基于光反馈自混合干涉的位移测量算法设计及滤波 激光与红外.PDF

郭常盈 吴冉

摘 要： 现有的相位测量算法进行光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量时，未考虑原始光反馈自混合干涉信号中的噪声干扰，导致测量精度差。因此，对光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法进行改进，采用自适应滤波系统去除光反馈自混合干涉信号中的噪声，通过去噪后的自混合信号实施变换处理获取解析信号，提取解析信号的包裹相位突变点，根据相位突变点与正负单位脉冲的乘积定位相位突变点的正确方向，得到自混合干涉条纹；去除自混合干涉条纹中的小数条纹获取全部整数条纹点，对条纹点进行赋值、差值和平滑处理，获取外部目标重构位移轨迹，即光反馈自混合干涉位移。实验结果表明，所提算法具有较高的光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量精度。

关键词： 光反馈； 自混合干涉； 去噪； 相位突变点； 整数条纹； 位移测量

中图分类号： TN247?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着激光技术广泛使用，光反馈自混合干涉技术脱颖而出，以高分辨率、非接触测量、精确度高等优点应用于工业中不同测量环节，在物体震动测量、位移测量、速度测量等方面发挥不可替代的作用[1]。实现光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量的算法种类繁多，近年来一般采用相位测量法、条纹计数法、相位解卷法等算法。

传统相位测量算法进行光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量时，未考虑原始光反馈自混合干涉信号中的噪声干扰，导致测量精度不理想，本文对此加以改进，引入自适应滤波系统对原始光反馈自混合干涉信号实施去噪处理，一方面能够降低后期测量的难度，另一方面提高测量的精确度[2]。实验结果表明，所提算法的测量精准度高、误差小，为工业测量提供新的测量手段，具有较高的应用价值。

1 改进光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法

光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法的核心思想为：采集全部整数干涉条纹点，获取相应的目标运动方向[3]。自混合信号的整数条纹与小数条纹均能描述外部目标激光器的波长，整数干涉条纹等于半个激光器波长，小数条纹等于[14]个激光器波长。在此基础上赋值全部整数条纹点，对位移信号实施3次样条插值重构操作，至此完成[14]个激光器波长分辨率位移测量。光反馈自混合干涉（OFSMI）信号中往往存在噪声，干扰测量参数的获取，导致最终位移测量精度下降，为提高光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量的精确度，本文改进光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法，在进行测量之前对光反馈自混合干涉信号实施滤波去噪处理[4]。改进的光反馈自混合干涉位移实施跟踪测量算法流程见图1。

1.1 光反馈自混合干涉信号噪声去除

OFSMI信号中的噪声分为多种，本文对常见的低频波动携带的信号包络噪声进行深入探究[5]。文章引入自适应滤波系统去除OFSMI信号中的噪声，如图2所示。分析图2能够看出，该滤波系统包含上通道与下通道，非理想信号从上通道输入，参考信号从下通道输入，其中非理想信号用[g′t]描述，参考信号用[nt]描述；[nt]是噪声且位于[g′t]中，从LD驱动中可获取该噪声。子适应函数的转移函数用[Hz]描述，滤波器的输出用[Yt]描述，误差信号用[gt]描述，能够去除低频包络中的自混合信号。最后通过最小均方误差方法更新滤波器的抽头权重，获取去除噪声的信号[Pon]。

1.2 相位突变点提取与正确方向定位

1.2.1 相位突变点提取

基于噪声去除后的自混合信号实施变换处理获取解析信号，采用atan2根据解析信号虚实两部分计算相应的包裹相位[6]，由于检测包裹相位[-π，π]的相位突变点就能得到包裹相位的条纹，所以包裹相位的条纹点可以在提取包裹相位突变点基础上得到，也就是自混合干涉条纹[7]。相位突变点获取步骤：给完成微分操作后的包裹相位定义正确阈值，进行全部负主峰值点提取同时取符号函数。

1.2.2 相位突变点正确方向定位

基于上述相位突变点提取结果，为相位突变点找到正确方向定位十分关键。由于信号噪声消除过程中，自混合信号会伴有相应的运动方向信息，取自混合信号的符号函数，再取反，获取相应的正负单位脉冲[8]。相位突变点的正确方向是根据相位突变点与正负单位脉冲的乘积进行定位，获取方向正确的条纹点[9]，如图3所示。坐标系中，条纹远离激光器运动用纵轴1描述，条纹靠近激光器运动用纵轴-1描述。

1.3 条纹赋值与插值重构

分析图3，小数条纹点用添加圆圈来描述。其中小数条纹点虽占少数，但将小数条纹点看成整数条纹点实施波长赋值则会降低位移测量的精确度，所以对小数条纹点进行清除获取的全部整数条纹点如图4所示。根据并列条纹的两种情况进行相应赋值：第一，并列条纹点存在相同值，则条纹点间的目标运动方向未改变，进行条纹赋值时整条纹位移矢量波长的加减是由条纹点的符号值控制的[10]；第二，并列条纹点存在不同值，此时条纹点间的目标运动方向产生变化，因为小数条纹存在并列条纹点之间，在条纹点的中间部分对小数条纹补偿[14]激光器波长。对赋值完毕的条纹点实施插值与平滑处理，获取外部目标重构，重构结果则是光反馈自混合干涉的位移结果。

2 实验分析

2.1 实验设置

为验证本文提出的改进光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法的有效性，采用本文算法构建测量系统，进行实验分析。实验所需光反馈状态可通过调试衰减器来掌握，PZT的运动采用正弦信号进行驱动，0～150 V是其电压可调范围，10～100 Hz为驱动频率。设定激励信号的峰?峰值分别是14.78 V，28.07 V，41.02 V，30 Hz为此时的驱动频率。三种情况下获取的自混合干涉实验信号如图5所示。

2.2 实验结果分析

三种不同驱动电压值下外部物体位移测量结果如表1所示，其中：测量误差用[γΔLjΔLj]描述；驱动信号波形图如图6所示；重构外部物体运动轨迹如图7所示。

分析图6、图7，本文算法获取的重构外部物体运动轨迹走势大致相同，说明本文算法能够获取较好的外部物体重构结果，进而获取较高的位移测量精度。

分析表1能够看出，3种数值电压设置下，本文算法与PE4位移测量结果相比，误差维持在0.35%左右，误差较小，基本接近实际位移测量结果，说明本文算法的精确度较高。由于本文算法没有光条件的限制，所以在适度光反馈与弱光反馈下均能进行位移测量，本文算法的适用性较好。

3 结 论

本文对光反馈自混合干涉位移实时跟踪测量算法进行改进，对原始OFSMI信号进行去噪处理，降低位移测量难度的同時提高位移测量的精确度。实验结果表明，所提算法能够获取精准的外部物体重构结果，测量精度高、稳定性强。

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