摘要
摘要
微振动测量作为一种监测设备性能和稳定性的技术手段，已广泛应用于机械故障
诊断、精密仪器振动表征、生物医学等领域。由于测量环境限制，常规测量方式如声
发射法、振动分析仪、光纤传感器等不能进行非接触式的微振动测量。激光自混合干
涉（Self-mixingInterference，SMI）微振动测量技术，因其单臂测量和相干探测的特点，
具有振动方向识别、装置紧凑、自准直和高灵敏度等优点，而被广泛应用于微振动测
量领域。在实际应用中，SMI信号会受到噪声干扰和多模竞争效应的影响，导致条纹
计数的误差，降低微振动测量精度。
本文主要针对弱反馈条件下SMI信号中的噪声处理和多峰SMI信号位移重构展开
研究，设计一种光谱辅助测量的半导体激光器自混合干涉微振动测量系统，针对SMI
信号信噪比低的问题，提出一种自适应Savitzky-Golay(S-G)滤波算法。针对多峰SMI
信号的位移重构，提出了一种峰谷值阈值跳变点相位解包裹算法。从信号处理和位移
重构中相位跳变点正确识别的角度，提高SMI微振动测量的精度和准确性，论文主要
研究内容如下：
1）本文提出一种自适应Savitzky-Golay(S-G)卷积均值滤波和包络归一化处理算法，
2
该算法将均方根误差（?）、信号离散度（Χ）、信噪比（SNR）三个指标作为滤波效
果评判标准，通过给出滤波参数初始值，并结合三个滤波指标的比较，确定最优滤波
参数。该算法有效解决针对不同SNR的SMI信号滤波器参数选取不准确的问题，并进
行仿真和实验验证该滤波算法的有效性。对滤波后的SMI信号利用包络归一化算法依
次进行局部峰值检测、样条插值拟合、包络提取和归一化处理，消除滤波后SMI信号
条纹幅值不均对条纹计数带来的误差。最终，通过对三组不同调制电压PZT驱动下的
SMI信号运用此算法，实验结果显示信号处理前后条纹计数的误差率最高提高14.8%，
经过算法处理，一个干涉周期内的SMI信号条纹数量和PZT调制电压呈线性关系。实
验结果表明对含有噪声的SMI信号经过算法处理后，可以有效提取SMI信号中的真实
条纹数量，提高条纹计数法位移重构精度。
2）本文提出一种基于相位解包裹原理的峰谷值阈值跳变点位移重构算法，对弱反
馈条件下多模SMI信号相位跳变点识别不精确的问题进行研究。该方法通过局部阈值
峰值检测，分别求取归一化SMI信号和其反余弦后包裹信号的峰谷值相位跳变点，并
结合包裹信号差分处理后的零点位置，对单模和多模SMI信号中的相位跳变点进行提
取，应用此算法对单模和多模SMI信号进行位移重构，实验结果表明，单模SMI信号
位移重构绝对误差小于30nm，多模SMI信号位移重构绝对误差小于20nm。
关键词：激光自混合干涉；微振动测量；自适应滤波；相位解包裹；多模竞争
论文类型：应用研究
I
目录
目录
第1章绪论1
1.1激光自混合干涉的研究背景和意义1
1.2激光自混合干涉技术国内外研究进展3
1.2.1国外研究现状3
1.2.2国内研究现状4
1.3激光自混合干涉微振动测量领域的研究进展5
1.3.1条纹计数测量法6
1.3.2相位锁定测量法6
1.3.3外差拍频测量法7
1.4课题来源8
1.5本文的主要研究内容及技术路线8
1.5.1主要研究内容8
1.5.2论文研究技术路线9
第2章激光自混合干涉微振动测量的理论和仿真研究10
2.