基于互相關的大型機組軸系激光對中微弱信號提取方法研究

唐晨， 張茂云， 曹國華， 丁紅昌

(長春理工大學 機電工程學院, 吉林 長春 130022)

基于互相關的大型機組軸系激光對中微弱信號提取方法研究

唐晨， 張茂云， 曹國華， 丁紅昌

(長春理工大學 機電工程學院, 吉林 長春 130022)

為提高自主研發的大型機組軸系激光對中儀的對中精度，減少由位置檢測單元(PSD)受雜散光干擾引起的誤差，提出一種基于互相關算法的微弱信號提取方法。建立基于互相關算法的數學模型，并設計模擬電路，實現了大型機組軸系激光對中儀的位置誤差補償；搭建實驗測試系統獲取PSD坐標數據，使用二維精密微位移平臺進行重復性實驗驗證，對測量數據進行分析。實驗結果表明，該方法可以在自然光照條件下保證設備的精度，分辨力在0.005 mm內，可以有效地提高大型機組軸系激光對中儀對外界噪聲的抗干擾性能。

儀器儀表技術； 激光對中儀； 互相關； 微弱信號提?。?誤差補償

0 引言

大型機組一般由軸系來傳遞動力，目前主要采用激光對中儀對機組的轉軸和軸承槽進行對中，本文研究的大型機組軸系激光對中儀由激光發射模塊、位置檢測單元(PSD)構成[1-4]。用PSD進行位置測量，根據PSD的輸出電流方程，計算出PSD光敏面上的光點坐標，由數學模型推導出對中調整數據。在檢測中如果除了入射光外，還有其他背景光在PSD上造成響應，這無疑會干擾測試系統的正常檢測，使精度降低，甚至使系統無法工作。

PSD的測量精度是影響大型機組軸系激光對中儀檢測精度的關鍵因素，要實現激光對中儀的高精度測量，首先要解決的問題就是提高PSD的測量精度，必須采取有效的微弱信號提取方法。

現有的方法主要通過增加與激光器波長匹配的濾光片來消除背景光的影響，在明亮環境下誤差仍較大。本文以大型機組軸系激光對中儀為硬件平臺，根據對中儀的控制原理，采用一種基于互相關算法的去噪方法[5-8]，通過建立互相關算法的數學模型結合電路實現對大型機組軸系激光對中儀進行位置誤差補償，并給出了相應的硬件實現方法。對激光發射模塊和PSD驅動模塊進行改進，從而有效地濾除外界光干擾，提取弱信號，實驗結果表明該方法可以有效地提高大型機組軸系激光對中儀的檢測精度。

1 對中檢測原理

1.1 工作原理

大型機組激光對中儀是針對大型機組旋轉軸中心線與軸瓦或軸承環槽中心線位置差進行檢測，大型機組軸系激光對中原理如圖1所示。由激光器發出準直基準光束，PSD光靶接收光點位置坐標、傾角裝置檢測角度信息，根據對中數學模型計算出軸瓦或軸承環槽在水平方向與鉛垂方向的偏差量，通過調整機構使軸瓦或軸承環槽中心線與旋轉軸中心線重合。

1.2 總體設計激光對中儀的結構組成

大型機組軸系激光對中儀結構如圖2所示。激光光源經調制之后，經過濾光片，濾除一部分雜光；濾除雜光后的激光光源一部分反射到測量PSD上，經過電路運算，測得激光器打在測量PSD上的位置坐標；而另一部分經過分光片投射到雙凸透鏡后匯聚到校正PSD上，再經過電路運算測得匯聚的激光光源在校正PSD上的坐標；最后通過空間坐標變換計算出實際測得的激光器坐標值。

圖2 大型機組軸系激光對中儀結構Fig.2 Structure diagram of large unit shafting laser alignment instrument

