光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法改進(jìn)

郭常盈 吳冉

摘 要： 現(xiàn)有的相位測量算法進(jìn)行光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量時(shí)，未考慮原始光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘栔械脑肼暩蓴_，導(dǎo)致測量精度差。因此，對光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法進(jìn)行改進(jìn)，采用自適應(yīng)濾波系統(tǒng)去除光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘栔械脑肼暎ㄟ^去噪后的自混合信號實(shí)施變換處理獲取解析信號，提取解析信號的包裹相位突變點(diǎn)，根據(jù)相位突變點(diǎn)與正負(fù)單位脈沖的乘積定位相位突變點(diǎn)的正確方向，得到自混合干涉條紋；去除自混合干涉條紋中的小數(shù)條紋獲取全部整數(shù)條紋點(diǎn)，對條紋點(diǎn)進(jìn)行賦值、差值和平滑處理，獲取外部目標(biāo)重構(gòu)位移軌跡，即光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法具有較高的光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量精度。

關(guān)鍵詞： 光反饋； 自混合干涉； 去噪； 相位突變點(diǎn)； 整數(shù)條紋； 位移測量

中圖分類號： TN247?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0108?04

Abstract： The noise interference in original optical feedback self?mixing interference signals is not considered when the current phase measurement algorithm is used for real?time tracking measurement of optical feedback self?mixing interference displacement， resulting in poor measurement accuracy. Therefore， improvement of the real?time tracking measurement algorithm for optical feedback self?mixing interference displacement is conducted. The adaptive filtering system is adopted to remove the noises in optical feedback self?mixing interference signals. The transform processing of denoised self?mixing signals is conducted to obtain the analytic signals. The mutation points for the wrapped phase of analytic signals are extracted. The correct direction of phase mutation points is located according to the product of the phase mutation point and the positive or negative unit pulse， so as to obtain self?mixing interference stripes. The decimal stripes in self?mixing interference stripes are removed to obtain all the integer stripe points. The stripe points are assigned， interpolated and smoothed to obtain the displacement track of external target reconfiguration， that is， optical feedback self?mixing interference displacement. The experimental results show that the proposed algorithm has high accuracy in real?time tracking measurement of optical feedback self?mixing interference displacement.

Keywords： optical feedback； self?mixing interference； denoising； phase mutation point； integer stripe； displacement measurement

隨著激光技術(shù)廣泛使用，光反饋?zhàn)曰旌细缮婕夹g(shù)脫穎而出，以高分辨率、非接觸測量、精確度高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于工業(yè)中不同測量環(huán)節(jié)，在物體震動(dòng)測量、位移測量、速度測量等方面發(fā)揮不可替代的作用[1]。實(shí)現(xiàn)光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量的算法種類繁多，近年來一般采用相位測量法、條紋計(jì)數(shù)法、相位解卷法等算法。

傳統(tǒng)相位測量算法進(jìn)行光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量時(shí)，未考慮原始光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘栔械脑肼暩蓴_，導(dǎo)致測量精度不理想，本文對此加以改進(jìn)，引入自適應(yīng)濾波系統(tǒng)對原始光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘枌?shí)施去噪處理，一方面能夠降低后期測量的難度，另一方面提高測量的精確度[2]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法的測量精準(zhǔn)度高、誤差小，為工業(yè)測量提供新的測量手段，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 改進(jìn)光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法

光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法的核心思想為：采集全部整數(shù)干涉條紋點(diǎn)，獲取相應(yīng)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向[3]。自混合信號的整數(shù)條紋與小數(shù)條紋均能描述外部目標(biāo)激光器的波長，整數(shù)干涉條紋等于半個(gè)激光器波長，小數(shù)條紋等于[14]個(gè)激光器波長。在此基礎(chǔ)上賦值全部整數(shù)條紋點(diǎn)，對位移信號實(shí)施3次樣條插值重構(gòu)操作，至此完成[14]個(gè)激光器波長分辨率位移測量。光反饋?zhàn)曰旌细缮妫∣FSMI）信號中往往存在噪聲，干擾測量參數(shù)的獲取，導(dǎo)致最終位移測量精度下降，為提高光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量的精確度，本文改進(jìn)光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法，在進(jìn)行測量之前對光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘枌?shí)施濾波去噪處理[4]。改進(jìn)的光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)施跟蹤測量算法流程見圖1。

1.1 光反饋?zhàn)曰旌细缮嫘盘栐肼暼コ?/p>

OFSMI信號中的噪聲分為多種，本文對常見的低頻波動(dòng)攜帶的信號包絡(luò)噪聲進(jìn)行深入探究[5]。文章引入自適應(yīng)濾波系統(tǒng)去除OFSMI信號中的噪聲，如圖2所示。分析圖2能夠看出，該濾波系統(tǒng)包含上通道與下通道，非理想信號從上通道輸入，參考信號從下通道輸入，其中非理想信號用[g′t]描述，參考信號用[nt]描述；[nt]是噪聲且位于[g′t]中，從LD驅(qū)動(dòng)中可獲取該噪聲。子適應(yīng)函數(shù)的轉(zhuǎn)移函數(shù)用[Hz]描述，濾波器的輸出用[Yt]描述，誤差信號用[gt]描述，能夠去除低頻包絡(luò)中的自混合信號。最后通過最小均方誤差方法更新濾波器的抽頭權(quán)重，獲取去除噪聲的信號[Pon]。

