何憲光，沈飛，謝俊彥

（西安航天動力測控技術(shù)研究所，西安 710025）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及航天工業(yè)對產(chǎn)品可靠性和環(huán)境適應(yīng)性要求的不斷提高，固體火箭發(fā)動機的高可靠性成為軍工行業(yè)的發(fā)展重點[1]。振動試驗數(shù)據(jù)做為固體火箭發(fā)動機可靠性評判的重要參考指標(biāo)，其意義不言而喻。通過振動測量試驗，可以對固體火箭發(fā)動機的疲勞壽命、殼體以及噴管等重要部位的固有頻率、損傷診斷等進(jìn)行計算和分析?？偠灾?，固體火箭發(fā)動機在火箭發(fā)射、飛行和儲運條件下所需經(jīng)歷的各種振動都能通過振動試驗進(jìn)行模擬和分析[2]。

目前振動檢測的方式可以分為接觸式振動測量與非接觸式振動測量兩種形式[3,4]。在固體火箭發(fā)動機點火試驗中，常用的振動檢測方式為接觸式振動測量，如壓電式加速度傳感器。然而這類傳感器耐高溫性差、測量時有脫落的可能，比如噴管部位，這就導(dǎo)致振動數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性降低。與接觸式檢測相比，非接觸檢測技術(shù)具有測量精度高、非侵入性、適用于高溫環(huán)境等優(yōu)點，能夠很好地滿足各種測量環(huán)境的需求[4,5,7-10]。目前幾種常用的非接觸檢測方法都是基于激光技術(shù)的，激光測振技術(shù)被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域之中，相關(guān)的研究層出不窮。然而，近年來有關(guān)于激光測振技術(shù)在固體火箭發(fā)動機方面的應(yīng)用研究較少。本文將對激光測振技術(shù)在固體火箭發(fā)動機方面的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述。全文分為四個部分，第一部分對主流的激光測振技術(shù)的原理進(jìn)行了介紹，并進(jìn)行了對比；第二部分分析了固發(fā)振動測量中特殊的環(huán)境因素對激光測振系統(tǒng)的影響；第三部分介紹了國內(nèi)外針對于各種影響因素所提出的解決方法；最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 激光測振法分類

目前主流的激光測振法主要包括激光三角法、全息干涉測量法、激光散斑干涉法和激光多普勒法[11]。本節(jié)將對這四種光學(xué)測振法的原理進(jìn)行介紹。

1.1 激光三角法

激光三角法本質(zhì)上是利用光學(xué)幾何原理獲取被測物體的振動信息[12]。激光三角法的光學(xué)原理圖如圖1 所示。

圖1 激光三角法光學(xué)原理圖

激光通過透鏡M1 照射到被測物體表面，形成光斑O 點，其部分散射光由透鏡M2 接收并匯聚到光電探測器（PSD）上，形成光點O′，當(dāng)物體發(fā)生振動時，光斑O 點移動到P 點，PSD 上的光點O′也隨之移動到了P′，且物體的移動距離和PSD 上光點的移動距離存在如下關(guān)系[11,13-17]：

由此可見，激光三角法是通過位移信號來反映物體的振動情況。激光三角法具有非接觸測量、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，技術(shù)發(fā)展較為成熟，但測量的范圍受PSD 的尺寸影響，測量距離也受會聚透鏡的焦距限制，并不適合用于固體火箭發(fā)動的振動測量。

1.2 全息干涉測量法

全息干涉測量即是利用全息干涉的原理，用相干光照明物體在全息照片上形成干涉條紋，因為條紋都攜帶了關(guān)于物體運動或形變的信息，因此我們可以根據(jù)干涉條紋的分布來分析物體發(fā)生的運動或形變[18]。全息干涉測量法最大特點就是可以進(jìn)行面測量，同時獲得多點的數(shù)據(jù)[12]。圖2 所示的是全息干涉測量在納米樣品測量中的光路圖。

