三維激光多普勒測(cè)振儀研究

浙大寧波理工學(xué)院 朱磊磊

寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 上海大學(xué) 馬 勰

浙大寧波理工學(xué)院 馬修水 于凱東

余姚舜宇智能光學(xué)技術(shù)有限公司 宋云峰

激光測(cè)振儀具有非接觸測(cè)量，時(shí)間與空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、機(jī)床、汽車等行業(yè)振動(dòng)測(cè)量。本文綜述了三維激光多普勒測(cè)振儀國(guó)內(nèi)外研究成果及應(yīng)用，簡(jiǎn)要分析其存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。

傳統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)量大多是接觸式測(cè)量，其缺點(diǎn)是有附加質(zhì)量以及質(zhì)量載荷引起的誤差，特別是對(duì)于輕型或者小型結(jié)構(gòu)的測(cè)試對(duì)象，可能會(huì)改變輕和柔性材料結(jié)構(gòu)的固有頻率，此外，有些材料對(duì)電磁干擾靈敏，也對(duì)振動(dòng)測(cè)量產(chǎn)生影響，對(duì)于測(cè)量大面積物體時(shí)，需要放置較多的測(cè)振儀。非接觸式測(cè)量以單點(diǎn)式振動(dòng)測(cè)量?jī)x為主，隨著校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展，三維激光多普勒測(cè)振儀應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由于其測(cè)量準(zhǔn)確性、自動(dòng)化程度越來(lái)越高，能夠配合工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)試，與單點(diǎn)測(cè)振儀在三個(gè)位置測(cè)量相比，使用三維測(cè)振儀測(cè)量具有整體的測(cè)量結(jié)構(gòu)，信號(hào)處理更加方便。

本文綜述了三維激光多普勒測(cè)振儀的原理與發(fā)展，重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外具有代表性企業(yè)的產(chǎn)品，對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 原理

三維激光多普勒測(cè)振儀測(cè)振原理如圖1所示，主要包括三組正交分布的單點(diǎn)式測(cè)振單元、控制箱以及信號(hào)處理部分。常用的激光是波長(zhǎng)為632.8nm的He-Ne激光，測(cè)振單元發(fā)出的激光光束經(jīng)過透鏡聚焦于某一物點(diǎn)，測(cè)振單元內(nèi)部有高精度的干涉儀，被測(cè)物體表面點(diǎn)上的散射光束回到測(cè)振單元形成干涉，通過控制器解調(diào)出各個(gè)測(cè)振單元相應(yīng)的光束投影分量，再將投影分量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維變換分解，將分解后的數(shù)據(jù)通過空間矢量算法將物點(diǎn)三分量多普勒頻移信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三分量物體振動(dòng)速度與位移信息，最后得到被測(cè)點(diǎn)的三維振動(dòng)信息。

圖1 三維激光多普勒測(cè)振儀測(cè)振原理

2 研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 Polytec公司產(chǎn)品

德國(guó)Polytec公司利用激光多普勒干涉技術(shù)測(cè)量振動(dòng)，其三維測(cè)振儀主要由光學(xué)部分（掃描頭），電子部分（前端）和控制部分（數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）構(gòu)成。掃描頭內(nèi)部包含高精度干涉儀、一對(duì)將激光束偏轉(zhuǎn)到需要測(cè)試位置高速搖擺鏡和用于可視化測(cè)量的高清彩色攝像機(jī)。代表性產(chǎn)品有PSV-500-3D三維掃描式激光測(cè)振儀和MSA-100-3D顯微式測(cè)振儀。

PSV-500-3D-M是Polytec公司推出的全球第一款全數(shù)字式全場(chǎng)三維掃描激光測(cè)振儀，適用于高頻振動(dòng)測(cè)量，擁有完整的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，具有模塊化的特點(diǎn)。該產(chǎn)品優(yōu)化了相干技術(shù)，使設(shè)備在測(cè)量范圍內(nèi)頻率呈高穩(wěn)定性，解決了三束光的串?dāng)_問題。該產(chǎn)品主要特點(diǎn)有：（1）交互式設(shè)置可以通過導(dǎo)入文件來(lái)獲取被測(cè)物體的形貌數(shù)據(jù)，能直接在視頻圖像中定義需要的內(nèi)容；（2）在快速掃描的過程中保持最佳聚焦?fàn)顟B(tài)，并且保持最佳信噪比；（3）可輸出需要的內(nèi)容圖片、圖形和動(dòng)畫；（4）信號(hào)處理器可以對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)計(jì)算；（5）采用高精度掃描頭和激光三角法進(jìn)行精確定位，掃描角度達(dá)到50°×40°。圖2為三維掃描激光多普勒測(cè)振儀。

