專利名稱：He－Ne激光器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大尺寸零件無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量的He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，屬于激光精密測(cè)試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在用雙縱模雙頻激光干涉儀以拍波干涉的原理對(duì)高精度大尺寸零件作無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量的技術(shù)中，He-Ne激光器拍波本身的噪聲是限制測(cè)試精度的主要因素。由于該噪聲的廣譜性及隨機(jī)性，一般的濾波方法的效果是很有限的。為此提出了各種自適應(yīng)濾波器算法和小波變換去噪算法，應(yīng)該說(shuō)這些方法對(duì)消除拍波噪聲有一定效果。但這些自適應(yīng)濾波器均假定有主通道和參考通道兩個(gè)信號(hào)輸入通道，主通道接收到信號(hào)s和不相關(guān)噪聲n0，即s+n0形成對(duì)消除器的原輸入；參考通道接收到一個(gè)與信號(hào)不相關(guān)的、而與噪聲n0相關(guān)的噪聲n1，形成對(duì)消除器的參考輸入，參考輸入的噪聲n1被濾波器產(chǎn)生一個(gè)輸出y，它盡可能地去翻版n0，該輸出從原輸入s+n0減去，產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出為e＝s+n0-y。實(shí)際系統(tǒng)中很難找到完全符合要求的參考通道輸入，因而滿足要求的假定條件經(jīng)常是不現(xiàn)實(shí)的。而且這些自適應(yīng)濾波器多采用最小均方誤差算法(LMS)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在自適應(yīng)信號(hào)處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是LMS算法的穩(wěn)態(tài)誤差與步長(zhǎng)成正比，收斂速度與步長(zhǎng)成反比，這一內(nèi)在的矛盾使得LMS算法的收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差特性不能同時(shí)滿足，必須在收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差這兩個(gè)性能指標(biāo)之間進(jìn)行權(quán)衡，而這通常依靠大量的實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)，要達(dá)到較好的效果需要大量的時(shí)間、精力，并對(duì)使用者有較高的素質(zhì)要求。而小波變換去噪一般采用閾值去噪法。這類方法由D.L.Dohono在1995年首先提出，此方法根據(jù)信號(hào)與噪聲的幅值和頻率不同，對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行小波變換得到小波系數(shù)序列，通過(guò)閾值去除小波系數(shù)中的噪聲元素，用經(jīng)過(guò)處理的小波系數(shù)進(jìn)行小波反空域相關(guān)濾波法。此方法根據(jù)Mallat等的研究結(jié)果，信號(hào)成分的奇異性具有正的Lipschitz指數(shù)，其小波系數(shù)的模值將隨著尺度的增大而增大。隨機(jī)噪聲的Lipschitz指數(shù)則為負(fù)數(shù)，其模值將隨著尺度的增大而迅速減小。將相鄰尺度的小波變換值的相關(guān)量進(jìn)行歸一化處理并與小波變換值比較來(lái)判斷噪聲與信號(hào)，以噪聲在各尺度上的方差作為終止迭代的標(biāo)準(zhǔn)。此方法能夠較好地保留信號(hào)中的細(xì)節(jié)成分。但此法在迭代收斂時(shí)，如果剔除的小波系數(shù)的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等于1，那么我們認(rèn)為剔除的小波系數(shù)都是噪聲系數(shù)；如果小于1，將有很多噪聲被當(dāng)成信號(hào)保存下來(lái)，從而降低濾噪效果。在達(dá)到收斂時(shí)，這個(gè)比值總是小于1，因此會(huì)引入隨機(jī)噪聲。