圖2 全息干涉測量光路圖

激光束通過分束器（BS1）分為參考光束和目標(biāo)光束，參考光束被引導(dǎo)通過光纖（OF），目標(biāo)光束被顯微鏡物鏡擴展后照射到物體上，擴展后的目標(biāo)光束被物體反射并通過分束器（BS2）與參考光束發(fā)生干涉，形成干涉圖案[19-22]。全息干涉測量法能夠?qū)ξ矬w進(jìn)行全場同時測量，但由于全息干涉測量法要用膠片做記錄介質(zhì)，需要沖洗等費時費力的化學(xué)過程，操作過程復(fù)雜，且記錄信息過多，信號的信噪比低，而且全息干涉測量法不能實現(xiàn)實時測量[11, 12, 23]。

1.3 激光散斑干涉法

激光散斑干涉法是利用激光的高相干性，激光照射到物體粗糙表面時將產(chǎn)生散斑場，該散斑場記錄了被測物體表面的信息，并對該散斑場進(jìn)行數(shù)字圖像處理，就能以干涉條紋的形式得出被測信息的等高線，通過條紋判斷使能得到振動物體的位移[11,23-25]。激光散斑干涉法的光路圖如圖3 所示。

圖3 激光散斑干涉光路圖

激光通過反射鏡M1 反射至分光鏡BS 后分成兩束光強相等的相干光，這兩束相干光分別經(jīng)過反射鏡M3、M4，擴束鏡M8、M5，準(zhǔn)直鏡M7、M6 后照射在物體表面并發(fā)生干涉形成散斑場，當(dāng)物體產(chǎn)生振動時，散斑場也隨之變換，散斑場的變化由CCD 攝像機記錄，通過對散斑場的變化分析最終得到物體的振動信息。散斑干涉測量精度高、能夠全場測量，但操作過程復(fù)雜，且干涉條紋圖的處理極其費時。

1.4 激光多普勒法

激光多普勒法是利用外差干涉原理和多普勒效應(yīng)進(jìn)行振動測量[6]。圖4 為一個典型的外差式激光多普勒測振儀光路圖。

圖4 外差式激光多普勒測振儀光路圖

激光器發(fā)射出頻率為的激光，該激光通過偏振分束器PBS1 后被分為參考光束和測量光束。其中參考光束經(jīng)棱鏡反射后通過聲光調(diào)制器AOM，參考光束的頻率變?yōu)閒+fAOM（fAOM聲光調(diào)制器的調(diào)制頻率），測量光束通過偏振分束器PBS2 后照射到物體表面，在物體表面發(fā)生漫反射，反射光的頻率變?yōu)閒+Δf，其中Δf為物體運動所產(chǎn)生的多普勒頻移。反射光經(jīng)過偏振分束器PBS2 和分束器BS 后，與參考光束發(fā)生干涉，最后的光信號被光電探測器接收，后續(xù)再進(jìn)行信號的處理與解調(diào)，最終計算得到多普勒頻移Δf。且多普勒頻移與物體的速度具有如下關(guān)系[6,26-28]：

式中：

V—物體的運動速度；

λ—激光的波長。

由此可見，激光多普勒法得到的是物體的速度信號，對該速度信號分別進(jìn)行積分、微分運算可以得到物體的位移和加速度信號。激光多普勒法測量精度高、測量范圍大、響應(yīng)快、可實現(xiàn)實時測量、操作簡單、應(yīng)用范圍廣，非常適合對固體火箭發(fā)動機進(jìn)行振動測量。表1 對激光測振技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。

表1 激光測振技術(shù)分類

2 固發(fā)振動測量影響因素分析

激光多普勒測振技術(shù)做為非接觸式振動測量技術(shù)的一種，其與傳統(tǒng)的接觸式振動測量技術(shù)的差異可以概括如下：

1）測量介質(zhì)。傳統(tǒng)的接觸式振動測量傳感器大多是通過傳感器內(nèi)部電路的電阻、電容或是電荷量的變化來反映被測物體的振動信息，而激光多普勒測振是通過參考光束與反射光束相干涉后計算得到的頻率差來反映被測物體的振動信息[4-6]。

