0 引言

    橋梁中承擔橋梁荷載的一個重要構件是拉索，該構件控制整個結構物的應力分布，整座橋的應力分布可以用作衡量結構狀態健康與否的重要指標。大地脈動、風雨等環境激勵引起的拉索振動，以及在橋梁的運營過程中拉索遭受的損害都可能導致應力分布發生改變，從而給大跨度結構帶來災難性后果。因此在工程施工期和運營期，都有必要檢測拉索力的變化。在拉索橋索力測量工程中，利用速度、加速度等傳感器對微弱振動進行測量的索力測量方法是目前廣泛使用的一類方法，但是該類測量方案均采用接觸式測量^[1-5]。

    隨著激光多普勒測振技術的飛速發展, 可以實現遠距離、非接觸測量各種微弱振動目標的運動速度及其微小變化。相對傳統的聲信號探測手段而言，基于激光多普勒的測振方法具有更好的靈活性、機動性，能夠克服工作環境的限制。大量的研究集中在基于激光多普勒測振的聲光通信方面，軍事上美國海軍水下戰爭中心的BLACKMON F A等^[6]在聲光通信方面做了大量研究, 提出并驗證了聲光通信的可行性和有效性。激光多普勒測振技術具有精度高、抗干擾能力強、保密性好等特點，消除了水體對激光傳輸的限制，因而可能成為一種與水下目標通信的技術手段。激光多普勒測振的分辨率一直以來不斷提高^[7]，但是在橋梁等工程測振領域中更多地關心結構的低頻振動信息，因此對激光多普勒測振系統中的頻率穩定性和分辨率提出了更高要求^[8-13]。在激光多普勒測振技術中，無失真鑒頻是非常關鍵的技術，而一般基于雙路移頻器低頻外差式激光多普勒測振系統中雙路移頻器不同的噪聲特性無法消除，因此目前工程上激光多普勒測速系統的頻率范圍和分辨率不能滿足橋梁斜拉索頻率法測量索力的要求。

    本文根據激光多普勒測振相干檢測工作原理, 設計了一種小型超低頻高精度激光多普勒測振系統并用于實際橋梁拉索索力測量。由平衡探測器直接獲取激光回波反射信號，利用自適應濾波器消除環境振動對激光多普勒系統帶來的環境振動干擾，進而提取低頻多普勒頻移信息，增強了系統的靈活性和實用性, 利于系統集成以及后期處理。文中介紹了探測的原理和電路的實現方法, 并進行了實驗。實驗表明，測振計的本底噪音分布平坦，性能優于傳統電磁式速度傳感器、壓電式加速度傳感器，完全滿足工程現場索力測量要求。 

1 頻率法測索力基本原理

    頻率法測量索力的基本原理是利用拉索自由振動時其內部應力與低頻振動頻率之間的關系進行間接測量。一根能夠自由振動的拉索，其自由振動方程如下式：

其中，m為每米拉索質量(假設質量均勻)，EI表示抗彎剛度，y=y(x，t)表示拉索在t時刻垂直于索軸向的位移，t、x分別表示時間坐標、沿索向的位置坐標。同時考慮垂度影響，求解得到拉索內部軸向應力F與振動頻率f_n的關系為：

其中，l表示索的自由長度，n為振動頻率的階數。

2 外差式激光多普勒系統

2.1 串行雙移頻器外差激光多普勒系統設計

    相對零差檢測方式，外差檢測提高了光電信號的信噪比，增強了信號的抗干擾能力，加快了測量速度，并且易于實現高分辨率測量，因而在精密測量中得到了廣泛應用。本系統基于外差檢測原理，采用全光纖結構，利用人眼安全的波長為1 550 nm單縱模光纖激光器輸出的窄線激光作為本振光信號，經分光后發射到被測目標上，激光發射和接收采用同光軸收發，并利用光纖環行器隔離發射和接收光路。1 550 nm窄線激光首先經過80 MHz的聲光調制器(AOM)上移頻，然后再經過82.5 MHz的聲光調制器(AOM)下移頻，最終產生移頻2.5 MHz的本振光。反射光和本振光拍頻后由光纖傳輸至光電探測器，光電探測器輸出電信號經過50 Ω同軸電纜傳輸至后續信號調理。在激光多普勒系統中安裝磁電式速度傳感器，用于測量由于環境振動帶來的振動干擾，并在數據處理中設計自適應濾波器加以消除。當聲光移頻器驅動信號的頻率漂移Δw(t)<<w_D(t)(w_D(t)為相對運動導致的頻率變化)時，聲光移頻器的頻率漂移影響可以忽略不計；否則，聲光移頻器的頻率漂移則直接影響多普勒頻移的測量準確度，最終影響速度的計算。因此，在標定外差式激光多普勒測振計的最小可分辨振動速度時，聲光移頻器驅動信號的頻率穩定度決定了系統最小可分辨多普勒頻移量，從而決定了被測目標的振動速度的分辨率。為了進一步提高外差式激光多普勒測振計的最小可探測能力，需對聲光移頻器驅動信號的頻率穩定特性以及外差式激光多普勒測振計的結構進行優化，降低驅動信號頻率漂移的不良影響。文獻[5-8]使用并行雙路移頻器，發射光與本振光均存在較大的頻率漂移，因而經過移頻器的發射光會受到衰減，進一步減弱了反射光強，降低了檢測距離；本文的結構只存在一路頻率漂移，發射光不經過移頻器，因而從光纖發射出去的發射光功率幾乎無衰減，并且系統利用磁電傳感器測振經過自適應濾波器消除測振系統本身的振動，進而提高抗震能力。

