基于阶跃激励的外差激光测振仪传递函数评价

　　1　引　言

　　激光测振仪是一种基础性工程测量仪器,其基本测量原理是基于激光光束打到运动物体表面,获得的反射光会因多普勒效应而产生频移,反射光与入射光相干涉后,经过光电探测器,产生频率随激光与物体的相对运动速度成线性关系的FM信号,该信号经激光测振仪后续信号处理电路解调获得的信号波形,即是速度随时间变化的波形。

　　激光测振仪主要用于速度量值的直接测量,经过积分或微分环节,也可以进行位移或加速度测量。因而,激励信号通常是物体表面运动速度,也可以是变化过程中的位移量值。

　　在信号处理电路输入端口,可以直接引入FM信号激励,以获得FM信号的调制波形为实际物理量的激励波形时激光测振仪的响应特性。传递函数是动态测量仪器设备的基本特征,也是激光测振仪的基本参数。评价传递函数依激励信号不同可以有许多种方法,用阶跃响应法评价激光测振仪的传递函数一般可采取两种方式: (1)给其加载系统性物理量激励,如速度阶跃信号或位移阶跃信号,以获得系统的阶跃响应; (2)给FM信号处理电路的输入端加载调制规律为方波的FM信号波形,以获得全系统除光电探头以外部分的阶跃响应。若激励信号波形已知或近似理想,则可由系统辨识理论获得传递函数的评价结果。

　　本文主要讨论后一种情况下,激光测振仪电路参数特性中传递函数的测量评价。

　　2　测量原理

　　如图1所示,选取一合适的FM信号源,使其工作在外部信号调制的状态下,其正弦载波频率为f,调制频偏为Δf,选取一上升时间和下降时间足够小的方波作为FM信号源的外调制信号,其频率为Ω,幅度在FM信号源要求的范围内,两者连接后产生了调制规律具有阶跃信息的方波调制FM信号,将此FM信号接入激光测振仪信号处理电路的输入端,经过解调,输出含有阶跃响应特性的方波波形,该方波波形yi(i=1,…, n)用数字存储示波器直接测量。

　　将FM波形直接用数字存储示波器进行测量,然后使用软件解调算法获得等效的激光测振仪瞬态激励波形(方波)xi(i=1,…, n)[1]。

　　已知激励和响应序列后,通过使用时域系统辨识方法可以获得激光测振仪的离散传递函数H(z)和连续传递函数H(s)[2, 3]。

　　3　问题讨论

　　通常,传递函数评价属于系统输入输出特性的总体评价和全面评价,而不是其中的某一局部,因而,要求激励信号的频率范围能够完全覆盖被评价系统的频带,并且在该频带内应有尽量均匀的频谱特征。基于此,阶跃响应法评价测量系统传递函数时,要求激励信号的上升时间要“远小于”被测量系统的上升时间。若达不到该要求,也要求激励信号的上升时间小于被测量系统的上升时间,以便能将被测量系统的频率响应特性全部激励出来。