2）測量方式。傳統(tǒng)的接觸式測量是將傳感器緊密安裝在被測物體表面從而完成測量[3,4]，而激光多普勒測量是通過激光器將激光照射到測點上進(jìn)行測量。

3）測量系統(tǒng)。在固體火箭發(fā)動機振動測量試驗中，由于信號傳輸距離較長，為防止信號衰減嚴(yán)重，在使用傳統(tǒng)的接觸式傳感器進(jìn)行振動測量時，還需要外置信號放大器對測量信號進(jìn)行放大，而激光多普勒測振系統(tǒng)無需外置信號放大器對測量信號進(jìn)行放大。

由于激光多普勒測振技術(shù)和傳統(tǒng)的接觸式振動測量技術(shù)有著較大的差異，所以傳統(tǒng)的接觸式振動測量技術(shù)所包含的測量方法以及數(shù)據(jù)處理方法并不能完全適用于激光多普勒測振技術(shù)，這就為激光多普勒測振技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，以下將以固體火箭發(fā)動機振動測量試驗為背景概括幾點：

1）測量穩(wěn)定性問題。激光多普勒測振技術(shù)做為非接觸式振動測量技術(shù)的一種，其獨立于被測物體，故激光測振系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性必須得到保障。而在固體火箭發(fā)動機振動測量試驗中，測量環(huán)境的強振動、強噪聲等特殊因素使得激光測振系統(tǒng)自身的振動在所難免，這對振動數(shù)據(jù)的穩(wěn)定獲取帶來了一定的影響。

2）數(shù)據(jù)處理方法選擇問題。由于激光多普勒測振技術(shù)的測量介質(zhì)、測量方式等與傳統(tǒng)的接觸式振動測量技術(shù)有著顯著差異，故激光信號噪聲的來源與形式也與傳統(tǒng)的接觸式振動測量信號有所不同，這就急需新的數(shù)據(jù)處理方法對激光信號進(jìn)行處理。

本節(jié)將對固體火箭發(fā)動機振動測量環(huán)境進(jìn)行介紹并分析環(huán)境因素對激光多普勒測振系統(tǒng)的影響。

2.1 環(huán)境的強振動

固體火箭發(fā)動機振動測量環(huán)境的強振動包括點火試驗時熱室地面的振動以及強噪聲引起的振動。在固體火箭發(fā)動機點火試驗中，發(fā)動機由臺體固定，如圖5 所示。

圖5 固體火箭發(fā)動機

發(fā)動機點火后，燃燒室內(nèi)的燃?xì)夂蛷姶蟮耐屏σ鸢l(fā)動機振動，同時使得試驗場景振動，點火期間還伴隨著劇烈的噪聲。激光多普勒測振技術(shù)做為非接觸檢測技術(shù)，其測量儀器獨立于測量物體，環(huán)境的強振動會使得激光頭抖動，加劇激光測振儀與被測物體的相對運動，激光信號的噪聲也由此而來。這類噪聲被稱為散斑噪聲（speckle noise），而激光與被測物體的相對運動只是造成散斑噪聲的原因之一[29]。

Yuanchen Zeng 等[29]在對散斑噪聲進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)，散斑噪聲在時域上是以隨機峰值的形式出現(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 LDV 移動平臺測量樣本（0.5 km/h）

由此可見，散斑噪聲的表現(xiàn)形式與真實振動信號的表現(xiàn)形式類似，當(dāng)散斑噪聲的尖峰與真實振動信號的尖峰出現(xiàn)在不同時刻時，濾除散斑噪聲是較簡單的。

在頻域上，散斑噪聲表現(xiàn)為寬帶噪聲，且激光與被測物體的相對運動越劇烈，噪聲的頻帶越寬，且噪聲的低頻部分可能與真實的振動相重合。結(jié)合散斑噪聲在時域和頻域上的特性可知，傳統(tǒng)的濾波器難以對散斑噪聲達(dá)到較好的濾除效果。