    圖1是雙聲光移頻器構成的HLDV的振動測量實驗示意圖，激光器輸出激光經光纖分束器分為兩路：第一路再經過分光器分為光束iI、光束iII，光束Ⅰ(i_I)經過光纖環形器1口入射，2口經由光纖及鏡頭發射至被測目標，反射光由2口返回通過光纖環形器的3口形成光束Ⅴ(i_V)。第二路經過82.5 MHz的聲光調制器(AOM)上移頻，然后再經過80 MHz的聲光調制器(AOM)下移頻，最終產生移頻2.5 MHz的本振光。本振光經過分光器分為光束Ⅲ(i_III)與光束Ⅳ(i_IV)，光束Ⅲ與光束Ⅱ經過光耦合器拍頻后經探測器形成固定差頻電信號U_L。光束Ⅳ與光束Ⅴ在耦合器中拍頻后經探測器得到電信號U_s，根據文獻[9]計算方法得到多普勒頻移信號：

2.2 雙路高穩定度DDS驅動系統設計

2.2.1 驅動系統設計

    聲光移頻器的驅動頻率的穩定性對HLDV的檢測精度尤為重要，結合直接數字頻率合成技術，采用ADI等公司的數字頻率合成芯片AD9954，及Mini-Circuit等公司的相關射頻器件，并利用Microchip公司32 bit MCU作為主控芯片控制整個系統，最終生成頻率為80 MHz、82.5 MHz，幅度為24 V的2路聲光移頻器驅動信號，用以驅動測振系統，如圖2所示。

    DDS芯片AD9954內置32 bit頻率調諧字和14 bit數模轉換器，其相位噪音低，無雜散動態范圍大、頻率分辨率高以及初始相位可控。基于以上特點，以DDS芯片AD9954為核心生成驅動信號具有很高的分辨率。AD9954對時鐘信號的質量要求較高，在系統設計中，需要精心選擇恒溫晶體振蕩器作為時鐘信號源。在頻率控制字以及時鐘信號的作用下，AD9954以差分方式輸出正弦信號。在后續驅動信號的處理中，首先將AD9954的差分信號轉換為單端信號，再由5階橢圓低通濾波器重構正弦波形并對其他頻率成分進行有效抑制。在信號預放大之后，經功率放大器PA直接放大至24 V以滿足聲光移頻器的工作要求。數據采集系統差分時鐘如圖3所示。

2.2.2 DDS系統固件設計

    軟件設計是通過基于MIPS架構的32 bit處理器PIC32的四線串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)對DDS芯片AD9954的內部寄存器進行設置，包括設置頻率控制字和初始相位。固件啟動過程如下：

    (1)初始化PIC32MZ的時鐘，未使用的IO口全部設置為輸入，并下拉到地。

    (2)AD9954的CLKMODESELECT引腳設置為邏輯地，使用外部恒溫時鐘。

    (3)通過PIC32的SPI1口將80 MHz與82.5 MHz的頻率控制字(0x33333333、0x34CCCCCD)分別寫入AD9954中。

    (4)更新AD9954的I/O UPDATE引腳，使得兩路AD9954S輸出兩路與頻率控制字對應的頻率。

2.3 數據采集與處理系統

2.3.1 高速數據采集系統設計

    系統中的模數轉換器采用ADI公司的16位最高105 MS/s高速高精度芯片AD9460，具有出眾的信噪比。AD9460要求采用3.3 V和5 V電源供電，數據輸出設置為CMOS格式。根據AD9460的要求，采用變壓器耦合的方式將單端的時鐘信號和單端模擬輸入信號轉換成差分信號。采集系統如圖3所示。

