《Sensors》：Validity Limits of High-Speed Laser-Speckle Modal Measurement on a Rotating Shaft: A Pre-Impact Falsification Test
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激光散斑跟踪可实现非接触式振动测量，但在旋转过程中的模态识别仍然具有挑战性。本研究探讨了类共振频率响应函数（FRF）和高相干性是否为模态识别提供了充分证据。研究人员在一根钢轴上分别于0、100和200 rpm转速下，采用四个位置的冲击激励进行测试。评估结合了与
激光散斑跟踪可实现非接触式振动测量，但在旋转过程中的模态识别仍然具有挑战性。本研究探讨了类共振频率响应函数（FRF）和高相干性是否为模态识别提供了充分证据。研究人员在一根钢轴上分别于0、100和200 rpm转速下，采用四个位置的冲击激励进行测试。评估结合了与加速度计的静态交叉验证、匹配的冲击前比较以及光学降质的测量。在0 rpm时，光学频率与接触参考值的差异在P2处为1.06%，在P3处为2.60%。两种转速和四个激励位置共产生八种测量条件。其中两种条件在决策带内未产生候选频率。六种条件产生了光学候选频率。在其中三种条件下，选定频率处的冲击后相干性低于冲击前相干性。去除线性相位趋势后消除了一个额外候选频率；然而，这一结果在留一法测试中存在变化。两种跟踪方法在200 rpm时产生的候选频率相差12.21 Hz，但其原因尚未解决。旋转使光学噪声基底增加了35–46 dB，并将散斑相关性从0.999降低至0.708。在这些条件下，高相干性本身并不能验证模态识别。匹配的冲击前比较提供了一种额外的检验手段，但通过该检验并不能确认结构模态。
1. 研究背景与问题
旋转机械的模态测试通常在静止状态下进行，以便施加可控激励并直接安装接触式传感器。然而，由于陀螺效应以及轴承或支撑条件的变化，旋转过程中的模态特性可能发生改变，例如共振频率的偏移或分裂，阻尼也可能发生变化。因此，有必要在旋转过程中进行测量，但旋转谐波和采样伪影使得模态识别变得复杂。传统的轴装接触式传感器需要滑环或遥测设备，其附加质量还可能影响轻量级转子的动态特性。
光学方法无需将传感器安装在旋转表面上即可实现振动测量。高速相机可利用数字图像相关（DIC）、基于相位的方法或激光散斑跟踪来测量运动。已有研究展示了光学方法的潜力，但也提出了一个实际问题：当旋转过程中缺乏独立的参考基准时，需要什么样的证据才能接受一个模态识别结果？
频率响应函数（FRF）中的峰值和高相干性值看似能提供这种证据。然而，相干性描述的是测量的输入与输出之间的线性关系，它并不能证明一个表观共振对应于一个结构模态。在本研究中，当光学响应窗口取自冲击之前时，也出现了高相干性。该窗口包含与旋转相关的运动，但不包含所分析冲击引起的响应。因此，将其与冲击响应窗口进行比较，可直接检验对相干性的解读。
2. 研究目的与意义
本研究旨在考察光学FRF和相干性在多大程度上可被接受为旋转轴上模态识别的证据。研究做出了三项贡献：第一，在静态条件下使用相同的物理冲击，比较光学与接触式测量；第二，在旋转过程中应用匹配的冲击前控制，使用与冲击响应分析相同的冲击、窗口长度和处理流程；第三，测量光学噪声基底和帧间散斑相关性的变化，以评估光学测量的降质程度。该实验提供了一个案例，表明高相干性并不能确立有效的光学模态识别。
3. 关键技术方法
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激光散斑跟踪：利用532 nm激光器照射轴端面，通过高速相机以固定感兴趣区域（ROI）记录背向散射散斑图案，采用归一化互相关（NCC）作为主跟踪器，并使用相位相关（PHCORR）及其亚像素精炼变体（SKPCC）作为备选方案。
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信号处理与FRF估计：对力信号和响应信号施加指数窗，使用H1估计器计算FRF和普通相干性。对旋转记录进行残差通道间延迟优化。