在用雙縱模雙頻激光干涉儀以拍波干涉的原理對(duì)高精度大尺寸零件作無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量的技術(shù)中，節(jié)點(diǎn)的確定有兩路大尺寸拍波信號(hào)一路為被測(cè)量調(diào)制相位的測(cè)量信號(hào)；一路為相位不變的參考信號(hào)。通過(guò)對(duì)它們比相找零得到測(cè)量結(jié)果的。由于拍波信號(hào)頻率很高(與He-Ne激光器長(zhǎng)短有關(guān)，可達(dá)500MHz～1000MHz)，很難對(duì)其有效濾波，因而直接比相找零測(cè)量的精度受限于較低的信噪比，通常很難得到較高的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，其特點(diǎn)是采用混頻器將拍波信號(hào)頻率在保留被測(cè)相位信息的條件下降至低頻，形成兩路有固定相位差的低頻信號(hào)，將其作為自適應(yīng)濾波器的兩路輸入，以變步長(zhǎng)LMS自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)濾波，再以能保證迭代收斂時(shí)剔除的小波系數(shù)的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等于1的改進(jìn)型小波去噪算法濾波，經(jīng)以上環(huán)節(jié)濾除激光器拍波噪聲后進(jìn)行比相找零測(cè)量，從而得到高的測(cè)量精度。
本發(fā)明的目的由以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)的。
測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)高頻放大器連接功分器，功分器連接混頻器，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線，得到兩路有固定相位差的低頻信號(hào)。
將上述兩路有固定相位差的低頻信號(hào)輸入自適應(yīng)濾波器。兩路信號(hào)X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由于拍波演變出的信號(hào)S0與S1高度相關(guān)，而噪聲N0與N1不相關(guān)，自適應(yīng)濾波器的作用是通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的系數(shù)，使輸出Yn逼近期望的信號(hào)S0?？梢宰C明E[en2]=E[(S0-Yn)2]+E[N02]]]>使均方誤差取最小值，則
minE[en2]=minE[(S0-Yn)2]+E[N02]]]>上式表明當(dāng)誤差en的平均功率為最小時(shí)，輸出Yn則為S0最好的最小均方估計(jì)。
為同時(shí)滿足收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差這兩個(gè)性能指標(biāo)之間相互矛盾的要求，采用變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法，其迭代公式為Y(n)＝X(n)W(n)e(n)＝d(n)-Y(n)W(n+1)＝W(n)+2μ(n)e(n)X(n)μ(n+1)=αμ(n)+γe(n)2]]>式中Y(n)為實(shí)際輸出，X(n)為輸入信號(hào)，W(n)為權(quán)系數(shù)，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，x(n-2)，...x(n-L+1)]T表示時(shí)刻n的輸入信號(hào)矢量，T為矢量標(biāo)志，由最近L個(gè)信號(hào)采樣值構(gòu)成，W(n)＝[ω0(n)，ω1(n)，ω2(n)，...ωL-1(n)]T是時(shí)刻n自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)矢量。L是自適應(yīng)濾波器的階數(shù)，d(n)是期望輸出值，在這里為S0，e(n)是誤差，μ(n)是控制穩(wěn)定性和收斂速度的參量，稱之為步長(zhǎng)因子，變步長(zhǎng)因子μ(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0。
這種變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法在初始收斂階段或未知系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，步長(zhǎng)應(yīng)比較大，以便有較快的收斂速度或?qū)r(shí)變系統(tǒng)的跟蹤速度；而在算法收斂后，不管主輸入端干擾信號(hào)有多大，都應(yīng)保持很小的調(diào)整步長(zhǎng)以達(dá)到很小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)噪聲。這種算法能同時(shí)滿足收斂速率、跟蹤速率及權(quán)失調(diào)噪聲之間相互矛盾的要求。
為滿足信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的要求，該濾波器通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)高速運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。基于DSP硬件的變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器大大提高了濾波器的時(shí)效性，可以實(shí)時(shí)處理0～幾MHz的信號(hào)，有效濾除激光器拍波信號(hào)中的噪聲。
