沒(méi)在其他信息中［6-7］。因此，如何精準(zhǔn)獲取目標(biāo)的真實(shí)振動(dòng)參數(shù)是該領(lǐng)域的重要課題。

在使用激光多普勒測(cè)振儀（laser Doppler vibrometer，LDV）測(cè)量目標(biāo)的微振動(dòng)參數(shù)時(shí)，環(huán)境噪聲和儀器自振噪聲的影響會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)振動(dòng)數(shù)據(jù)被環(huán)境振動(dòng)所覆蓋，此外，回波信號(hào)可能被淹沒(méi)在環(huán)境噪聲中或不包含多普勒信號(hào)，這又給獲取現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)增加了難度。杜軍等［8］通過(guò)定義新的鑒頻參量對(duì)相位調(diào)制激光多普勒頻移測(cè)量方法進(jìn)行了改進(jìn)。黃鑫等［9］設(shè)計(jì)基于頻域單元平法和自適應(yīng)閾值檢測(cè)算法，降低了虛報(bào)概率。郝洪良等［10］提出一種結(jié)合自相關(guān)和光譜濾波的外差干涉調(diào)節(jié)方法。杜正廷等［11］研究自混合效應(yīng)（self-mixing interference，SMI）在激光測(cè)速中的應(yīng)用，建立了基于自混合干涉的激光多普勒測(cè)速理論模型。李艷萍等［12］通過(guò)在傳統(tǒng)激光多普勒光路中增加光線環(huán)形器，改進(jìn)光路提高了多普勒信號(hào)信噪比和對(duì)比度。陳家鍵等［13］設(shè)計(jì)一種基于平面鏡雙頻激光干涉的三自由度動(dòng)態(tài)微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)三自由度的振動(dòng)狀態(tài)，為光學(xué)系統(tǒng)的微振動(dòng)補(bǔ)償控制提供了基礎(chǔ)。李秀明等［14］提出一種基于擴(kuò)展光束的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)，有效避免了傳統(tǒng)雙光束多普勒測(cè)速系統(tǒng)由于探測(cè)體積小而導(dǎo)致的物體偏離探測(cè)區(qū)域的情況。

以上消噪方法從不同角度提出有效消噪方法，但均未考慮到測(cè)量過(guò)程中儀器的自振的影響。Halkon等［15］通過(guò)在激光多普勒測(cè)振儀上安裝拾震器的方法，結(jié)合頻域理論優(yōu)化，有效抑制了儀器的振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。但該技術(shù)由于拾震器的靈敏度與LDV自身靈敏度的差異，在不同測(cè)量場(chǎng)景時(shí)需要相應(yīng)調(diào)試安裝，犧牲了便利性?；诖?，本文提出一種可同時(shí)自我測(cè)量和目標(biāo)測(cè)量的激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法以降低傳統(tǒng)振動(dòng)測(cè)量信號(hào)中的儀器自振干擾。針對(duì)該方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，最后基于快速傅里葉變換（fast Fourier transform，F(xiàn)FT）變換后頻譜圖、信噪比和均方誤差參數(shù)的對(duì)比驗(yàn)證了改進(jìn)新系統(tǒng)的有效性。

1 原 理

1.1 激光多普勒測(cè)振原理

當(dāng)物塊朝著測(cè)振儀移動(dòng)時(shí)，物塊與測(cè)振儀之間傳遞的波長(zhǎng)會(huì)縮短，頻率將升高；反之，當(dāng)物塊遠(yuǎn)離測(cè)振儀時(shí)，其間的波長(zhǎng)將變長(zhǎng)，頻移會(huì)降低，這一現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。激光多普勒測(cè)振儀即利用了激光多普勒效應(yīng)；假設(shè)入射光波頻率為[f0]，則當(dāng)物塊發(fā)生振動(dòng)，接收器接收到的反射光頻率為[f0+fD]，頻率偏移量為[fD]，根據(jù)多普勒原理，頻移通?？蓪?xiě)成：

[fD=2vλ]""""" （1）

式中：[v]——含噪聲目標(biāo)振動(dòng)速度，m/s；[λ]——激光波長(zhǎng)，nm。

由此可知，激光多普勒測(cè)振原理是通過(guò)測(cè)量物體表面被測(cè)點(diǎn)的微小振動(dòng)而引起的多普勒頻移，進(jìn)而確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度?；谏鲜龌竟鈱W(xué)理論，現(xiàn)有的單點(diǎn)式激光多普勒測(cè)振儀測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示［16-17］。參考光與頻率為[fr]的反射光共同投射到接收器上產(chǎn)生了拍頻信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析和處理就可得到所需振動(dòng)信號(hào)，由于參考光的耦合，這種結(jié)構(gòu)能夠分辨所測(cè)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方向［18］。