2 基于互相關算法的校正模型及硬件實現

在微弱信號檢測中，相關檢測技術可以將淹沒在噪聲中的有用信號有效地提取出來，本文采用互相關算法把確定信號和干擾噪聲區分開來。

2.1 背景光對PSD的干擾模式

作用在PSD上光的形式可分為兩大類，一類是背景光，另一類是入射光源，背景光是照明光源或自然背景光。在測量時無論哪種背景光照射在PSD上，都相當于在PSD上除了位置指示光點外，還有一個背景光光點，此時，PSD輸出的位置信號是兩個光點共同作用的結果。

下面以改進的表面分流型二維PSD為例，推導兩光點位置關系。背景光與入射光作用時的坐標關系如圖3所示。

圖3 背景光與入射光在PSD上的坐標關系Fig.3 Coordinate relationship between ambient light and incident light in PSD

設入射光照射到PSD上Pi(xPi,yPi)點，等效背景光作用于PSD上Pa(xPa,yPa)點，入射光單獨作用時PSD輸出電流為(Ix1i，Ix2i，Iy1i，Iy2i)；背景光單獨作用時PSD輸出電流為(Ix1a，Ix2a，Iy1a，Iy2a)；PSD在兩個光點共同作用下輸出的電信號是它們疊加的結果，即(Ix1i+Ix1a，Ix2i+Ix2a，Iy1i+Iy1a，Iy2i+Iy2a)，此時由PSD輸出電流。解算出的位置P(xP,yP)為

(1)

(2)

式中：L為PSD的有效長度。

設Ix1i+Ix2i+Iy1i+Iy2i=Ii，Ix1a+Ix2a+Iy1a+Iy2a=Ia，K=Ii/Ia，則(1)式和(2)式可轉換為

(3)

(4)

PSD輸出電流計算其光敏面上光點位置方程分別為

(5)

(6)

根據方程(5)式和(6)式則可得求得xPi、yPi、xPa和yPa的坐標值，將其帶入(3)式和(4)式可求得P(xP,yP)的坐標值為

xP=(1+K-1)-1xPi+(1+K)-1xPa，

(7)

yP=(1+K-1)-1yPi+(1+K)-1yPa.

(8)

考慮到Ii、Ia分別與入射光和背景光的強度有關，則系數K即為入射光與背景光光強之比。(7)式和(8)式表明，當兩個等效光點Pi和Pa共同作用于PSD上時，由PSD輸出電流算出的位置坐標P(xP,yP)，是兩光點Pi和Pa間的點，即該解算點位于兩光點連線上，且距兩光點距離之比與兩光點強度成反比。

2.2 互相關算法數學模型及仿真

背景光經過光電轉換后成為直流背景光信號，如果信號直接經過直流放大，信號中的直流噪聲、器件漂移以及探測器和電路中的低頻噪聲同時被放大，嚴重時噪聲比有用信號大幾個數量級，將導致無法完成測試任務。確定性信號的不同時刻取值一般都具有較強的相關性[9]，對于干擾噪聲，因為其隨機性較強，不同時刻取值的相關性一般較差，利用這一差異可以把確定信號和干擾噪聲區分開來，故可應用相關算法實現確定性信號的提取。

如圖4所示，采用信號調制驅動器和相關器作為信號處理系統，對光源進行調制，半導體激光器可以通過對電源的調制得到不同波形的激光。將激光器的電源供電電路進行脈寬調制，使激光器的輸出能量變成具有一定頻率的交流信號。圖4中sm(t)為激光器發出的調制好的信號，sr(t)為參考信號，sa(t)為背景光的信號。

圖4 信號處理系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of signal processing system

激光器發出的調制好的信號為

(9)

式中：A為激光器調制信號的幅值；T為激光器調制信號周期。

由傅里葉變換展開三角函數式：

(10)

式中：ω0為角頻率。

參考信號sr(t)是調制器發出的頻率為f0的正弦信號，即

sr(t)=Vsin(ω0t+φ)，

(11)

式中：φ為相位；V為振幅。

含有背景光的輸入信號為

f(t)=sm(t)+sa(t).

