文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190812
中文引用格式： 李東明,，王翔，徐俊峰,，等. 基于激光多普勒的索力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2020，46(1)：66-71.
英文引用格式： Li Dongming,，Wang Xiang,，Xu Junfeng，et al. Cable force measurement system design and experiment based on heterodyne laser Doppler vibrometer[J]. Application of Electronic Technique,，2020,，46(1)：66-71.
0 引言
橋梁中承擔(dān)橋梁荷載的一個(gè)重要構(gòu)件是拉索,，該構(gòu)件控制整個(gè)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力分布,，整座橋的應(yīng)力分布可以用作衡量結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康與否的重要指標(biāo)。大地脈動(dòng),、風(fēng)雨等環(huán)境激勵(lì)引起的拉索振動(dòng),，以及在橋梁的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中拉索遭受的損害都可能導(dǎo)致應(yīng)力分布發(fā)生改變，從而給大跨度結(jié)構(gòu)帶來(lái)災(zāi)難性后果,。因此在工程施工期和運(yùn)營(yíng)期,，都有必要檢測(cè)拉索力的變化。在拉索橋索力測(cè)量工程中,，利用速度,、加速度等傳感器對(duì)微弱振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的索力測(cè)量方法是目前廣泛使用的一類(lèi)方法，但是該類(lèi)測(cè)量方案均采用接觸式測(cè)量[1-5],。
隨著激光多普勒測(cè)振技術(shù)的飛速發(fā)展, 可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離,、非接觸測(cè)量各種微弱振動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度及其微小變化。相對(duì)傳統(tǒng)的聲信號(hào)探測(cè)手段而言,，基于激光多普勒的測(cè)振方法具有更好的靈活性,、機(jī)動(dòng)性，能夠克服工作環(huán)境的限制,。大量的研究集中在基于激光多普勒測(cè)振的聲光通信方面,，軍事上美國(guó)海軍水下戰(zhàn)爭(zhēng)中心的BLACKMON F A等[6]在聲光通信方面做了大量研究, 提出并驗(yàn)證了聲光通信的可行性和有效性。激光多普勒測(cè)振技術(shù)具有精度高,、抗干擾能力強(qiáng),、保密性好等特點(diǎn)，消除了水體對(duì)激光傳輸?shù)南拗?，因而可能成為一種與水下目標(biāo)通信的技術(shù)手段,。激光多普勒測(cè)振的分辨率一直以來(lái)不斷提高[7]，但是在橋梁等工程測(cè)振領(lǐng)域中更多地關(guān)心結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)信息，因此對(duì)激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定性和分辨率提出了更高要求[8-13],。在激光多普勒測(cè)振技術(shù)中,，無(wú)失真鑒頻是非常關(guān)鍵的技術(shù)，而一般基于雙路移頻器低頻外差式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)中雙路移頻器不同的噪聲特性無(wú)法消除,，因此目前工程上激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)的頻率范圍和分辨率不能滿(mǎn)足橋梁斜拉索頻率法測(cè)量索力的要求,。
本文根據(jù)激光多普勒測(cè)振相干檢測(cè)工作原理, 設(shè)計(jì)了一種小型超低頻高精度激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)并用于實(shí)際橋梁拉索索力測(cè)量。由平衡探測(cè)器直接獲取激光回波反射信號(hào),，利用自適應(yīng)濾波器消除環(huán)境振動(dòng)對(duì)激光多普勒系統(tǒng)帶來(lái)的環(huán)境振動(dòng)干擾,，進(jìn)而提取低頻多普勒頻移信息,，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性, 利于系統(tǒng)集成以及后期處理,。文中介紹了探測(cè)的原理和電路的實(shí)現(xiàn)方法, 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,，測(cè)振計(jì)的本底噪音分布平坦,，性能優(yōu)于傳統(tǒng)電磁式速度傳感器、壓電式加速度傳感器,，完全滿(mǎn)足工程現(xiàn)場(chǎng)索力測(cè)量要求,。
