基于互相关的大型机组轴系激光对中微弱信号提取方法研究

唐晨， 张茂云， 曹国华， 丁红昌

(长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022)

基于互相关的大型机组轴系激光对中微弱信号提取方法研究

唐晨， 张茂云， 曹国华， 丁红昌

(长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022)

为提高自主研发的大型机组轴系激光对中仪的对中精度，减少由位置检测单元(PSD)受杂散光干扰引起的误差，提出一种基于互相关算法的微弱信号提取方法。建立基于互相关算法的数学模型，并设计模拟电路，实现了大型机组轴系激光对中仪的位置误差补偿；搭建实验测试系统获取PSD坐标数据，使用二维精密微位移平台进行重复性实验验证，对测量数据进行分析。实验结果表明，该方法可以在自然光照条件下保证设备的精度，分辨力在0.005 mm内，可以有效地提高大型机组轴系激光对中仪对外界噪声的抗干扰性能。

仪器仪表技术； 激光对中仪； 互相关； 微弱信号提取； 误差补偿

0 引言

大型机组一般由轴系来传递动力，目前主要采用激光对中仪对机组的转轴和轴承槽进行对中，本文研究的大型机组轴系激光对中仪由激光发射模块、位置检测单元(PSD)构成[1-4]。用PSD进行位置测量，根据PSD的输出电流方程，计算出PSD光敏面上的光点坐标，由数学模型推导出对中调整数据。在检测中如果除了入射光外，还有其他背景光在PSD上造成响应，这无疑会干扰测试系统的正常检测，使精度降低，甚至使系统无法工作。

PSD的测量精度是影响大型机组轴系激光对中仪检测精度的关键因素，要实现激光对中仪的高精度测量，首先要解决的问题就是提高PSD的测量精度，必须采取有效的微弱信号提取方法。

现有的方法主要通过增加与激光器波长匹配的滤光片来消除背景光的影响，在明亮环境下误差仍较大。本文以大型机组轴系激光对中仪为硬件平台，根据对中仪的控制原理，采用一种基于互相关算法的去噪方法[5-8]，通过建立互相关算法的数学模型结合电路实现对大型机组轴系激光对中仪进行位置误差补偿，并给出了相应的硬件实现方法。对激光发射模块和PSD驱动模块进行改进，从而有效地滤除外界光干扰，提取弱信号，实验结果表明该方法可以有效地提高大型机组轴系激光对中仪的检测精度。

1 对中检测原理

1.1 工作原理

大型机组激光对中仪是针对大型机组旋转轴中心线与轴瓦或轴承环槽中心线位置差进行检测，大型机组轴系激光对中原理如图1所示。由激光器发出准直基准光束，PSD光靶接收光点位置坐标、倾角装置检测角度信息，根据对中数学模型计算出轴瓦或轴承环槽在水平方向与铅垂方向的偏差量，通过调整机构使轴瓦或轴承环槽中心线与旋转轴中心线重合。

1.2 总体设计激光对中仪的结构组成

大型机组轴系激光对中仪结构如图2所示。激光光源经调制之后，经过滤光片，滤除一部分杂光；滤除杂光后的激光光源一部分反射到测量PSD上，经过电路运算，测得激光器打在测量PSD上的位置坐标；而另一部分经过分光片投射到双凸透镜后汇聚到校正PSD上，再经过电路运算测得汇聚的激光光源在校正PSD上的坐标；最后通过空间坐标变换计算出实际测得的激光器坐标值。

图2 大型机组轴系激光对中仪结构Fig.2 Structure diagram of large unit shafting laser alignment instrument

2 基于互相关算法的校正模型及硬件实现

在微弱信号检测中，相关检测技术可以将淹没在噪声中的有用信号有效地提取出来，本文采用互相关算法把确定信号和干扰噪声区分开来。

2.1 背景光对PSD的干扰模式

作用在PSD上光的形式可分为两大类，一类是背景光，另一类是入射光源，背景光是照明光源或自然背景光。在测量时无论哪种背景光照射在PSD上，都相当于在PSD上除了位置指示光点外，还有一个背景光光点，此时，PSD输出的位置信号是两个光点共同作用的结果。

下面以改进的表面分流型二维PSD为例，推导两光点位置关系。背景光与入射光作用时的坐标关系如图3所示。

图3 背景光与入射光在PSD上的坐标关系Fig.3 Coordinate relationship between ambient light and incident light in PSD