基于上述光路結(jié)構(gòu)和理論，反射光的頻率可表示為：

[fr=λ0f0+vλ0f0-vf0]" （2）

反射光的頻移為：

[fD=fr-f0=2vλ0f0-vf0]"""""" （3）

式中：[λ0]——測(cè)量激光波長(zhǎng)，nm；[f0]——入射光頻率，Hz；[fD]——被測(cè)物體的反射光頻移，Hz。

當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，可得到所測(cè)振動(dòng)速度為：

[v=λ0f0fD2f0+fD]""""" （4）

1.2 自我矯正激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)

傳統(tǒng)激光多普勒測(cè)振儀的入射光在發(fā)射時(shí)會(huì)不可避免地?cái)y帶儀器自身的振動(dòng)信息，根據(jù)式（4）可知，在傳統(tǒng)的測(cè)振原理中并未考慮到入射光受干擾的問(wèn)題，這也就使得對(duì)于多普勒信號(hào)的處理也會(huì)攜帶儀器自振的干擾。此外，多普勒信號(hào)處理方法是使用快速傅里葉變換進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換，采樣頻率和采樣點(diǎn)數(shù)決定了頻域轉(zhuǎn)換的精確度［19］。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣點(diǎn)數(shù)N越大，越能得到精確特征突出的結(jié)果，然而在實(shí)際測(cè)量中采樣點(diǎn)數(shù)越多，所包含的儀器自振干擾信號(hào)也就越多，雖然保證了頻率分辨度，但環(huán)境振動(dòng)的影響使得測(cè)量結(jié)果也受到一定干擾。

基于以上問(wèn)題，為了在一定程度上消除儀器自振的干擾，本文設(shè)計(jì)一種可測(cè)量自身振動(dòng)的多普勒測(cè)振系統(tǒng)，采用了雙光路，如圖2所示。其中一條光路聚焦到被測(cè)物體表面，可測(cè)量物體振動(dòng)信號(hào)；另一條光路聚焦至儀器外殼上的反光器，從而獲取儀器的自振信號(hào)。由式（2）可得儀器反射光的頻率[fr′]為：

[fr′=λ0f0+vdλ0f0-vdf0]" （5）

則儀器自身的振動(dòng)速度為：

[vd=λ0f0fD′2f0+fD′]"""" （6）

式中：[fD′]——儀器反射光的頻移，Hz。

在實(shí)際測(cè)量中，儀器自振的方向是保持水平的，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，不同測(cè)量目標(biāo)的振動(dòng)方向不可能總是保持水平，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者之間的夾角對(duì)單自由度測(cè)量影響不大，因此在本文中不考慮測(cè)量角度。由圖3不難看出傳統(tǒng)儀器測(cè)量的信號(hào)中包含目標(biāo)的實(shí)際振動(dòng)和儀器自振兩部分，儀器的振動(dòng)速度為[vd]，而傳統(tǒng)測(cè)振儀所測(cè)得的振動(dòng)速度[v]可視為[vd]與[vt]的疊加，那么在已知設(shè)備自振和測(cè)量時(shí)激光與水平方向夾角的情況下，將設(shè)備自振視為環(huán)境的振動(dòng)即噪聲，則去噪后的被測(cè)物體振動(dòng)速度可表示為：

[vt=v-vd]"""""" （7）

由式（4）～式（7）可知目標(biāo)體振動(dòng)可表達(dá)為：

[vt=λ0f0fD2f0+fD-fD′2f0+fD′]""" （8）

通過(guò)式（8）即可消除傳統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)中儀器自振噪聲的干擾，實(shí)現(xiàn)激光多普勒測(cè)振儀的自我矯正。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)所用激光多普勒測(cè)振儀的激光類(lèi)型為He-Ne激光束，波長(zhǎng)為632.8 nm，高頻帶寬高達(dá)20 MHz。相較于傳統(tǒng)的激光多普勒測(cè)振儀系統(tǒng)，新設(shè)備通過(guò)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改造，還可額外測(cè)量?jī)x器的自振動(dòng)速度，因此可分別得出傳統(tǒng)激光測(cè)振系統(tǒng)的測(cè)振結(jié)果與改進(jìn)后新型測(cè)振系統(tǒng)的測(cè)振結(jié)果。