1 頻率法測(cè)索力基本原理
頻率法測(cè)量索力的基本原理是利用拉索自由振動(dòng)時(shí)其內(nèi)部應(yīng)力與低頻振動(dòng)頻率之間的關(guān)系進(jìn)行間接測(cè)量。一根能夠自由振動(dòng)的拉索,，其自由振動(dòng)方程如下式：
其中,，m為每米拉索質(zhì)量(假設(shè)質(zhì)量均勻)，EI表示抗彎剛度,，y=y(x,，t)表示拉索在t時(shí)刻垂直于索軸向的位移，t,、x分別表示時(shí)間坐標(biāo),、沿索向的位置坐標(biāo)。同時(shí)考慮垂度影響,，求解得到拉索內(nèi)部軸向應(yīng)力F與振動(dòng)頻率fn的關(guān)系為：
其中,，l表示索的自由長(zhǎng)度，n為振動(dòng)頻率的階數(shù),。
2 外差式激光多普勒系統(tǒng)
2.1 串行雙移頻器外差激光多普勒系統(tǒng)設(shè)計(jì)
相對(duì)零差檢測(cè)方式,，外差檢測(cè)提高了光電信號(hào)的信噪比，增強(qiáng)了信號(hào)的抗干擾能力,，加快了測(cè)量速度,，并且易于實(shí)現(xiàn)高分辨率測(cè)量，因而在精密測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用,。本系統(tǒng)基于外差檢測(cè)原理,，采用全光纖結(jié)構(gòu)，利用人眼安全的波長(zhǎng)為1 550 nm單縱模光纖激光器輸出的窄線激光作為本振光信號(hào)，經(jīng)分光后發(fā)射到被測(cè)目標(biāo)上,，激光發(fā)射和接收采用同光軸收發(fā),，并利用光纖環(huán)行器隔離發(fā)射和接收光路。1 550 nm窄線激光首先經(jīng)過(guò)80 MHz的聲光調(diào)制器(AOM)上移頻,，然后再經(jīng)過(guò)82.5 MHz的聲光調(diào)制器(AOM)下移頻,，最終產(chǎn)生移頻2.5 MHz的本振光。反射光和本振光拍頻后由光纖傳輸至光電探測(cè)器,，光電探測(cè)器輸出電信號(hào)經(jīng)過(guò)50 Ω同軸電纜傳輸至后續(xù)信號(hào)調(diào)理,。在激光多普勒系統(tǒng)中安裝磁電式速度傳感器，用于測(cè)量由于環(huán)境振動(dòng)帶來(lái)的振動(dòng)干擾,，并在數(shù)據(jù)處理中設(shè)計(jì)自適應(yīng)濾波器加以消除,。當(dāng)聲光移頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率漂移Δw(t)<<wD(t)(wD(t)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的頻率變化)時(shí)，聲光移頻器的頻率漂移影響可以忽略不計(jì),；否則,，聲光移頻器的頻率漂移則直接影響多普勒頻移的測(cè)量準(zhǔn)確度，最終影響速度的計(jì)算,。因此,，在標(biāo)定外差式激光多普勒測(cè)振計(jì)的最小可分辨振動(dòng)速度時(shí)，聲光移頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度決定了系統(tǒng)最小可分辨多普勒頻移量,，從而決定了被測(cè)目標(biāo)的振動(dòng)速度的分辨率,。為了進(jìn)一步提高外差式激光多普勒測(cè)振計(jì)的最小可探測(cè)能力，需對(duì)聲光移頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率穩(wěn)定特性以及外差式激光多普勒測(cè)振計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,，降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率漂移的不良影響,。文獻(xiàn)[5-8]使用并行雙路移頻器，發(fā)射光與本振光均存在較大的頻率漂移,，因而經(jīng)過(guò)移頻器的發(fā)射光會(huì)受到衰減,，進(jìn)一步減弱了反射光強(qiáng)，降低了檢測(cè)距離,；本文的結(jié)構(gòu)只存在一路頻率漂移,，發(fā)射光不經(jīng)過(guò)移頻器，因而從光纖發(fā)射出去的發(fā)射光功率幾乎無(wú)衰減,，并且系統(tǒng)利用磁電傳感器測(cè)振經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波器消除測(cè)振系統(tǒng)本身的振動(dòng),，進(jìn)而提高抗震能力。