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模态参数提取：结合FRF相位下降量和局部幅值最大值来检测候选频率，并通过半功率带宽估计阻尼比。
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冲击前控制测试：将响应窗口完全移至冲击发生之前，使用与冲击响应分析相同的冲击、窗口长度和流程重新计算FRF和相干性，若候选频率处的冲击后相干性不高于冲击前值，则表明相干性不足以支持冲击激发的模态解释。
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光学降质评估：通过无冲击响应段的功率谱密度（PSD）评估光学噪声基底，并计算帧间散斑相关性。
4. 研究结果
4.1 静态验证（Stationary Validation Against the Contact Reference）
在0 rpm下，P2和P3位置的光学与接触式测量进行了对比。接触通道在P2和P3处识别的频率分别为236.875 Hz和241.875 Hz，光学通道分别为234.375 Hz和235.596 Hz，差异分别为1.06%和2.60%。在识别频率处，光学通道的相干性分别为0.840和0.990。研究指出，P2提供了更强的静态比较，因为P3处的接触参考峰更宽。
4.2 旋转条件下的光学识别（Optical Identification Under Rotation）
使用NCC跟踪器，八种旋转条件中有两种未返回候选频率，五种返回了一个候选频率，一种（100 rpm P1）返回了三个候选频率。在六种有候选频率的条件中，有三种在选定频率处的冲击后相干性低于冲击前相干性。这表明高相干性本身不能验证模态识别。移除线性相位趋势后，200 rpm P3处的候选频率不再满足判据。此外，NCC与PHCORR两种跟踪方法在200 rpm P4处产生的候选频率相差12.21 Hz，表明跟踪器之间存在不一致。
4.3 光学噪声基底与散斑去相关（Optical Noise Floor and Speckle Decorrelation）
在等时长无冲击段内，旋转导致决策带内的光学噪声基底上升了35.4–45.7 dB。冲击响应水平与噪声基底之间的裕度从0 rpm时的40.0–45.1 dB降至旋转期间的6.7–15.2 dB。帧间散斑相关性从0 rpm的0.999降至100 rpm的0.822和200 rpm的0.708。这些观察结果支持宽带跟踪降质是主要因素。
4.4 平均需求与冲击质量（Averaging Requirements and Impact Quality）
留一法（LOO）分析显示，某些候选频率的检测对单个冲击敏感。例如，200 rpm P3处的候选频率在全数据集下因相位趋势而被排除，但在七个留一法子集中有两个子集在趋势拟合后仍被保留，表明全数据集的结论受个别冲击影响。
5. 讨论与结论
讨论部分总结：
静态光学-接触比较支持在静态条件下识别第一模态区域，但这并不能验证旋转光学测量。宽带证据（噪声基底升高、散斑相关性下降）和处理检查区分了观测到的降质与已证实的缓解措施。冲击前控制提供了一种补充性检验，但它不能替代独立的轴响应参考。跟踪器之间的不一致限制了唯一模态频率的可信度。改进照明、优化曝光、改变帧率和替代光学配置是潜在的缓解策略，但本研究未予测试。
结论部分翻译：
该框架结合了使用相同冲击的静态光学-接触比较、旋转过程中的匹配冲击前控制，以及通过噪声基底和散斑相关性对光学降质进行的评估。本实验表明，在旋转过程中，看似合理的光学FRF和高相干性不足以确立模态识别。在进行旋转下的光学模态识别评估时，应将匹配的冲击前控制与相干性一同考虑。当可获得足够长的冲击前段时，可采用与冲击响应段相同的窗口长度和流程进行处理。随后比较候选频率处的相干性是否超过冲击前值。相干性本身无法验证识别结果，而未被此检验排除的候选频率仍需独立验证。这些发现仅适用于一根轴、一种光学配置和两种转速。有限的清洁冲击数量和单次遗漏敏感性制约了结论的普遍性。更广泛的适用性需要独立的数据集、不同的几何形状和材料、更高的转速以及旋转轴响应的参考测量。