Yahui Wang 等[30]也在文中提到激光與被測物體的相對運動會對激光測量產(chǎn)生干擾，兩者的相對運動使得激光難以聚焦到指定測點，從而對參考光束和測量光束的干涉產(chǎn)生影響，進(jìn)而使得探測系統(tǒng)得到的多普勒相位不連續(xù)，從而導(dǎo)致激光信號中出現(xiàn)散斑噪聲。

Ben J.Halkon 等[31]指出激光多普勒測振儀（LDV）本身的振動（無論是LDV 整體的振動還是內(nèi)部光學(xué)元件的振動）都會引入額外的多普勒頻移，從而導(dǎo)致被測物體速度測量的不準(zhǔn)確，并且與目標(biāo)速度的預(yù)期測量結(jié)果難以區(qū)分。在一些工程應(yīng)用中，這一現(xiàn)象引起的測量誤差較小，或是引起的誤差在一定的頻率范圍內(nèi)可以被忽略，但對于固體火箭發(fā)動機點火試驗而言，這一現(xiàn)象應(yīng)消除或是盡可能減小其造成的影響，否則LDV 的測量過程無法控制，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性無法得到保障。

2.2 固發(fā)表面材料的粗糙程度

激光多普勒測振儀的信噪比強烈依賴于被測物體表面的光散射特性，即激光信號的信噪比與被測物體表面的光學(xué)特性息息相關(guān)，所以信噪比也是激光多普勒測振儀在許多工程應(yīng)用中測量的主要限制[32]。Navid Hasheminejad[32]等人在文中指出，散斑噪聲是激光多普勒測振儀主要噪聲來源之一，并對He-Ne 掃描激光多普勒測振儀在不同表面條件下的噪聲進(jìn)行測量和分析。Navid Hasheminejad 等人分別對逆反射帶條、白帶條、黑帶條以及瀝青表面進(jìn)行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)逆反射表面下的噪聲最小，黑色表面的噪聲最大，如圖7 所示。

圖7 He-Ne 激光在不同表面下的噪聲測量

此外，在進(jìn)行模態(tài)分析時，文中還對比了相同路面材料在涂漆和未涂漆狀態(tài)下的相干函數(shù)，發(fā)現(xiàn)涂漆狀態(tài)下的相干函數(shù)要比未涂漆狀態(tài)下的相干函數(shù)好得多。

Chaitanya Bakre 等[33]提出，由于被測物體表面的非均勻反射率和波散射等多種因素的存在，被測物體表面的粗糙程度對激光測量會產(chǎn)生不利影響，并且被測物體表面的粗糙程度越大，激光信號中所包含的散斑噪聲也越高[34]。因為激光多普勒測振儀在粗糙表面難以時刻聚焦，導(dǎo)致激光信號中有效信號的振幅降低，噪聲變大。

2.3 水汽和煙霧

在固體火箭發(fā)動機點火試驗中，臺體冷卻水蒸發(fā)形成的水汽和燃料燃燒形成的煙塵對激光的傳輸和接收都會產(chǎn)生一定的影響。Syed Haider Abbas 等[35]在進(jìn)行螺旋槳葉片水下測量實驗中指出，激光在水下傳播會發(fā)生折射，這使得激光多普勒測振儀獲得的物體速度取決于傳播介質(zhì)的折射率，故需要對測量得到的速度信號進(jìn)行修正才能保證速度信號的準(zhǔn)確性。由激光多普勒測量原理，即式（2）可知，被測物體的速度與多普勒頻移相關(guān)，而多普勒頻移則與參考光束和測量光束相干涉產(chǎn)生的光程差相關(guān)，當(dāng)激光通過除空氣外的其它介質(zhì)時，傳播介質(zhì)的折射率也會對被測得的速度產(chǎn)生影響，如式（3）所示：