1.2 相位突變點(diǎn)提取與正確方向定位

1.2.1 相位突變點(diǎn)提取

基于噪聲去除后的自混合信號實(shí)施變換處理獲取解析信號，采用atan2根據(jù)解析信號虛實(shí)兩部分計(jì)算相應(yīng)的包裹相位[6]，由于檢測包裹相位[-π，π]的相位突變點(diǎn)就能得到包裹相位的條紋，所以包裹相位的條紋點(diǎn)可以在提取包裹相位突變點(diǎn)基礎(chǔ)上得到，也就是自混合干涉條紋[7]。相位突變點(diǎn)獲取步驟：給完成微分操作后的包裹相位定義正確閾值，進(jìn)行全部負(fù)主峰值點(diǎn)提取同時(shí)取符號函數(shù)。

1.2.2 相位突變點(diǎn)正確方向定位

基于上述相位突變點(diǎn)提取結(jié)果，為相位突變點(diǎn)找到正確方向定位十分關(guān)鍵。由于信號噪聲消除過程中，自混合信號會伴有相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方向信息，取自混合信號的符號函數(shù)，再取反，獲取相應(yīng)的正負(fù)單位脈沖[8]。相位突變點(diǎn)的正確方向是根據(jù)相位突變點(diǎn)與正負(fù)單位脈沖的乘積進(jìn)行定位，獲取方向正確的條紋點(diǎn)[9]，如圖3所示。坐標(biāo)系中，條紋遠(yuǎn)離激光器運(yùn)動(dòng)用縱軸1描述，條紋靠近激光器運(yùn)動(dòng)用縱軸-1描述。

1.3 條紋賦值與插值重構(gòu)

分析圖3，小數(shù)條紋點(diǎn)用添加圓圈來描述。其中小數(shù)條紋點(diǎn)雖占少數(shù)，但將小數(shù)條紋點(diǎn)看成整數(shù)條紋點(diǎn)實(shí)施波長賦值則會降低位移測量的精確度，所以對小數(shù)條紋點(diǎn)進(jìn)行清除獲取的全部整數(shù)條紋點(diǎn)如圖4所示。根據(jù)并列條紋的兩種情況進(jìn)行相應(yīng)賦值：第一，并列條紋點(diǎn)存在相同值，則條紋點(diǎn)間的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向未改變，進(jìn)行條紋賦值時(shí)整條紋位移矢量波長的加減是由條紋點(diǎn)的符號值控制的[10]；第二，并列條紋點(diǎn)存在不同值，此時(shí)條紋點(diǎn)間的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生變化，因?yàn)樾?shù)條紋存在并列條紋點(diǎn)之間，在條紋點(diǎn)的中間部分對小數(shù)條紋補(bǔ)償[14]激光器波長。對賦值完畢的條紋點(diǎn)實(shí)施插值與平滑處理，獲取外部目標(biāo)重構(gòu)，重構(gòu)結(jié)果則是光反饋?zhàn)曰旌细缮娴奈灰平Y(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法的有效性，采用本文算法構(gòu)建測量系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)所需光反饋狀態(tài)可通過調(diào)試衰減器來掌握，PZT的運(yùn)動(dòng)采用正弦信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，0～150 V是其電壓可調(diào)范圍，10～100 Hz為驅(qū)動(dòng)頻率。設(shè)定激勵(lì)信號的峰?峰值分別是14.78 V，28.07 V，41.02 V，30 Hz為此時(shí)的驅(qū)動(dòng)頻率。三種情況下獲取的自混合干涉實(shí)驗(yàn)信號如圖5所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

三種不同驅(qū)動(dòng)電壓值下外部物體位移測量結(jié)果如表1所示，其中：測量誤差用[γΔLjΔLj]描述；驅(qū)動(dòng)信號波形圖如圖6所示；重構(gòu)外部物體運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

分析圖6、圖7，本文算法獲取的重構(gòu)外部物體運(yùn)動(dòng)軌跡走勢大致相同，說明本文算法能夠獲取較好的外部物體重構(gòu)結(jié)果，進(jìn)而獲取較高的位移測量精度。

分析表1能夠看出，3種數(shù)值電壓設(shè)置下，本文算法與PE4位移測量結(jié)果相比，誤差維持在0.35%左右，誤差較小，基本接近實(shí)際位移測量結(jié)果，說明本文算法的精確度較高。由于本文算法沒有光條件的限制，所以在適度光反饋與弱光反饋下均能進(jìn)行位移測量，本文算法的適用性較好。

3 結(jié) 論

本文對光反饋?zhàn)曰旌细缮嫖灰茖?shí)時(shí)跟蹤測量算法進(jìn)行改進(jìn)，對原始OFSMI信號進(jìn)行去噪處理，降低位移測量難度的同時(shí)提高位移測量的精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法能夠獲取精準(zhǔn)的外部物體重構(gòu)結(jié)果，測量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。

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