设入射光照射到PSD上Pi(xPi,yPi)点，等效背景光作用于PSD上Pa(xPa,yPa)点，入射光单独作用时PSD输出电流为(Ix1i，Ix2i，Iy1i，Iy2i)；背景光单独作用时PSD输出电流为(Ix1a，Ix2a，Iy1a，Iy2a)；PSD在两个光点共同作用下输出的电信号是它们叠加的结果，即(Ix1i+Ix1a，Ix2i+Ix2a，Iy1i+Iy1a，Iy2i+Iy2a)，此时由PSD输出电流。解算出的位置P(xP,yP)为

(1)

(2)

式中：L为PSD的有效长度。

设Ix1i+Ix2i+Iy1i+Iy2i=Ii，Ix1a+Ix2a+Iy1a+Iy2a=Ia，K=Ii/Ia，则(1)式和(2)式可转换为

(3)

(4)

PSD输出电流计算其光敏面上光点位置方程分别为

(5)

(6)

根据方程(5)式和(6)式则可得求得xPi、yPi、xPa和yPa的坐标值，将其带入(3)式和(4)式可求得P(xP,yP)的坐标值为

xP=(1+K-1)-1xPi+(1+K)-1xPa，

(7)

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

(8)

考虑到Ii、Ia分别与入射光和背景光的强度有关，则系数K即为入射光与背景光光强之比。(7)式和(8)式表明，当两个等效光点Pi和Pa共同作用于PSD上时，由PSD输出电流算出的位置坐标P(xP,yP)，是两光点Pi和Pa间的点，即该解算点位于两光点连线上，且距两光点距离之比与两光点强度成反比。

2.2 互相关算法数学模型及仿真

背景光经过光电转换后成为直流背景光信号，如果信号直接经过直流放大，信号中的直流噪声、器件漂移以及探测器和电路中的低频噪声同时被放大，严重时噪声比有用信号大几个数量级，将导致无法完成测试任务。确定性信号的不同时刻取值一般都具有较强的相关性[9]，对于干扰噪声，因为其随机性较强，不同时刻取值的相关性一般较差，利用这一差异可以把确定信号和干扰噪声区分开来，故可应用相关算法实现确定性信号的提取。

如图4所示，采用信号调制驱动器和相关器作为信号处理系统，对光源进行调制，半导体激光器可以通过对电源的调制得到不同波形的激光。将激光器的电源供电电路进行脉宽调制，使激光器的输出能量变成具有一定频率的交流信号。图4中sm(t)为激光器发出的调制好的信号，sr(t)为参考信号，sa(t)为背景光的信号。

图4 信号处理系统示意图Fig.4 Schematic diagram of signal processing system

激光器发出的调制好的信号为

(9)

式中：A为激光器调制信号的幅值；T为激光器调制信号周期。

由傅里叶变换展开三角函数式：

(10)

式中：ω0为角频率。

参考信号sr(t)是调制器发出的频率为f0的正弦信号，即

sr(t)=Vsin(ω0t+φ)，

(11)

式中：φ为相位；V为振幅。

含有背景光的输入信号为

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

(12)

参考信号为

fr(t)=sr(t).

(13)

根据互相关理论可得输入信号与参考信号的互相关函数为

(14)

式中：τ为信号间的时间间隔，即时延。

通过上述推导可知，只有满足有用信号的频率和参考信号频率一致的条件时，才能滤掉噪声，得到有用信号。

为验证上述结论，使用Matlab软件进行仿真实验，如图5(a)所示，基准信号采用方波模拟激光器经调制后的波形，它既作为原始信号，又作为参考信号。如图5(b)所示，使用具有一定幅值的白噪声信号模拟背景光，另一不同频率和幅值的交流信号模拟固定干扰信号，使其和原始信号相叠加，其中，各种信号的频率、幅度、点数、相位等参数可根据实际条件设定。通过相关运算和积分器等，可提取含原始信号特征的信号。

图5 Matlab仿真图Fig.5 Matlab simulation diagram

仿真结果表明，提取出的信号与原始信号具有相同的频率，只是相位、振幅上有些变化，这是由于运算的滞后造成的，可通过相位补偿还原原始信号。只有与参考信号频率相同才能相关输出，从而去掉了噪声项。

2.3 算法的硬件电路实现

算法的硬件电路原理框图如图6所示，通过对半导体激光器电源的调制，把一束输出光功率恒定的连续激光变成一束光功率时变的光束，将激光器的电源进行脉宽调制，使激光器的输出能量变成具有一定频率的交流信号[10]。

