CN1401990A - 序列散斑场强度扫描位移测量方法 - Google Patents

Abstract

一种序列散斑场强度扫描位移测量方法，属光电无损检测领域。本方法由下列步骤完成：对被测物通过双光束干涉获得单调连续变化的序列散斑图；对所得的序列散斑图在时间域内用相关法划分出不同的强度统计和扫描区间；对划分好区间的序列散斑图进行强度统计平均和扫描获得该区间相位函数的主值；对获得主值相位函数区间内的序列散斑图所对应的余弦强度序列再进行六区域分割并对其强度值逐点比较，获得余弦序列所对应的相位变化周期；将主值相位和相位变化周期迭加，获得由相关划分所确定的区间中的连续位相分布；将获得的所有区间的连续相位值叠加即可完成位移场检测。采用本方法可以在不加外载波和相移***的条件下，对时变位移场进行定量测量。

Description

序列散斑场强度扫描位移测量方法

技术领域

本发明涉及序列散斑场强度扫描位移测量方法，属光电无损检测领域。

背景技术

散斑干涉或电子散斑干涉(ESPI)是目前被广泛应用于漫射体表面位移或变形检测的现代光学计量方法。它们基于双光束散斑干涉而形成双曝光散斑图，然后通过逐点或全场分析(对散斑干涉)或不同运动与变形状态下的数字化散斑干涉图，通过数字图像处理进行分析(对电子散斑干涉)。在以往的计量中它们主要是以强度相关条纹的形式来表征所需要测量的位移或变形量的。但是由于条纹本身的复杂性与随机性，很难形成统一的条纹处理模式和定量解释方式。因此，对条纹判读主要是依靠人工进行，如确定条纹中心、为条纹级数赋值等。这种传统的图象处理方法速度慢而且精度低，条纹的稀疏性和条纹的规则性都会影响判断的准确性。随着计算机图像处理技术的发展，用计算机可以完成图像的平滑，二值化，细化，条纹跟踪，条纹级数赋值等，使条纹图的分析由人工向自动化迈进了一步，但由于受条纹场的复杂性及噪声水平的影响，要获得高精度的测量结果需要付出相当的工作量。因此，以相关条纹场为计量表征模式的散斑干涉或ESPI主要被应用于定性分析。

为了解决散斑计量中的定量检测问题，在ESPI技术中引入了相移方法，即相移电子散斑干涉术(PSESPI)。该方法能够很容易地对变形场进行定量检测。但其也存在着明显的不足，即它需要同一变形状态下的至少三幅干涉图进行相位求解，同时相移装置的引入增加了实验装置的复杂性和对环境噪声的敏感性。因此，相移方法很难适用于时变或较恶劣环境下的动态位移或变形检测。另一种方法是在散斑干涉和ESPI检测中引入载波条纹(通过在检测***中引入载波装置或在检测中旋转参考光的反射镜引入空间条纹而形成载波)，也称作载波电子散斑干涉术(CESPI)。它利用傅立叶变换技术，在只需要一幅干涉图的情况下通过应用傅立叶空间相位解调方法，就可以解调出全场相位。所以CESPI可以方便地应用于无法用相移技术的场合，例如时变场或瞬态变化场等。

然而，不论是从传统的散斑法、ESPI到PSESPI和CESPI，位移和变形场的测量都是基于两个状态，即变形前后的两个状态，没有考虑到时间参数。但时变场是普遍存在的，如热变形场，由材料或结构的疲劳破坏引起的蠕变等。这些场通常是基于时间变化并且变形量是比较大的。因此非常需要能高精度定量测量时变场和大变形的方法。九十年代中后期，由于高速固体摄像器件(CCD)的出现，使短时间隔的数字序列图像的采集成为可能。因而以时间参量为载波的序列场分析被提到日程上来，并进而对高速变形场的数字化检测产生了推动作用。德国斯图加特大学的Charles Joenathan等人提出了一种基于傅立叶空间滤波原理的时变散斑干涉方法。在这一方法中，他们利用计算机控制的旋转台使物体产生连续的运动，从而引起散斑场强度的时间调制变化。这样在物体变形的过程中采集大量的散斑图，并通过傅立叶变换技术提取出全场的相位信息。因为要使用傅立叶变换解调技术来提取相位信息，所以在Joenathan方法中需要大量的摄取散斑干涉图，并且要求被测物体的变形或***能提供近似线性的时间载波，以便用傅立叶方法分析时能统一进行旁瓣滤波。因此该方法不适应被测物体的任意变形，需要附加线性载波，所需设备复杂操作较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需附加线性载波和相移的时变场相位检测方法。

本发明序列散斑场强度扫描位移测量方法由下列步骤完成：1、对被测物体首先通过双光束散斑干涉获得单调连续变化的序列散斑图；2、对所得的序列散斑图在时间域内应用相关法划分出不同的强度统计和扫描区间；3、对划分好区间的序列散斑图进行时间域强度统计平均和强度扫描获得该区间内相位函数的主值；4、对获得主值相位函数的区间内的序列散斑图所对应的余弦强度序列再进行六个区域分割，即第一采样点、上升区、波峰、下降区、波谷和最后采样点；5、对所分割的六区域强度值逐点比较，获得余弦序列所对应的相位变化周期；6、将主值相位和相位变化周期合成，获得由相关划分所确定的该区间中的连续位相分布；7、重复步骤3到步骤6的过程，获得所有区间的连续相位分布，并将所有区间对应的连续相位叠加，即可完成位移场检测。

具体处理方法如下：

1、双光束干涉获得序列散斑场：

I(x，y，t_i)＝I₀(x，y)+I_m(x，y)cos(x，y，t_i)    (1)