圖2 三維掃描激光多普勒測(cè)振儀

為了進(jìn)行小面積的測(cè)量，Polytec公司研發(fā)了MSA-100-3D顯微式激光多普勒測(cè)振儀，可以進(jìn)行微機(jī)電傳感器和執(zhí)行器的振動(dòng)測(cè)量，激光光斑小于4μm，測(cè)試距離大，可達(dá)38mm，能與常規(guī)的MEMS商用探針測(cè)試臺(tái)兼容。

2.2 舜宇集團(tuán)有限公司產(chǎn)品

舜宇集團(tuán)光學(xué)科技公司2018年生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)跨尺度三維光電振動(dòng)測(cè)量?jī)x3DLVS-B，可同時(shí)測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)，配置專用軟件，可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)同步輸出，實(shí)現(xiàn)超寬頻帶振動(dòng)測(cè)量，可以選擇適當(dāng)?shù)牧砍毯皖l率范圍來(lái)達(dá)到用戶的要求。

三維光纖測(cè)振儀3DLVS-F是3DLVS-B的升級(jí)版，與3DLVS-B相比，體積更加的小巧，模塊化設(shè)計(jì)使得測(cè)振儀便于拆裝。在控制箱中有高精密的紅外激光干涉儀，可結(jié)合掃描功能進(jìn)行三維掃描測(cè)量。

表1 三維激光多普勒測(cè)振儀的技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

公司研發(fā)的三維掃描式激光測(cè)振儀LV-SC300-3D，含高精密激光干涉儀，360倍（30倍光學(xué)變焦，12倍數(shù)字變焦）彩色高清攝像頭，掃描點(diǎn)數(shù)可高達(dá)512×512。

表1為德國(guó)polytec公司和舜宇集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的三維激光多普勒測(cè)振儀的技術(shù)參數(shù)對(duì)比。由表1可見，在相同頻率范圍內(nèi)，國(guó)內(nèi)測(cè)量速度指標(biāo)與國(guó)外還有較大差距。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀

利用三維激光測(cè)振儀對(duì)整車制動(dòng)器在特定的情況下的振型進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，三維激光多普勒測(cè)振儀捕捉采集噪音的振型，利用有限元模型進(jìn)行分析，最后得到降低制動(dòng)器噪音的解決方法。

利用三維掃描激光測(cè)振儀測(cè)量風(fēng)機(jī)葉片的三維位移，以此來(lái)計(jì)算風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分布，優(yōu)化傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高動(dòng)載荷作用下構(gòu)件的耐久性，再利用有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)在低頻和高頻下精確測(cè)量法向應(yīng)變和剪切應(yīng)變。

利用三維激光多普勒測(cè)振儀組成的系統(tǒng)測(cè)量人顱骨的三維表面，在表面設(shè)置了200個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)頻率響應(yīng)。研究得到在各種刺激模式下，不同的頻率對(duì)于顱骨的不同位置產(chǎn)生的影響是不同的，低頻的顱骨運(yùn)動(dòng)取決于刺激部位。

3 存在問題與發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

激光多普勒測(cè)振儀在應(yīng)用方面存在以下問題：

（1）用戶交互改善。有些設(shè)備含有大量的用戶交互，需要手動(dòng)進(jìn)行儀器定位等，耗時(shí)長(zhǎng)，且導(dǎo)致同一物體測(cè)量數(shù)據(jù)的不確定性，需要自動(dòng)校準(zhǔn)程序和建立3D模型，配合攝像機(jī)實(shí)時(shí)與樣本進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備測(cè)量與模型自動(dòng)映射。

（2）基于表面效應(yīng)的聚焦方法改進(jìn)。目前激光多普勒測(cè)振儀大多具備高靈敏度的光學(xué)頭，能夠適應(yīng)部分惡劣環(huán)境，但對(duì)于一些低反射率的物體，反射光可能會(huì)消失或不足以到達(dá)接收鏡頭，需要涂反射材料提高反射性能。