图6 硬件电路原理框图Fig.6 Block diagram of electric circuit

由2.2节可以得出推论，要想去掉干扰信号就要保证采集信号频率与光源调制信号频率一致，因此采用NE555构成施密特触发器，将PSD输出信号，经施密特触发器产生同频率的TTL信号。TTL信号为高电平时，激光光斑入射到PSD上产生原始信号输出，同时叠加了噪声信号，TTL信号为低电平时，PSD的输出由噪声信号单独产生。

为了分别采集TTL信号为高低电平时的PSD输出信号作为互相关的原始信号及参考信号，通过单稳态触发器实现在TTL信号高电平和低电平时分别采集PSD的位置信号，由TTL信号的高电平和低电平分别产生一个触发信号，所产生的触发信号分别为CH1和CH2(见图7和图8)，其与TTL信号的关系如图9所示。

图7 产生触发信号CH1Fig.7 Generated trigger signal CH1

图8 产生触发信号CH2Fig.8 Generated trigger signal CH2

图9 TTL、CH1和CH2信号对应关系Fig.9 Corresponding relationship of TTL, CH1 and CH2 signals

本文使用了采样保持器AD684，分别采集高低电平的信号，如图10所示，其工作原理是在高电平的时候采集信号，低电平的时候保持。根据产生的触发信号CH1和CH2，对PSD输出x轴坐标和y轴坐标的电流信号IxP、IyP分别进行采集，在高电平采集到的信号分别为IxPh和IyPh，分别是有用信号和噪声的叠加信号，低电平采集到的信号分别为噪声IxPl和IxPl.

图10 高低电平分别采集信号Fig.10 Acquisition of high and low level signals

由于高电平采集到的信号是有用信号和噪声的叠加，而低电平采集到的只有噪声。根据这个原理，本设计将两个信号进行差分处理，从而将信号中的噪声滤除掉，如图11所示。

图11 降噪处理电路Fig.11 De-noise processing circuit

3 实验结果及分析

将本文设计的电路安装在大型机组轴系激光对中仪设备中，实验现场如图12所示。系统采用精密二维平台作为基准，将本仪器的测量光靶放置在精密二维平台上，以平台的移动作为基准数据，检测光点在PSD线性化处理、空间纠偏等基础上，获取的光点坐标的精度。测量光靶通过磁力表座固定在精密二维平台上，激光器粗调保证光点可靠、稳定地落在PSD的光靶上。通过移动精密平台，使PSD光点x轴方向坐标为0 mm左右后，以每次移动精密二维平台0.5 mm的方式，获取PSD坐标数据。连续测量5次，获取平均值作为最终数据。PSD数据采集流程如图13所示。

图12 实验现场Fig.12 Experimental site

图13 PSD数据采集流程图Fig.13 Flow chart of data collection

为保证数据的有效性，在每组测量完成后，调整激光光靶垂直位置，重新按照上述方法获取PSD坐标数据，连续测量数次，取得每次的误差值。实验对象为x轴方向测量结果，实验条件如下：

1) 室内自然光，室内温度21 ℃，湿度31.93%.

2) 检测设备以美国PI公司产二维精密微位移平台为基准(精度0.001 mm)，每移动0.5 mm间距进行一次测量。

通过表1实验数据分析可以看出：测量结果与激光照射在PSD上的实际光点值误差较小，分辨力在0.005 mm以内，优于仅采用滤光片滤除背景光的方法，降低了系统的测量误差。测量环境得到很大改善，消除了背景光对测量的干扰，不需要在暗室进行实验。可见，将互相关算法应用在大型机组轴系激光对中仪中对误差补偿是一种非常有效的方法。

表1 0.5 mm间距测量

4 结论

1) 本文将互相关算法应用在大型机组轴系激光对中仪中，通过Matlab软件仿真验证了理论的正确性，以二维精密微位移平台作为基准，每移动0.5 mm进行测量，经实验验证有效地降低了仪器的测量误差，分辨力达到0.005 mm.

2) 该方法简单、易实现、实用性强，消除了外界背景光的干扰，可以提高自主研发的大型机组轴系激光对中仪的对中精度及抗干扰能力，解决了系统精度提升的瓶颈。

3) 本文所提出的方法不仅适用于PSD测量中，也适用于部分其他对光源敏感的感光元器件中。系统的综合分辨率还受入射到PSD上光斑定位误差的影响，下一步工作应采用其他技术减小激光光斑的定位误差。

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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

吉林省科技发展计划项目(20100365)； 兵器科技研究项目(62201040504-A)

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

曹国华(1965—)，男，教授，博士生导师。E-mail: caoguohua@cust.edu.cn

TH741.4

A

1000-1093(2017)10-2048-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.022