用光学处理器监测物体振动

本文介绍了一种面向土木基础设施健康监测（SHM）的创新技术——基于衍射光学处理器的三维结构振动监测系统。当前主流监测方法（如加速度计网络、激光多普勒测振、视觉识别等）普遍存在成本高、功耗大、安装维护难、需大量数据处理或受环境干扰严重等问题。本研究另辟蹊径，将计算任务部分前移至物理层面：在待测结构表面贴附一个被动式、无源的3D打印衍射层（尺寸约波长一半），该层随结构同步振动，将三维位移信息编码为独特的时空光强变化；仅用2–4个简易探测器捕获调制后的反射光信号，再由轻量级（浅层）、低功耗神经网络实时解码，直接输出结构在x/y/z三个方向上的振动幅度与频率谱（目标频段9–11 Hz，覆盖常见低层建筑基频）。整个系统无需外部供电给衍射层，总能耗主要来自毫米波光源（单次测量约0.2–2焦耳），计算延迟仅约30毫秒，具备实时监测能力。研究通过数值仿真与实验（使用3 mm波长毫米波+四层建筑缩比模型+可编程震动台）双重验证：联合优化的衍射层+神经网络方案，相比单独优化的衍射层、菲涅尔透镜阵列或随机散射体等对照组，振动频谱重建误差（MSE）降低一个数量级以上；在单频识别、多点同步监测（采用波长复用技术）、抗制造误差（‘疫苗化’训练策略）、抗光学对准偏差等方面均表现出优异鲁棒性。该技术不仅为桥梁、大坝、高楼等提供更经济、可扩展的智能诊断新工具，其‘物理层智能编码+数字层高效解码’的核心思想，还可拓展至航空航天故障诊断、灾害预警、自动驾驶等对能效、低延迟和分布式感知要求极高的领域。