2.3.2 回波信號數字帶通濾波器設計

    在多普勒測振系統中，相對速度的變化表現為多普勒頻率的移動，而頻率的移動需要通過對多普勒回波的頻率變化的實時檢測來實現，因此設拉索目標振動的相對速度為v，橋梁等大型結構的振動頻率范圍為f，且0≤f≤f_H，f_H為低頻振動的帶寬上限。經驗上，在橋梁中等長度及長拉索的振動中，基頻及高次諧波的頻率f_H≤20 Hz，因此，對相對運動速度v的采樣率f_v=40 Hz，也即頻率更新的周期為25 ms。設激光多普勒系統的測速分辨率為Δv，激光多普勒拍頻頻差為f，每次用于FFT頻率計算的數據點數為N，拍頻頻差分辨率為Δf，λ為激光波長，則速度v的分辨率如下式：

    至此采樣速率的選擇成為需要解決的首要問題。外差式激光多普勒系統的頻差為2.5 MHz，帶寬為1 MHz，因此通過平衡探測器后的上限拍頻頻差為3 MHz的微弱信號，根據奈奎斯特低通采樣定理需要使用超過6 MS/s的采樣率進行采樣，本系統使用10 MS/s的數據率。取N=400K，Δf∈(-0.5 MHz，0.5 MHz)，λ=1.55 μm，則得到多普勒測速系統的分辨率Δv和量程S分別為：

    為了降低信號調理前端的復雜度，提高信噪比，光電平衡探測器的微弱輸出信號經過簡單的放大之后，數據采集系統使用過100 MS/s進行過采樣。高速數據流進入FPGA內部，經過數字帶通濾波器濾波，最后經過1/10的降采樣，最終以10 MS/s的速率通過USB輸出至PC進行FFT分析。使用布萊克曼窗設計256階數字帶通濾波器，中心頻率f_c=2.5 MHz，帶寬B=1 MHz，將設計的數字濾波器歸一化成16位整型數，并且內嵌到FPGA中，對高速數據流進行實時帶通濾波。

2.3.3 自適應環境振動噪聲消除

    為了有效降低環境噪聲的干擾，設計了基于RLS算法的自適應噪聲消除器。在激光回波測量系統上增加一個磁電式速度測量傳感器，用于監測平穩環境振動帶來的干擾，自適應振動干擾消除器結構如圖4所示。

    圖4中，d_n是經過鏡頭接收的激光回波與環境振動噪聲v′的合成信號，環境噪聲主要由環境振動v′引起，且與激光回波v無關。通過自適應濾波，完成對v′的噪聲估計y_n，將d_n與y_n相減得到消除環境振動噪聲的激光回波信號。濾波按照以下步驟進行，基于RLS的自適應噪聲消除器可以有效去除環境振動帶來的干擾。

    (1)初始化濾波器系數：W(0)=(0 0，…，0)，P(0)=diag(1，1，…，1)。

    (2)計算RLS增益矢量：

    (3)計算估計誤差：ε_n=d_n-W^T(n-1)N(n)。

    (4)更新權系數矢量：W(n)=W(n-1)+K(n)en。

    (5)遞推系數矩陣：P(n)=λ^-1P(n-1)-λ^-1K(n)N^T(n)P(n-1)。

    (6)濾波器輸出：y_n=w^T(n)N(n)。

    (7)激光多普勒回波信號：e_n=d_n-w^T(n)N(n)。

3 實驗結果

    實驗分為兩部分：(1)測試激光多普勒系統的性能；(2)在拉索上進行工程實際測試。

3.1 振動測試實驗

    根據速度計檢定規程JJG 134-2003中標準6.6.2進行。測試系統由振動臺、標準傳感器BK-8305、信號放大器、數據采集卡、PC等組成。移頻器為上海清津光電生產的80 MHz聲光移頻器。激光器為窄線寬激光器，輸出功率為50 mW，鏡頭口徑為30 mm，反射目標靶位距離望遠鏡10 m。