因此，要得到正確的物體的物理速度，必須將LDV的測量值除以流體的折射率。

Johannes Sachs 等[36]提到粒子的混雜程度對激光的傳播有一定的影響，激光的散射會降低激光信號的信噪比，多重散射嚴(yán)重復(fù)雜化了從激光多普勒測量方法收集的數(shù)據(jù)中獲得可靠信息。楊尚賢等[37]認(rèn)為煙霧能夠在一定時間和空間范圍內(nèi)對可見光、激光、毫米波等形成有效干擾和衰減。實際上，霧、氣溶膠、降雨環(huán)境等不同的環(huán)境因素對激光測量都會產(chǎn)生干擾，影響激光的散射特性[38,39]。張克瑾等[39]在研究冰云、水云、霧、氣溶膠和降雨環(huán)境中的激光傳輸特性后發(fā)現(xiàn)氣溶膠對激光的散射最弱。

這一節(jié)主要是對固體火箭發(fā)動機振動測量試驗中的主要影響因素進(jìn)行分析，主要分為三部分，第一部分是測量時激光多普勒測振儀自身的振動造成的影響，由測量環(huán)境中的振動引起；第二部分是固體火箭發(fā)動機表面材料造成的影響，由激光測點的粗糙程度引起；第三部分是激光傳播受阻造成的影響，由試驗時產(chǎn)生的煙塵和水汽引起。而這三部分造成的影響也是散斑噪聲產(chǎn)生的主要原因[30]。

3 散斑噪聲降噪方法

散斑噪聲做為激光多普勒信號中的主要噪聲，是激光信號降噪過程中的重要目標(biāo)[40]。Yuanchen Zeng 等[29]在文中提出了三步散斑降噪方法，即峰值檢測、峰值估計、平滑，文中使用基于小波變換的方法對散斑噪聲進(jìn)行檢測，接著基于ARIMA 模型對檢測到的峰值進(jìn)行替換，最后使用巴特沃斯濾波器對殘余噪聲進(jìn)行濾除，三步散斑降噪方法如圖8 所示。

圖8 三步散斑降噪方法

Yahui Wang 等[30]首先通過基于線性預(yù)測（LP）模型的去相關(guān)突出顯示信號中的散斑噪聲，為后面散斑噪聲的檢測和峰值替換做準(zhǔn)備，然后以平均短時能量和峰度為判斷指標(biāo)對散斑噪聲進(jìn)行檢測，通過對當(dāng)前時刻的能量或是峰度與過去時間段的平均值的比值來檢測散斑噪聲，最后使用基于LP 模型的遞歸插值器逐個替換噪聲信號，文中提出的降噪方法流程框架如圖9 所示。

圖9 降噪方法流程框架

Tao Lv 等[41]提出的散斑噪聲去除算法的基本步驟是：①通過峰度比確定出現(xiàn)散斑噪聲的信號段；②將確定的散斑噪聲信號段視為數(shù)據(jù)丟失；③根據(jù)丟失數(shù)據(jù)附近的幾個采樣點值，利用線性預(yù)測估計方法填補丟失數(shù)據(jù)，最終達(dá)到散斑噪聲去除的目的。與上述幾位學(xué)者不同的是，Samuel W.Courville 等[42]同時在物理和數(shù)據(jù)處理兩方面進(jìn)行了散斑降噪處理。在圖10 中，本文對散斑噪聲的產(chǎn)生、表現(xiàn)形式以及降噪方法進(jìn)行了總結(jié)。

圖10 散斑噪聲的產(chǎn)生、表現(xiàn)形式以及降噪方法

4 總結(jié)

本文對目前主流的光學(xué)測振法主要包括激光三角法、全息干涉測量法、激光散斑干涉法和激光多普勒法的原理和存在的問題進(jìn)行了介紹。通過對四種激光測振法的對比，本文得出激光多普勒測振法適用于固體火箭發(fā)動機試驗的振動測量。本文還針對于激光多普勒信號中的散斑噪聲，以固體火箭發(fā)動機振動測量試驗為背景，主要介紹了散斑噪聲的產(chǎn)生以及抑制方法，并從三個方面對散斑噪聲的去除進(jìn)行了總結(jié)。