將經(jīng)過(guò)變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器處理輸出的信號(hào)輸入其后的改進(jìn)型小波濾波器，該濾波器首先利用空域相關(guān)法剔除噪聲系數(shù)，在噪聲系數(shù)λ＞1時(shí)反復(fù)迭代，直到λ＜1。此時(shí)停止迭代將引人噪聲。為此在這一步引人調(diào)整系數(shù)c，尋找最佳的調(diào)整系數(shù)c，使λ＝1，我們注意到，當(dāng)λ＞1時(shí)，lnλ＞0；當(dāng)λ＜1時(shí)，lnλ＜0。利用此性質(zhì)由下式自適應(yīng)尋找c的最佳估計(jì)c→c+μlnλ
在此式中，μ是調(diào)整步長(zhǎng)的一個(gè)正的常數(shù)。設(shè)置c的初值為1，當(dāng)λ＜1時(shí)，lnλ＜0，迭代后c值將減小，用此減小的c值去乘相關(guān)系數(shù)，這樣做抽取的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)將減少，而剔除的小波系數(shù)的方差將增加，λ也將增加。如果λ的值仍舊小于1，則λ代人上式繼續(xù)再次迭代，剔除的小波系數(shù)的方差將再次增加，λ也將再次增加，如果迭代后入的值大于1，lnλ＞0，迭代后c值將增大，用此增大的c值去乘相關(guān)系數(shù)，這樣做抽取的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)將增加，而剔除的小波系數(shù)的方差將減小，λ也將減小?？梢?jiàn)，無(wú)論λ＞1或λ＜1，本文的方法都能使λ趨向1的方向靠近。這樣一直迭代下去，直到入λn+1-λn≤σm×10-3。這種迭代的結(jié)果使剔除的小波系數(shù)的方差等于噪聲的方差，可以達(dá)到濾波的最佳效果。常數(shù)μ的作用是控制穩(wěn)定性和收斂速度的參量，可以叫做步長(zhǎng)因子，μ值較大時(shí)，c可以較快地收斂到平穩(wěn)值，同時(shí)出現(xiàn)較大的隨機(jī)抖動(dòng)。μ較小時(shí)，c值可以較為平穩(wěn)和精確但又較為緩慢地收斂到平穩(wěn)值。
上述改進(jìn)型小波濾波器采用自適應(yīng)調(diào)整的方法，在小波變換值的相關(guān)量里加入自適應(yīng)微調(diào)系數(shù)，使在迭代收斂時(shí)剔除的小波系數(shù)的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等于1，避免引入隨機(jī)噪聲，從而提高了空域相關(guān)法的濾波效果。同樣為滿足信號(hào)處理實(shí)時(shí)性的要求，該改進(jìn)型小波濾波器也通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)高速運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.將大尺寸拍波測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)高頻放大器連接功分器，功分器連接混頻器，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線，使拍波信號(hào)在保留被測(cè)相位信息的條件下降至低頻，形成兩路有固定相位差的低頻信號(hào)，易于后續(xù)數(shù)字信號(hào)電路處理。
2.可將上述兩路有固定相位差的低頻信號(hào)X0和X1直接輸入變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器，避免了一般自適應(yīng)濾波器均需要有參考輸入通道，且參考輸入通道只含有與主通道信號(hào)不相關(guān)、而與主通道噪聲相關(guān)的噪聲的苛刻要求。X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由于拍波演變出的信號(hào)S0與S1高度相關(guān)，而噪聲N0與N1不相關(guān)，自適應(yīng)濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的系數(shù)，能使輸出Yn逼近期望的信號(hào)S0。具體采用通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)高速運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法，該算法在初始收斂階段或未知系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，步長(zhǎng)應(yīng)比較大，以便有較快的收斂速度或?qū)r(shí)變系統(tǒng)的跟蹤速度；而在算法收斂后，不管主輸入端干擾信號(hào)有多大，都應(yīng)保持很小的調(diào)整步長(zhǎng)以達(dá)到很小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)噪聲。這種算法同時(shí)滿足了收斂速率、跟蹤速率及權(quán)失調(diào)噪聲之間相互矛盾的要求，可以有效濾除激光器拍波信號(hào)中的噪聲。