3.1.1 HLDV性能測試

    本文中驅動聲光移頻器2的驅動信號頻率為82.5 MHz，如果與之配對的移頻器的標稱特性和驅動器匹配不好，工作特性不理想，可能出現比較嚴重的色散。首先保持振動臺與測速系統相對靜止，然后進行振動測量。圖5(a)為沒有相對運動時，驅動器和移頻器工作特性匹配不佳情況下，接收回波和經過移頻的激光拍頻頻譜，出現較嚴重的色散，且噪聲明顯；驅動器與移頻器匹配良好情況下，本振光經過匹配良好的移頻器再與反射光拍頻后，效果如圖5(b)所示，頻譜峰值所在位置為2.5 MHz，頻譜中除了外差頻率2.5 MHz，則色散程度會明顯減輕，倍頻5 MHz和7.5 MHz明顯削弱，頻帶范圍內本底噪聲不明顯。色散給后續數據采集與分析帶來困難，為了降低移頻器色散帶來的影響，提高系統的信噪比及魯棒性能，一方面可以通過設計前端的模擬帶通濾波器來濾除干擾頻率，另一方面也可以通過調整聲光移頻器的驅動信號頻率降低上述干擾頻率干擾。本文采用2.3.2節中設計的數字帶通濾波器對多普勒回波信號進行濾波，過采樣結合數字帶通濾波器之后濾波效果如圖5(c)所示。

3.1.2 HLDV自適應振動噪聲消除

    在測試系統的附近通常會存在隨機振動，如果不加以處理，多普勒系統的測量會受到系統自身的隨機振動噪聲帶來的相對運動的干擾，進而影響對目標速度的判斷。為了提高測振系統的抗振能力，在多普勒系統測振系統上增加磁電式測振計，測量測振系統本身的隨機振動，并作為自適應濾波器的輸入，自適應濾波器輸出對該隨機振動的估計，并從激光回波中消除因為測振系統本身的隨機振動的影響，從而提高系統的抗振能力，濾波流程如圖6所示。

    自適應振動消除實驗過程如下：利用振動臺給被測目標和多普勒系統分別同時施加振動，首先驅動被測目標以固定頻率0.5 Hz振動，同時驅動測量系統以5 Hz頻率振動；設置磁電式測振計的測量值為N_n，n=0，1，…，255，采樣頻率為20 Hz，作為自適應濾波器的輸入，多普勒系統的測量值為d_n，n=0，1，…，255，利用2.3.3節RLS自適應濾波。圖6(c)中，經過1 s左右，d_n經過自適應濾波，誤差曲線快速收斂至目標振動，系統能較好地濾除本身振動的影響，正確反映被測目標的振動。通過測振系統隨機振動自適應消除，HLDV的本底噪音保持在-90 dB附近，全頻帶范圍內本底噪音分布更為平坦，因此，測振計的低頻振動探測能力得到顯著提高。

3.1.3 HLDV與傳統接觸式傳感器比較

    實驗將激光測振儀與目前工程中常用的磁電式傳感器(941B)速度傳感器進行對比，如表1所示，兩者均可完成工程測量，非接觸式的測量手段具有更大的工程測量優勢。

3.2 模型索實際測試

    測試對象為模型斜拉索，多普勒回波信號的數據采集間隔為25 ms，每次采集400 K數據點，采樣頻率為10 MS/s，進行功率譜分析；前一步每50 ms得到一個速度采樣點，等效速度的采樣頻率為20 S/s。實驗結果如圖7所示。

4 結論

    針對大型柔性結構的低頻測振需要，本文設計了串行雙移頻器外差式激光多普勒測振系統，設計了針對串行雙移頻器的雙路DDS驅動系統和固件系統，并設計了雙路高速數據采集系統，分別采集固定外差頻率與激光多普勒回波信號，從而實時計算回波頻移。在此基礎上對測振系統開展了實驗研究，測試了HLDV的本底噪聲，并利用自適應濾波器消除測振系統的隨機振動，提高了系統的抗環境干擾性能，并將測振系統用于實際斜拉索頻譜測試。實驗接過表明，本文的HDLV分辨率為19.375 ?滋m/s，能夠準確獲取橋梁低頻振動頻率信息，系統的本底噪音曲線呈平坦分布，噪音譜線的起伏程度在有較強的隨機振動存在時也能夠得到明顯抑制。本文HLDV的研究為實現低頻振動信息的非接觸檢測提供了新的研究方向。 

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作者信息:

李東明1，王  翔2，3，徐俊峰4，柴小鵬1，2，胡亞斌1，王永濤1

(1.中國地質大學(武漢) 自動化學院，湖北 武漢430074；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢430034；

3.橋梁結構健康與安全國家重點實驗室，湖北 武漢430034；4.中船重工集團公司第722研究所，湖北 武漢430074)