(12)

參考信號為

fr(t)=sr(t).

(13)

根據互相關理論可得輸入信號與參考信號的互相關函數為

(14)

式中：τ為信號間的時間間隔，即時延。

通過上述推導可知，只有滿足有用信號的頻率和參考信號頻率一致的條件時，才能濾掉噪聲，得到有用信號。

為驗證上述結論，使用Matlab軟件進行仿真實驗，如圖5(a)所示，基準信號采用方波模擬激光器經調制后的波形，它既作為原始信號，又作為參考信號。如圖5(b)所示，使用具有一定幅值的白噪聲信號模擬背景光，另一不同頻率和幅值的交流信號模擬固定干擾信號，使其和原始信號相疊加，其中，各種信號的頻率、幅度、點數、相位等參數可根據實際條件設定。通過相關運算和積分器等，可提取含原始信號特征的信號。

圖5 Matlab仿真圖Fig.5 Matlab simulation diagram

仿真結果表明，提取出的信號與原始信號具有相同的頻率，只是相位、振幅上有些變化，這是由于運算的滯后造成的，可通過相位補償還原原始信號。只有與參考信號頻率相同才能相關輸出，從而去掉了噪聲項。

2.3 算法的硬件電路實現

算法的硬件電路原理框圖如圖6所示，通過對半導體激光器電源的調制，把一束輸出光功率恒定的連續激光變成一束光功率時變的光束，將激光器的電源進行脈寬調制，使激光器的輸出能量變成具有一定頻率的交流信號[10]。

圖6 硬件電路原理框圖Fig.6 Block diagram of electric circuit

由2.2節可以得出推論，要想去掉干擾信號就要保證采集信號頻率與光源調制信號頻率一致，因此采用NE555構成施密特觸發器，將PSD輸出信號，經施密特觸發器產生同頻率的TTL信號。TTL信號為高電平時，激光光斑入射到PSD上產生原始信號輸出，同時疊加了噪聲信號，TTL信號為低電平時，PSD的輸出由噪聲信號單獨產生。

為了分別采集TTL信號為高低電平時的PSD輸出信號作為互相關的原始信號及參考信號，通過單穩態觸發器實現在TTL信號高電平和低電平時分別采集PSD的位置信號，由TTL信號的高電平和低電平分別產生一個觸發信號，所產生的觸發信號分別為CH1和CH2(見圖7和圖8)，其與TTL信號的關系如圖9所示。

圖7 產生觸發信號CH1Fig.7 Generated trigger signal CH1

圖8 產生觸發信號CH2Fig.8 Generated trigger signal CH2

圖9 TTL、CH1和CH2信號對應關系Fig.9 Corresponding relationship of TTL, CH1 and CH2 signals

本文使用了采樣保持器AD684，分別采集高低電平的信號，如圖10所示，其工作原理是在高電平的時候采集信號，低電平的時候保持。根據產生的觸發信號CH1和CH2，對PSD輸出x軸坐標和y軸坐標的電流信號IxP、IyP分別進行采集，在高電平采集到的信號分別為IxPh和IyPh，分別是有用信號和噪聲的疊加信號，低電平采集到的信號分別為噪聲IxPl和IxPl.