圖1是雙聲光移頻器構(gòu)成的HLDV的振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖,，激光器輸出激光經(jīng)光纖分束器分為兩路：第一路再經(jīng)過(guò)分光器分為光束iI,、光束iII，光束Ⅰ(iI)經(jīng)過(guò)光纖環(huán)形器1口入射,，2口經(jīng)由光纖及鏡頭發(fā)射至被測(cè)目標(biāo),，反射光由2口返回通過(guò)光纖環(huán)形器的3口形成光束Ⅴ(iV),。第二路經(jīng)過(guò)82.5 MHz的聲光調(diào)制器(AOM)上移頻，然后再經(jīng)過(guò)80 MHz的聲光調(diào)制器(AOM)下移頻,，最終產(chǎn)生移頻2.5 MHz的本振光,。本振光經(jīng)過(guò)分光器分為光束Ⅲ(iIII)與光束Ⅳ(iIV)，光束Ⅲ與光束Ⅱ經(jīng)過(guò)光耦合器拍頻后經(jīng)探測(cè)器形成固定差頻電信號(hào)UL,。光束Ⅳ與光束Ⅴ在耦合器中拍頻后經(jīng)探測(cè)器得到電信號(hào)Us,，根據(jù)文獻(xiàn)[9]計(jì)算方法得到多普勒頻移信號(hào)：
2.2 雙路高穩(wěn)定度DDS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
聲光移頻器的驅(qū)動(dòng)頻率的穩(wěn)定性對(duì)HLDV的檢測(cè)精度尤為重要，結(jié)合直接數(shù)字頻率合成技術(shù),，采用ADI等公司的數(shù)字頻率合成芯片AD9954,，及Mini-Circuit等公司的相關(guān)射頻器件，并利用Microchip公司32 bit MCU作為主控芯片控制整個(gè)系統(tǒng),，最終生成頻率為80 MHz,、82.5 MHz，幅度為24 V的2路聲光移頻器驅(qū)動(dòng)信號(hào),，用以驅(qū)動(dòng)測(cè)振系統(tǒng),，如圖2所示,。
DDS芯片AD9954內(nèi)置32 bit頻率調(diào)諧字和14 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器,，其相位噪音低，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍大,、頻率分辨率高以及初始相位可控,。基于以上特點(diǎn),，以DDS芯片AD9954為核心生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)具有很高的分辨率,。AD9954對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量要求較高，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,，需要精心選擇恒溫晶體振蕩器作為時(shí)鐘信號(hào)源,。在頻率控制字以及時(shí)鐘信號(hào)的作用下，AD9954以差分方式輸出正弦信號(hào),。在后續(xù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的處理中,，首先將AD9954的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，再由5階橢圓低通濾波器重構(gòu)正弦波形并對(duì)其他頻率成分進(jìn)行有效抑制,。在信號(hào)預(yù)放大之后,，經(jīng)功率放大器PA直接放大至24 V以滿(mǎn)足聲光移頻器的工作要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)差分時(shí)鐘如圖3所示,。
2.2.2 DDS系統(tǒng)固件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)基于MIPS架構(gòu)的32 bit處理器PIC32的四線串行外設(shè)接口(Serial Peripheral Interface,，SPI)對(duì)DDS芯片AD9954的內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置，包括設(shè)置頻率控制字和初始相位,。固件啟動(dòng)過(guò)程如下：
(1)初始化PIC32MZ的時(shí)鐘,，未使用的IO口全部設(shè)置為輸入，并下拉到地。
(2)AD9954的CLKMODESELECT引腳設(shè)置為邏輯地,，使用外部恒溫時(shí)鐘,。
(3)通過(guò)PIC32的SPI1口將80 MHz與82.5 MHz的頻率控制字(0x33333333、0x34CCCCCD)分別寫(xiě)入AD9954中,。
(4)更新AD9954的I/O UPDATE引腳,，使得兩路AD9954S輸出兩路與頻率控制字對(duì)應(yīng)的頻率。
2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)