為了驗(yàn)證改進(jìn)新系統(tǒng)的有效性，在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)設(shè)置測(cè)振目標(biāo)，使待測(cè)目標(biāo)靜置于水平面上，利用環(huán)境振動(dòng)使其在自然條件下微振，待測(cè)物體的振動(dòng)即為其常時(shí)微動(dòng)［20-21］，LDV與待測(cè)目標(biāo)設(shè)于統(tǒng)一水平面上，測(cè)量激光垂直打向待測(cè)目標(biāo)表面，并在其上部安裝拾震器以獲取目標(biāo)塊體的實(shí)際振動(dòng)信號(hào)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。圖4中LDV與待測(cè)目標(biāo)處在同一水平面上。LDV的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖，在LDV外殼內(nèi)部設(shè)置一個(gè)反光器，反光器可將儀器外殼反射的激光通過(guò)光束分離器送入接收器中，通過(guò)接收器的處理即可獲取儀器自振的信號(hào)。為進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)新系統(tǒng)在不同振動(dòng)情況下的普適性，隨機(jī)選擇4組振動(dòng)數(shù)據(jù)（標(biāo)號(hào)為a、 b、 c、 d）為實(shí)例進(jìn)行試驗(yàn)分析，采樣頻率為1000 Hz，采樣時(shí)間為1 s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖5a為傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和實(shí)際信號(hào)（由拾震器收集）的對(duì)比圖?？煽闯?，傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)信號(hào)與拾震器所測(cè)實(shí)際信號(hào)有明顯差距，也說(shuō)明在測(cè)量中儀器的自振對(duì)信號(hào)的干擾是較為明顯的。圖5b亦反映了改進(jìn)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際信號(hào)的對(duì)比，系統(tǒng)改進(jìn)后的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際信號(hào)高度契合，信號(hào)優(yōu)化效果十分明顯。選擇其中一組數(shù)據(jù)的時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果、改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和塊體實(shí)際振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖如圖6所示，由于儀器自振的干擾，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的頻峰與實(shí)際信號(hào)存在明顯差異，在50～100 Hz頻域和450～500 Hz內(nèi)均出現(xiàn)明顯的頻峰偏移和幅度差異。通過(guò)對(duì)比可知，改進(jìn)系統(tǒng)可有效消除傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)中由儀器自身振動(dòng)的頻峰，并修正儀器干擾引起的頻峰偏移和幅度差異。

為進(jìn)一步突出系統(tǒng)改進(jìn)優(yōu)化的有效性，分別計(jì)算傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與塊體實(shí)際振動(dòng)信號(hào)的均方誤差（root mean square error，RMSE）和改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與物體實(shí)際振動(dòng)信號(hào)的均方誤差以及改進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的信噪比（signal to noise ratio，SNR）來(lái)描述信號(hào)優(yōu)化效果［22-23］，信噪比即系統(tǒng)中有效信號(hào)與噪聲的比例，信噪比越大則表明混入信號(hào)中的噪聲相對(duì)越小。計(jì)算結(jié)果如表1所示，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，改進(jìn)新系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果均方誤差平均值為0.08%，相較于傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的平均誤差（1.14%），降低了1.06個(gè)百分點(diǎn)，改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)后信號(hào)的準(zhǔn)確度提升明顯。從信噪比的計(jì)算結(jié)果可知，傳統(tǒng)測(cè)振系統(tǒng)測(cè)量信號(hào)信噪比均較小，平均約為4.20 dB，信號(hào)中有效信號(hào)占比低；改進(jìn)系統(tǒng)后有效信號(hào)的信噪比平均提高了22.72 dB，信號(hào)中有效信號(hào)占比明顯提高，這說(shuō)明本文所提出的方法可有效降低儀器自振的干擾。該技術(shù)方法可為風(fēng)電塔及風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作提供可靠的技術(shù)支持與參考。