3.將經(jīng)過(guò)變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器處理輸出的信號(hào)輸入其后的改進(jìn)型小波濾波器，再次濾波。該濾波器利用空域相關(guān)法剔除噪聲系數(shù)，為避免λ＜1時(shí)停止迭代引人隨機(jī)噪聲，引人調(diào)整系數(shù)c，利用c→c+μlnλ自適應(yīng)尋找最佳的調(diào)整系數(shù)c，使λ＝1，提高了空域相關(guān)法的濾波效果。
4.通過(guò)低頻化處理及雙次濾波，可以得到大大濾除了激光器噪聲的高信噪比拍波信號(hào)進(jìn)而獲得更高的比相測(cè)量精度。
四

圖1為He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置框圖。
1高頻放大器，2功分器，3延遲線，4混頻器，5變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器，6改進(jìn)型小波濾波器，7數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。
圖2為變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器框圖。
8自適應(yīng)濾波器，9合成器五具體實(shí)施方式
下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體描述，有必要在此指出的是以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，該領(lǐng)域的技術(shù)熟練人員可以根據(jù)上述本發(fā)明的內(nèi)容對(duì)本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。
實(shí)施例在用雙縱模雙頻激光干涉儀以拍波干涉的原理對(duì)高精度大尺寸零件作無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量的裝置中，節(jié)點(diǎn)判別光路輸出兩路大尺寸拍波信號(hào)，如圖1所示一路為被測(cè)量調(diào)制相位的測(cè)量信號(hào)，一路為相位不變的參考信號(hào)，拍波信號(hào)頻率很高(與He-Ne激光器長(zhǎng)短有關(guān)，可達(dá)500MHz～1000MHz)。將測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)高頻放大器1連接功分器2，功分器連接混頻器4，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線3，得到兩路有固定相位差的低頻信號(hào)X0和X1，將此兩路信號(hào)X0和X1輸入變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器5，該濾波器通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)7高速運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。此兩路有固定相位差的低頻信號(hào)X0和X1均含有背景噪聲，即X0＝S0+N0，X1＝S1+N1，由于拍波演變出的信號(hào)S0與S1高度相關(guān)，而噪聲N0與N1不相關(guān)，自適應(yīng)濾波器通過(guò)調(diào)節(jié)濾波器的系數(shù)，能使輸出Yn逼近期望的信號(hào)S0。具體采用變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法，該算法在初始收斂階段或未知系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，步長(zhǎng)應(yīng)比較大，以便有較快的收斂速度或?qū)r(shí)變系統(tǒng)的跟蹤速度；而在算法收斂后，不管主輸入端干擾信號(hào)有多大，都應(yīng)保持很小的調(diào)整步長(zhǎng)以達(dá)到很小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)噪聲。這種算法同時(shí)滿足了收斂速率、跟蹤速率及權(quán)失調(diào)噪聲之間相互矛盾的要求，可以有效濾除激光器拍波信號(hào)中的噪聲。再將變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器輸出信號(hào)Yn輸入同樣用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)高速運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)型小波濾波器6，該濾波器采用自適應(yīng)調(diào)整的方法，在小波變換值的相關(guān)量里加入自適應(yīng)微調(diào)系數(shù)，使在迭代收斂時(shí)剔除的小波系數(shù)的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等于1，避免引入隨機(jī)噪聲，從而提高了空域相關(guān)法的濾波效果。最終得到高信噪比拍波信號(hào)進(jìn)而獲得更高的比相測(cè)量找零精度，即無(wú)導(dǎo)軌大尺寸測(cè)量中至關(guān)重要的節(jié)點(diǎn)判定精度。