2.3.1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的16位最高105 MS/s高速高精度芯片AD9460,，具有出眾的信噪比,。AD9460要求采用3.3 V和5 V電源供電，數(shù)據(jù)輸出設(shè)置為CMOS格式,。根據(jù)AD9460的要求,，采用變壓器耦合的方式將單端的時(shí)鐘信號(hào)和單端模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)。采集系統(tǒng)如圖3所示,。
2.3.2 回波信號(hào)數(shù)字帶通濾波器設(shè)計(jì)
在多普勒測(cè)振系統(tǒng)中,，相對(duì)速度的變化表現(xiàn)為多普勒頻率的移動(dòng)，而頻率的移動(dòng)需要通過(guò)對(duì)多普勒回波的頻率變化的實(shí)時(shí)檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn),，因此設(shè)拉索目標(biāo)振動(dòng)的相對(duì)速度為v,，橋梁等大型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率范圍為f，且0≤f≤fH,，fH為低頻振動(dòng)的帶寬上限,。經(jīng)驗(yàn)上，在橋梁中等長(zhǎng)度及長(zhǎng)拉索的振動(dòng)中,，基頻及高次諧波的頻率fH≤20 Hz,，因此，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v的采樣率fv=40 Hz,，也即頻率更新的周期為25 ms,。設(shè)激光多普勒系統(tǒng)的測(cè)速分辨率為Δv，激光多普勒拍頻頻差為f,，每次用于FFT頻率計(jì)算的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為N,，拍頻頻差分辨率為Δf，λ為激光波長(zhǎng),，則速度v的分辨率如下式：
至此采樣速率的選擇成為需要解決的首要問(wèn)題,。外差式激光多普勒系統(tǒng)的頻差為2.5 MHz，帶寬為1 MHz,，因此通過(guò)平衡探測(cè)器后的上限拍頻頻差為3 MHz的微弱信號(hào),，根據(jù)奈奎斯特低通采樣定理需要使用超過(guò)6 MS/s的采樣率進(jìn)行采樣，本系統(tǒng)使用10 MS/s的數(shù)據(jù)率,。取N=400K,，Δf∈(-0.5 MHz,，0.5 MHz)，λ=1.55 μm,，則得到多普勒測(cè)速系統(tǒng)的分辨率Δv和量程S分別為：
為了降低信號(hào)調(diào)理前端的復(fù)雜度,，提高信噪比，光電平衡探測(cè)器的微弱輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的放大之后,，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用過(guò)100 MS/s進(jìn)行過(guò)采樣,。高速數(shù)據(jù)流進(jìn)入FPGA內(nèi)部，經(jīng)過(guò)數(shù)字帶通濾波器濾波,，最后經(jīng)過(guò)1/10的降采樣,，最終以10 MS/s的速率通過(guò)USB輸出至PC進(jìn)行FFT分析。使用布萊克曼窗設(shè)計(jì)256階數(shù)字帶通濾波器,，中心頻率fc=2.5 MHz,，帶寬B=1 MHz，將設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器歸一化成16位整型數(shù),，并且內(nèi)嵌到FPGA中,，對(duì)高速數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)帶通濾波。
2.3.3 自適應(yīng)環(huán)境振動(dòng)噪聲消除
為了有效降低環(huán)境噪聲的干擾,，設(shè)計(jì)了基于RLS算法的自適應(yīng)噪聲消除器,。在激光回波測(cè)量系統(tǒng)上增加一個(gè)磁電式速度測(cè)量傳感器，用于監(jiān)測(cè)平穩(wěn)環(huán)境振動(dòng)帶來(lái)的干擾,，自適應(yīng)振動(dòng)干擾消除器結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
圖4中,，dn是經(jīng)過(guò)鏡頭接收的激光回波與環(huán)境振動(dòng)噪聲v′的合成信號(hào),，環(huán)境噪聲主要由環(huán)境振動(dòng)v′引起，且與激光回波v無(wú)關(guān),。通過(guò)自適應(yīng)濾波,，完成對(duì)v′的噪聲估計(jì)yn，將dn與yn相減得到消除環(huán)境振動(dòng)噪聲的激光回波信號(hào),。濾波按照以下步驟進(jìn)行,，基于RLS的自適應(yīng)噪聲消除器可以有效去除環(huán)境振動(dòng)帶來(lái)的干擾。