3 討 論

通過(guò)對(duì)比信噪比數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果受干擾程度越大，系統(tǒng)改進(jìn)后信號(hào)的信噪比提升值越大，即對(duì)自振干擾的消除效果越明顯。如a、c兩組工況的傳統(tǒng)測(cè)量信噪比是相對(duì)較高的，相對(duì)于b和d兩組工況，a和c組信號(hào)的有效信號(hào)信噪比分別提升了22.47和20.53 dB；相較之下信噪比相對(duì)較低的b和d組的有效信號(hào)信噪比分別提高了24.18和23.85 dB， 高于a、c兩組。說(shuō)明原信噪比高的信號(hào)在系統(tǒng)改進(jìn)后有效信號(hào)的信噪比提升反而較低，反之亦然。若用傳統(tǒng)測(cè)量結(jié)果和自振信號(hào)的振幅比表示信號(hào)的受干擾程度，振幅比越大，就代表信號(hào)受到儀器振動(dòng)干擾程度越大。從圖7可看出，隨著儀器振動(dòng)干擾的增加，通過(guò)該技術(shù)方法所得有效信號(hào)信噪比的提升值會(huì)明顯增加；通過(guò)圖8可知改進(jìn)系統(tǒng)后信號(hào)的均方誤差縮進(jìn)百分比與信噪比提升值呈相同的變化趨勢(shì)，振幅比愈大，均方誤差相對(duì)于原誤差的縮進(jìn)度愈大。說(shuō)明在自振干擾較大的情況下，改進(jìn)系統(tǒng)仍能有效地降低儀器振動(dòng)干擾，保證目標(biāo)物體測(cè)量精度；值得注意的是，儀器的自振強(qiáng)度過(guò)大會(huì)使得本文的技術(shù)算法出現(xiàn)過(guò)度修正的現(xiàn)象，當(dāng)儀器的自振強(qiáng)度過(guò)大甚至超過(guò)目標(biāo)振動(dòng)強(qiáng)度會(huì)使得修正數(shù)據(jù)覆蓋原有的實(shí)際振動(dòng)。因此，振幅比的提升值和均方誤差的縮進(jìn)百分比值均存在一定的閾值限制，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其中信噪比提升值在約24.5 dB時(shí)不再升高，均方誤差縮進(jìn)的百分比在約93.5%趨于平緩?？深A(yù)見(jiàn)，當(dāng)儀器的自振強(qiáng)度繼續(xù)增大，振幅比（自振信號(hào)/原始信號(hào)）超過(guò)0.95時(shí)該技術(shù)方法的修正效果將不再進(jìn)一步提升，甚至?xí)霈F(xiàn)過(guò)度修正的現(xiàn)象。

為消除在風(fēng)電塔故障檢測(cè)工作中激光多普勒測(cè)振的自振干擾，本文通過(guò)在激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)中增加反光裝置，對(duì)儀器自身振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量并修正，有效消除了儀器自振影響產(chǎn)生的測(cè)量誤差。研究表明，激光多普勒測(cè)量中的夾角會(huì)不可避免地對(duì)測(cè)量精度造成一定影響［24］。下一步工作是在本研究基礎(chǔ)上，新增夾角的影響分析并進(jìn)一步優(yōu)化算法，從而為風(fēng)電塔的故障檢測(cè)中的振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作得到更高精度的遙感振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支持。

4 結(jié) 論

激光多普勒測(cè)振儀在風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電塔的故障檢測(cè)和機(jī)組健康診斷當(dāng)中往往會(huì)受到多種因素干擾，其中一大主要誤差來(lái)源于儀器的自振，本文基于激光多普勒測(cè)振原理，針對(duì)儀器自振問(wèn)題，改進(jìn)并設(shè)計(jì)了一種可測(cè)量自我振動(dòng)的激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)；并基于儀器的自振信號(hào)，給出了基于激光多普勒測(cè)振設(shè)備自振的自我矯正數(shù)據(jù)處理方法。通過(guò)試驗(yàn)證明可得：

1）傳統(tǒng)LDV測(cè)得信號(hào)的均方誤差為1.14%，改進(jìn)后系統(tǒng)的均方誤差降低為0.08%，誤差降低了1.06個(gè)百分點(diǎn)。

2）測(cè)量信號(hào)中的信噪比也由原有的4.20 dB提高到26.92 dB，提高了22.72 dB。

3）基于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得，根據(jù)不同設(shè)備自振強(qiáng)度的不同，改進(jìn)后系統(tǒng)的均方誤差可降低原誤差的90%以上，有效信號(hào)信噪比的提升值可達(dá)20 dB以上。新系統(tǒng)的測(cè)量精度會(huì)隨著設(shè)備自振的增加有明顯升高，但是提升的效果會(huì)存在一定閾值限制。本文所提出的技術(shù)方法可以為改善風(fēng)電塔及風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)工作中的噪聲問(wèn)題提供支持與技術(shù)參考。

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SELF DENOISING TECHNIQUE FOR LASER DOPPLER VIBROMETER

Du Yan， Liu Jingnan，Xie Mowen，Zhang Xiaoyong，Huo Leichen

（Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract：The paper realizes the measurement of instrumental self-oscillation by adding a reflector to the system， and designs a new self-correcting laser Doppler vibrometer system based on the instrumental self-oscillation signal and compares it with the traditional vibrometer system. The spectral analysis map of the signal measured by the new system is significantly closer to that measured by the vibration pickup， and the mean square error is 0.08%. In addition， the measurement error of the new system is reduced by 1.06% on average， and the effective signal-to-noise ratio is improved by 22.72 dB on average. The measurement accuracy of the new system increases significantly with the increase of self-oscillation of the equipment， but there is a certain threshold limitation of the enhancement effect.

Keywords：wind turbines； laser Doppler vibrometer； self adjusting； signal to noise ratio； fault detect