權(quán)利要求
1.He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置，其特征在于該裝置由測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)高頻放大器(1)連接功分器(2)，功分器(2)連接混頻器(4)，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線(3)，得到兩路有固定相位差的低頻信號(hào)，利用此兩路低頻信號(hào)中拍波演變出的信號(hào)高度相關(guān)，而所含噪聲不相關(guān)的特點(diǎn)，將其依次輸入基于數(shù)字信號(hào)處理器DSP(7)硬件的變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器(5)和改進(jìn)型小波濾波器(6)，最終得到大大濾除了激光器噪聲的高信噪比拍波信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置的噪聲濾除方法，其特征在于變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器DSP硬件高速運(yùn)算，其迭代公式為Y(n)＝X(n)W(n)e(n)＝d(n)-Y(n)W(n+1)＝W(n)+2μ(n)e(n)X(n)μ(n+1)=αμ(n)+γe(n)2]]>式中Y(n)為實(shí)際輸出，X(n)為輸入信號(hào)，W(n)為權(quán)系數(shù)，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，x(n-2)，...x(n-L+1)]T表示時(shí)刻n的輸入信號(hào)矢量，T為矢量標(biāo)志，由最近L個(gè)信號(hào)采樣值構(gòu)成，W(n)＝[ω0(n)，ω1(n)，ω2(n)，...ωL-1(n)]T是時(shí)刻n自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)矢量，L是自適應(yīng)濾波器的階數(shù)，d(n)是期望輸出值，e(n)是誤差，μ(n)是控制穩(wěn)定性和收斂速度的參量，稱之為步長(zhǎng)因子，變步長(zhǎng)因子μ(n)迭代公式中，0＜α＜1，γ＞0，使變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法在初始收斂階段或未知系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，步長(zhǎng)比較大，有較快的收斂速度或?qū)r(shí)變系統(tǒng)的跟蹤速度；而在算法收斂后，不管主輸入端干擾信號(hào)有多大，都保持很小的調(diào)整步長(zhǎng)以達(dá)到很小的穩(wěn)態(tài)失調(diào)噪聲，這種算法能同時(shí)滿足收斂速率、跟蹤速率及權(quán)失調(diào)噪聲之間相互矛盾的要求。
3.按照權(quán)利要求1或2所述He-Ne激光器拍波噪聲濾除裝置的噪聲濾除方法，其特征在于改進(jìn)型小波濾波器采用自適應(yīng)調(diào)整的方法，在小波變換值的相關(guān)量里加入自適應(yīng)微調(diào)系數(shù)c，由下式自適應(yīng)尋找c的最佳估計(jì)c→c+μlnλ在此式中，μ是調(diào)整步長(zhǎng)的一個(gè)正的常數(shù)，使在迭代收斂時(shí)剔除的小波系數(shù)的方差和本尺度上的噪聲方差之比恰好等于1，避免引入隨機(jī)噪聲，從而提高了空域相關(guān)法的濾波效果。
全文摘要
He－Ne激光器拍波噪聲濾除裝置及其噪聲濾除方法，其特點(diǎn)是將用雙縱模雙頻激光干涉儀以拍波干涉的原理對(duì)高精度大尺寸零件作無(wú)導(dǎo)軌測(cè)量裝置中節(jié)點(diǎn)判別光路輸出的大尺寸測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)高頻放大器(1)連接功分器(2)，功分器連接混頻器(4)，其中一路功分器與混頻器間接有延遲線(3)，得到兩路有固定相位差的低頻信號(hào)。利用此兩路低頻信號(hào)中拍波演變出的信號(hào)高度相關(guān)，而所含噪聲不相關(guān)的特點(diǎn)，將其依次輸入基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)(7)、硬件的變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波器(5)和改進(jìn)型小波濾波器(6)，最終得到大大濾除了激光器噪聲的高信噪比拍波信號(hào)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1606235SQ20041008124
公開(kāi)日2005年4月13日 申請(qǐng)日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者周肇飛, 張濤, 黃偉 申請(qǐng)人:四川大學(xué)