（3）測(cè)量精度有待提高。多普勒頻移可能會(huì)影響測(cè)量精度，接收器接收到的多普勒信號(hào)存在信號(hào)增寬，也就是多普勒頻譜增寬等問題，其原因可能是測(cè)量?jī)x器離被測(cè)對(duì)象太遠(yuǎn)，測(cè)量時(shí)間太長(zhǎng)，以至于攜帶振動(dòng)信息反射光有時(shí)間差；此外由于參考光的存在，導(dǎo)致探測(cè)器孔徑增大，會(huì)影響測(cè)量精度。

（4）誤差溯源及修正技術(shù)需加強(qiáng)。測(cè)量點(diǎn)并不能一直都精確地滿足要求，激光束不是完全正交，由此引入的誤差，過程的非平穩(wěn)性帶來(lái)的誤差以及被測(cè)對(duì)象位置的不確定性引起的誤差，大部分與位置相關(guān)，此外還有安裝誤差，需研究誤差溯源、建模及修正技術(shù)。

（5）三維姿態(tài)成像定位優(yōu)化。三維激光多普勒測(cè)振儀與掃描式激光測(cè)振儀兩者應(yīng)用場(chǎng)景有很多類似，因此有成像定位的需求，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外的激光測(cè)振儀的發(fā)展已有成像，但是成像的像素不是很高，定位還需要優(yōu)化，有待進(jìn)一步的研究。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)激光多普勒測(cè)振的研發(fā)已經(jīng)有較大的發(fā)展，但是與國(guó)外的先進(jìn)水平相比還有一定的差距，其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）優(yōu)化功能設(shè)置。不同的用戶需要的數(shù)據(jù)結(jié)果各不相同，輸出的結(jié)果以用戶需求為導(dǎo)向是發(fā)展的方向，現(xiàn)在國(guó)外儀器已能輸出圖片、動(dòng)畫等，國(guó)內(nèi)的情況相對(duì)比較單調(diào)，需要豐富用戶優(yōu)化交互設(shè)置。

（2）提高環(huán)境適應(yīng)能力。目前設(shè)備適應(yīng)環(huán)境的溫度在3℃到45℃之間，更惡劣的環(huán)境下無(wú)法測(cè)量。因此改善設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力是激光測(cè)振儀未來(lái)研發(fā)的方向。

（3）噪聲與數(shù)據(jù)處理。噪聲是真實(shí)信息以外測(cè)量所得的值，如熱噪聲，散粒噪聲等，由于光量子性的特點(diǎn)，相同的測(cè)量時(shí)間內(nèi)進(jìn)入探測(cè)器的光子數(shù)有差異，形成散粒噪聲，當(dāng)光電轉(zhuǎn)換時(shí)，量子起伏也會(huì)形成散粒噪聲；此外，還有低頻噪聲等。降低噪聲是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵。

（4）儀器移動(dòng)穩(wěn)定性。因?yàn)閮x器位置會(huì)影響測(cè)量的穩(wěn)定性，所以固定儀器以及靈活移動(dòng)儀器時(shí)，測(cè)量穩(wěn)定性成為一個(gè)特別重要的因素。現(xiàn)在雖然已經(jīng)有便攜式激光多普勒測(cè)振儀，但是測(cè)量精度不高。在測(cè)量大尺寸的物件時(shí)，儀器的移動(dòng)不可避免，因此，研究?jī)x器移動(dòng)的穩(wěn)定性是熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

總結(jié)：三維激光多普勒測(cè)振儀是一種適合多種場(chǎng)合振動(dòng)測(cè)量的儀器，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、車輛安全、軍工產(chǎn)品檢測(cè)等方面發(fā)揮重要作用。本文綜述了三維激光多普勒測(cè)振儀產(chǎn)品研發(fā)以及應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。目前，我國(guó)的三維激光多普勒測(cè)振儀的發(fā)展與國(guó)外差距正在縮小，相關(guān)研究還需要進(jìn)一步突破優(yōu)化功能設(shè)置、提高測(cè)量速度、提高測(cè)量精度及定位精度等關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)三維激光多普勒測(cè)振儀向儀器整體化、模塊化、多樣化方向發(fā)展。