圖10 高低電平分別采集信號Fig.10 Acquisition of high and low level signals

由于高電平采集到的信號是有用信號和噪聲的疊加，而低電平采集到的只有噪聲。根據這個原理，本設計將兩個信號進行差分處理，從而將信號中的噪聲濾除掉，如圖11所示。

圖11 降噪處理電路Fig.11 De-noise processing circuit

3 實驗結果及分析

將本文設計的電路安裝在大型機組軸系激光對中儀設備中，實驗現場如圖12所示。系統采用精密二維平臺作為基準，將本儀器的測量光靶放置在精密二維平臺上，以平臺的移動作為基準數據，檢測光點在PSD線性化處理、空間糾偏等基礎上，獲取的光點坐標的精度。測量光靶通過磁力表座固定在精密二維平臺上，激光器粗調保證光點可靠、穩定地落在PSD的光靶上。通過移動精密平臺，使PSD光點x軸方向坐標為0 mm左右后，以每次移動精密二維平臺0.5 mm的方式，獲取PSD坐標數據。連續測量5次，獲取平均值作為最終數據。PSD數據采集流程如圖13所示。

圖12 實驗現場Fig.12 Experimental site

圖13 PSD數據采集流程圖Fig.13 Flow chart of data collection

為保證數據的有效性，在每組測量完成后，調整激光光靶垂直位置，重新按照上述方法獲取PSD坐標數據，連續測量數次，取得每次的誤差值。實驗對象為x軸方向測量結果，實驗條件如下：

1) 室內自然光，室內溫度21 ℃，濕度31.93%.

2) 檢測設備以美國PI公司產二維精密微位移平臺為基準(精度0.001 mm)，每移動0.5 mm間距進行一次測量。

通過表1實驗數據分析可以看出：測量結果與激光照射在PSD上的實際光點值誤差較小，分辨力在0.005 mm以內，優于僅采用濾光片濾除背景光的方法，降低了系統的測量誤差。測量環境得到很大改善，消除了背景光對測量的干擾，不需要在暗室進行實驗?？梢姡瑢⒒ハ嚓P算法應用在大型機組軸系激光對中儀中對誤差補償是一種非常有效的方法。

表1 0.5 mm間距測量

4 結論

1) 本文將互相關算法應用在大型機組軸系激光對中儀中，通過Matlab軟件仿真驗證了理論的正確性，以二維精密微位移平臺作為基準，每移動0.5 mm進行測量，經實驗驗證有效地降低了儀器的測量誤差，分辨力達到0.005 mm.

2) 該方法簡單、易實現、實用性強，消除了外界背景光的干擾，可以提高自主研發的大型機組軸系激光對中儀的對中精度及抗干擾能力，解決了系統精度提升的瓶頸。

3) 本文所提出的方法不僅適用于PSD測量中，也適用于部分其他對光源敏感的感光元器件中。系統的綜合分辨率還受入射到PSD上光斑定位誤差的影響，下一步工作應采用其他技術減小激光光斑的定位誤差。

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StudyofCross-correlationAlgorithm-basedWeakSignalExtractionMethodforLaserAlignmentofLargeUnit

TANG Chen， ZHANG Mao-yun， CAO Guo-hua， DING Hong-chang
(College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

To improve the laser alignment accuracy of a large unit shafting and reduce the errors caused by position sensitive detector (PSD) that is easily interfered by stray light, a weak signal detection algorithm based on cross-correlation algorithm is proposed, the specific mathematical models are established, and the circuits are designed. The position error compensation of laser alignment instrument for large unit shafting is achieved using the mathematical model of cross-correlation algorithm and circuit. To obtain the data of PSD, a 2-D micro-displacement platform was built to test the system. The repeatability tests were completed using the micro-displacement platform, then the measured data was analyzed. The results indicate that the proposed method can ensure the alignment accuracy of the equipment with the resolution of 0.005 mm, and the anti-noise performance of large unit shafting laser alignment instrument can be effectively improved.

apparatus and intruments technology; laser alignment instrument; cross-correlation; weak signal detection; error compensation

2017-05-02

吉林省科技發展計劃項目(20100365)； 兵器科技研究項目(62201040504-A)

唐晨(1986—)，女，講師。E-mail: tangchen@cust.edu.cn

曹國華(1965—)，男，教授，博士生導師。E-mail: caoguohua@cust.edu.cn

TH741.4

A

1000-1093(2017)10-2048-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.022