(1)初始化濾波器系數(shù)：W(0)=(0 0,，…,，0)，P(0)=diag(1,，1，…，1),。
(2)計(jì)算RLS增益矢量：
(3)計(jì)算估計(jì)誤差：εn=dn-WT(n-1)N(n)。
(4)更新權(quán)系數(shù)矢量：W(n)=W(n-1)+K(n)en,。
(5)遞推系數(shù)矩陣：P(n)=λ-1P(n-1)-λ-1K(n)NT(n)P(n-1)。
(6)濾波器輸出：yn=wT(n)N(n),。
(7)激光多普勒回波信號(hào)：en=dn-wT(n)N(n),。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)分為兩部分：(1)測(cè)試激光多普勒系統(tǒng)的性能；(2)在拉索上進(jìn)行工程實(shí)際測(cè)試,。
3.1 振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)
根據(jù)速度計(jì)檢定規(guī)程JJG 134-2003中標(biāo)準(zhǔn)6.6.2進(jìn)行,。測(cè)試系統(tǒng)由振動(dòng)臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)傳感器BK-8305,、信號(hào)放大器,、數(shù)據(jù)采集卡、PC等組成,。移頻器為上海清津光電生產(chǎn)的80 MHz聲光移頻器,。激光器為窄線寬激光器，輸出功率為50 mW,，鏡頭口徑為30 mm,，反射目標(biāo)靶位距離望遠(yuǎn)鏡10 m。
3.1.1 HLDV性能測(cè)試
本文中驅(qū)動(dòng)聲光移頻器2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為82.5 MHz,，如果與之配對(duì)的移頻器的標(biāo)稱(chēng)特性和驅(qū)動(dòng)器匹配不好,，工作特性不理想，可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的色散,。首先保持振動(dòng)臺(tái)與測(cè)速系統(tǒng)相對(duì)靜止,，然后進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量。圖5(a)為沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),，驅(qū)動(dòng)器和移頻器工作特性匹配不佳情況下,，接收回波和經(jīng)過(guò)移頻的激光拍頻頻譜，出現(xiàn)較嚴(yán)重的色散,，且噪聲明顯,；驅(qū)動(dòng)器與移頻器匹配良好情況下，本振光經(jīng)過(guò)匹配良好的移頻器再與反射光拍頻后,，效果如圖5(b)所示,，頻譜峰值所在位置為2.5 MHz，頻譜中除了外差頻率2.5 MHz,，則色散程度會(huì)明顯減輕,，倍頻5 MHz和7.5 MHz明顯削弱，頻帶范圍內(nèi)本底噪聲不明顯,。色散給后續(xù)數(shù)據(jù)采集與分析帶來(lái)困難,，為了降低移頻器色散帶來(lái)的影響，提高系統(tǒng)的信噪比及魯棒性能,，一方面可以通過(guò)設(shè)計(jì)前端的模擬帶通濾波器來(lái)濾除干擾頻率,，另一方面也可以通過(guò)調(diào)整聲光移頻器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率降低上述干擾頻率干擾,。本文采用2.3.2節(jié)中設(shè)計(jì)的數(shù)字帶通濾波器對(duì)多普勒回波信號(hào)進(jìn)行濾波，過(guò)采樣結(jié)合數(shù)字帶通濾波器之后濾波效果如圖5(c)所示,。
3.1.2 HLDV自適應(yīng)振動(dòng)噪聲消除
在測(cè)試系統(tǒng)的附近通常會(huì)存在隨機(jī)振動(dòng),，如果不加以處理，多普勒系統(tǒng)的測(cè)量會(huì)受到系統(tǒng)自身的隨機(jī)振動(dòng)噪聲帶來(lái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的干擾,，進(jìn)而影響對(duì)目標(biāo)速度的判斷,。為了提高測(cè)振系統(tǒng)的抗振能力，在多普勒系統(tǒng)測(cè)振系統(tǒng)上增加磁電式測(cè)振計(jì),，測(cè)量測(cè)振系統(tǒng)本身的隨機(jī)振動(dòng),，并作為自適應(yīng)濾波器的輸入，自適應(yīng)濾波器輸出對(duì)該隨機(jī)振動(dòng)的估計(jì),，并從激光回波中消除因?yàn)闇y(cè)振系統(tǒng)本身的隨機(jī)振動(dòng)的影響,，從而提高系統(tǒng)的抗振能力，濾波流程如圖6所示,。
