基于激光多普勒的桥梁动态参数提取系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及桥梁检测技术领域，具体涉及一种基于激光多普勒的桥梁动态参数提 取系统及方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，用于桥梁动态检测的传感器技术蓬勃发展，包括基于半导体材料压阻效 应、材料压电效应等原理的加速度传感器，但基本都是接触式传感器。接触式传感器弊端很 大，安装接触式传感器费时费力，并且会对桥梁结构造成不同程度的损伤，安装后会阻碍现 场交通。利用非接触式桥梁动态检测技术能够解决上述弊端，其中，基于激光多普勒原理的 测速仪是非接触式动态测试技术的一个典型代表。基于激光多普勒原理的测速仪拥有测速 精度高、动态范围大、测速响应快等优异性能，广泛应用于测量流体中微粒子的流动速度， 以及测量生物血液中各类细胞的流动速度等等，也被应用于测量桥梁的动态参数。
[0003] 参见图1所示，一种基于激光的桥梁振动检测装置，包括相互连接的测试箱1和计 算机14,所述测试箱1的内部设置有光纤激光发射器5、第一光纤耦合器4、第一光纤准直 镜2、第二光纤准直镜9、第二光纤耦合器11、光电探测器12、高频信号采集仪13和激光笔 10 ;所述激光笔10位于第一光纤准直镜2和第二光纤准直镜9之间；所述光纤激光发射器 5、第一光纤耦合器4和第一光纤准直镜2顺次连接，所述第二光纤准直镜9、第二光纤耦合 器11、光电探测器12和高频信号采集仪13顺次连接；所述第一光纤耦合器4与第二光纤 耦合器11连接，所述高频信号采集仪13与安装有激光多普勒信号处理系统的计算机14连 接。本检测装置的工作原理：光纤激光发射器5发射激光，激光通过第一光纤耦合器4后分 为第一激光和第二激光，第一激光经过振动的物体表面会因为多普勒效应而改变频率，因 此，漫反射光的频率与第一激光、第二激光的频率不同，由于入射光和发射光的频率差与物 体的振动速度有一个固定的解析关系，计算机14内设有激光多普勒信号处理系统，能够通 过漫反射光与第一激光的频率差，计算待测物的振动信息。
[0004] 不同目标运动速度范围对激光多普勒信号处理系统的要求差别极大，由于桥梁结 构运动速度较小，因此信号光与参考光频率差很小，信噪比下降，光频率的提取精度较低。 对于桥梁等低速运动的工程结构，目前的激光多普勒信号处理系统很难将测量信号中的动 态参数提取出来，因此，很难测量桥梁结构的低速运动，比如速度为100m/ S~lmm/s，甚至 100m/s ~CL 1mm/s 的测量。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于激光多普勒的桥梁 动态参数提取系统及方法，光频率的提取精度高，用于测量桥梁等工程结构的低速运动速 度及振动频率。
[0006] 为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于激光多普勒的桥梁动态参 数提取系统，该系统包括：
[0007] 光电探测器，用于探测光电信号；
[0008] 高频信号采集仪，用于采集光电探测器中一定长度的光电信号，并转化为电压值， 得到光电信号离散序列；
[0009] 计算机，用于对光电信号离散序列进行快速傅里叶变换，得到频率运动序列；寻找 频率运动序列峰值所对应的光电信号的具体位置，得到频率细分区间；将频率细分区间进 一步细分，计算频率细分区间上的频谱，得到频谱序列；寻找频谱序列的峰值所对应的光电 信号的具体位置，计算多普勒频移；根据多普勒频移，计算目标运动速度；判断是否需要计 算目标的振动频率，判断是否需要计算目标的振动频率，若否，则计算不同长度光电信号对 应的运动速度；若是，则根据运动速度形成得到速度序列计算目标的振动频率；对速度序 列进行快速傅里叶变换，得到频率振动序列；寻找频率振动序列峰值所对应的光电信号的 具体位置，得到振动频率细分区间；将频率细分区间进一步细分，计算振动频率细分区间上 的振动频谱，得到振动频谱序列，寻找振动频谱序列峰值所对应的光电信号的具体位置，计 算目标的振动频率；
[0010]用于所述系统的基于激光多普勒的桥梁动态参数提取方法，包括以下步骤：
[0011] Si.高频信号采集仪采集光电探测器中一定长度的光电信号，并转化为电压值，得 到光电信号离散序列；
[0012] S2.计算机对光电信号离散序列进行快速傅里叶变换，得到频率运动序列；寻找 频率运动序列峰值所对应的光电信号的具体位置，得到频率细分区间；将频率细分区间进 一步细分，计算频率细分区间上的频谱，得到频谱序列；寻找频谱序列的峰值所对应的光电 信号的具体位置，计算多普勒频移；根据多普勒频移，计算目标运动速度；
[0013] S3.判断是否需要计算目标的振动频率，若否，则重复步骤Sl~S2,计算不同长度 光电信号对应的运动速度；若是，则转到步骤S4 ;
[0014] S4.根据不同长度光电信号对应的运动速度，得到速度序列；
[0015] S5.对速度序列进行快速傅里叶变换，得到频率振动序列；寻找频率振动序列峰 值所对应的光电信号的具体位置，得到振动频率细分区间；将频率细分区间进一步细分，计 算振动频率细分区间上的振动频谱，得到振动频谱序列，寻找振动频谱序列峰值所对应的 光电信号的具体位置，计算目标的振动频率。
[0016] 在上述技术方案的基础上，步骤Sl的具体过程为：在一段时间At内，高频信号采 集仪按照电压采样率FS，采集光电探测器中的光电信号，并转化为电压值，所述光电信号的 长度为N，N为正整数，光电信号在长度方向的每个位置对应一个电压值X，得到光电信号离 散序列X = {x(n)，n = 0, Ρ··Ν-1}，频率的分辨率为Af，
【主权项】
1. 一种基于激光多普勒的桥梁动态参数提取系统，其特征在于，该系统包括： 光电探测器，用于探测光电信号； 高频信号采集仪，用于采集光电探测器中一定长度的光电信号，并转化为电压值，得到 光电信号离散序列； 计算机，用于对光电信号离散序列进行快速傅里叶变换，得到频率运动序列；寻找频率 运动序列峰值所对应的光电信号的具体位置，得到频率细分区间；将频率细分区间进一步 细分，计算频率细分区间上的频谱，得到频谱序列；寻找频谱序列的峰值所对应的光电信号 的具体位置，计算多普勒频移；根据多普勒频移，计算目标运动速度；判断是否需要计算目 标的振动频率，判断是否需要计算目标的振动频率，若否，则计算不同长度光电信号对应的 运动速度；若是，则根据运动速度形成得到速度序列计算目标的振动频率；对速度序列进 行快速傅里叶变换，得到频率振动序列；寻找频率振动序列峰值所对应的光电信号的具体 位置，得到振动频率细分区间；将频率细分区间进一步细分，计算振动频率细分区间上的振 动频谱，得到振动频谱序列，寻找振动频谱序列峰值所对应的光电信号的具体位置，计算目 标的振动频率。
2. 用于权利要求1