自適應(yīng)振動(dòng)消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：利用振動(dòng)臺(tái)給被測(cè)目標(biāo)和多普勒系統(tǒng)分別同時(shí)施加振動(dòng),，首先驅(qū)動(dòng)被測(cè)目標(biāo)以固定頻率0.5 Hz振動(dòng)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以5 Hz頻率振動(dòng),；設(shè)置磁電式測(cè)振計(jì)的測(cè)量值為Nn,，n=0，1,，…,，255，采樣頻率為20 Hz,，作為自適應(yīng)濾波器的輸入,，多普勒系統(tǒng)的測(cè)量值為dn，n=0,，1,，…，255,，利用2.3.3節(jié)RLS自適應(yīng)濾波。圖6(c)中,，經(jīng)過(guò)1 s左右,，dn經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波，誤差曲線快速收斂至目標(biāo)振動(dòng),，系統(tǒng)能較好地濾除本身振動(dòng)的影響,，正確反映被測(cè)目標(biāo)的振動(dòng)。通過(guò)測(cè)振系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)自適應(yīng)消除,，HLDV的本底噪音保持在-90 dB附近,，全頻帶范圍內(nèi)本底噪音分布更為平坦,，因此，測(cè)振計(jì)的低頻振動(dòng)探測(cè)能力得到顯著提高,。
3.1.3 HLDV與傳統(tǒng)接觸式傳感器比較
實(shí)驗(yàn)將激光測(cè)振儀與目前工程中常用的磁電式傳感器(941B)速度傳感器進(jìn)行對(duì)比,，如表1所示，兩者均可完成工程測(cè)量,，非接觸式的測(cè)量手段具有更大的工程測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì),。
3.2 模型索實(shí)際測(cè)試
測(cè)試對(duì)象為模型斜拉索，多普勒回波信號(hào)的數(shù)據(jù)采集間隔為25 ms,，每次采集400 K數(shù)據(jù)點(diǎn),，采樣頻率為10 MS/s，進(jìn)行功率譜分析,；前一步每50 ms得到一個(gè)速度采樣點(diǎn),，等效速度的采樣頻率為20 S/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,。
4 結(jié)論
針對(duì)大型柔性結(jié)構(gòu)的低頻測(cè)振需要,，本文設(shè)計(jì)了串行雙移頻器外差式激光多普勒測(cè)振系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了針對(duì)串行雙移頻器的雙路DDS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和固件系統(tǒng),，并設(shè)計(jì)了雙路高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，分別采集固定外差頻率與激光多普勒回波信號(hào)，從而實(shí)時(shí)計(jì)算回波頻移,。在此基礎(chǔ)上對(duì)測(cè)振系統(tǒng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究,，測(cè)試了HLDV的本底噪聲，并利用自適應(yīng)濾波器消除測(cè)振系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng),，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾性能,，并將測(cè)振系統(tǒng)用于實(shí)際斜拉索頻譜測(cè)試。實(shí)驗(yàn)接過(guò)表明,，本文的HDLV分辨率為19.375 ?滋m/s,，能夠準(zhǔn)確獲取橋梁低頻振動(dòng)頻率信息，系統(tǒng)的本底噪音曲線呈平坦分布,，噪音譜線的起伏程度在有較強(qiáng)的隨機(jī)振動(dòng)存在時(shí)也能夠得到明顯抑制,。本文HLDV的研究為實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)信息的非接觸檢測(cè)提供了新的研究方向。
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作者信息:
李東明1,，王 翔2，3,，徐俊峰4,，柴小鵬1，2,，胡亞斌1,，王永濤1
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430074,；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司,，湖北 武漢430034；
3.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，湖北 武漢430034,；4.中船重工集團(tuán)公司第722研究所，湖北 武漢430074)