其中，I₀(x，y)和I_m(x，y)分别为干涉场的平均强度和调制函数，(x，y，t)是与物体表面位移或变形有关的时变相位函数。

2、时间域强度相关划分确定统计和扫描区间n_k：

第一个相关区间： $C_{\mathrm{lj}}=\frac{\sqrt{2}{I}_l(x,y,t_l)\·I_{l+j}(x,y,t_{l+j})}{\sqrt{I_l{(x,y,t_l)}^2+I_{l+j}{(x,y,t_{l+j})}^2}},$ 当C_lj≤C₀，n₁=|j-l|                 (2)

   ··· ···

第k个相关区间 $C_{\mathrm{kj}}=\frac{\sqrt{2}{I}_k(x,y,t_k)\·I_{k+j}(x,y,t_{k+j})}{\sqrt{I_k{(x,y,t_k)}^2+I_{k+j}{(x,y,t_{k+j})}^2}},$ 当C_kj≤C₀，n_k＝|j-k|                 (3)其中，j，k为正整数，C_kj为归一化相关系数C₀为相关阈值，可取C₀≥0.6·C_kk。

3、区段n_k中时间域强度统计平均和强度扫描求主值相位：首先，应用时间域统计平均运算获得平均强度I₀(x，y)，即 $I_0(x,y)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y,t_i)}{n_k}---\left(4\right)$

然后，在选定的时间序列区间，进行序列场强度扫描，获得强度极值I_max(x，y)，于是可得调制函数： $I_m(x,y)=I_{\max }(x,y)-\frac{\underset{i=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y,t_i)}{n_k}---\left(5\right)$ 最后由(1)式可以获得主值相位函数(x，y，t)为： $\mathrm{\φ}(x,y,t_i)=\arccos \left[\frac{n_{k}I(x,y,t_i)-\underset{i=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y,t_i)}{n_k{I}_{\max }(x,y)-\underset{i=1}{\overset{n_k}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i(x,y,t_i)}\right]---\left(6\right)$

4、区段n_k中余弦强度序列六个区域分割：

对区段n_k中余弦强度序列按图1分别分割成第一采样点、上升区、波峰、下降区、波谷和最后采样点等六个区域。

5、6、对所分割的六区域强度值逐点比较，并将主值相位和相位变化周期合成，获得由相关划分所确定的区间中的连续位相分布，具体过程为：

首先，设I(x，y，t_i)表示时刻i时所对应的时变散斑场，p为余弦函数周期数，_c(x，y，t_i)表示相位去包裹后所获得的i时刻的连续相位函数，则(x，y，t_i)的时间域去包裹过程为：

若I₁(x，y，t₁)≥I₂(x，y，t₂)，则_ck(x，y，t₁)＝(x，y，t₁)

                                                                       (7)

若I₁(x，y，t₁)＜I₂(x，y，t₂)，则_ck(x，y，t₁)＝2π-(x，y，t₁)

当在第i时刻到第n_k-1时刻时：

        i＝2，p＝0

若I_i-1(x，y，t_i-1)＞I_i(x，y，t_i)＞I_i+1(x，y，t_i+1)，则_ck(x，y，t_i)＝2pπ+(x，y，t_i)    (8)

若I_i-1(x，y，t_i-1)＜I_i(x，y，t_i)＜I_i+1(x，y，t_i+1)，则_ck(x，y，t_i)＝2(p+1)π-(x，y，t_i)

    当I_i-1(x，y，t_i-1)＞I_i(x，y，t_i)且I_i(x，y，t_i)＜I_i+1(x，y，t_i+1)时：

若I_i-1(x，y，t_i-1)＞I_i+1(x，y，t_i+1)，则_ck(x，y，t_i)＝2pπ+(x，y，t_i)    (9)

若I_i-1(x，y，t_i-1)＜I_i+1(x，y，t_i+1)，则_ck(x，y，t_i)＝2(p+1)π-(x，y，t_i)

    当I_i-1(x，y，t_i-1)＜I_i(x，y，t_i)且I_i(x，y，t_i)＞I_i+1(x，y，t_i+1)时：

                        则p＝p+1

                                                                             (10)

若I_i-1(x，y，t_i-1)＜I_i+1(x，y，t_i+1)，_ck(x，y，t_i)＝2pπ-(x，y，t_i)

若I_i-1(x，y，t_i-1)＞I_i+1(x，y，t_i+1)，_ck(x，y，t_i)＝2pπ+(x，y，t_i)

最后，在n_k时刻：若 $I_{n_k-1}(x,y,t_{n_k-1})>I_{n_k}(x,y,t_{n_k}),$ 则 ${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ck}}(x,y,t_{n_k})=2\mathrm{p\&pi;}+\mathrm{\&phi;}(x,y,t_{n_k})$ (11)若 $I_{n-1}(x,y,t_{n_k-1})<I_{n_k}(x,y,t_{n_k}),$ 则 ${\mathrm{\&phi;}}_{\mathrm{ck}}(x,y,t_{n_k})=2(p+1)\mathrm{\&pi;}-\mathrm{\&phi;}(x,y,t_{n_k})$

7、重复步骤3到步骤6获得所有区间的连续相位分布和，并结合检测***参数完成位移检测，即：

通过方程(7)到(11)的运算，即可将主值相位函数(x，y，t_i)转换为连续相位函数_ck(x，y，t_i)。如设_ck(x，y，t₁)表示初始时刻的相位值，则由位移和变形引起的相位变化为：Δ_k(x，y，t_i)＝_ck(x，y，t_i)-_ck(x，y，t₁)    (12)

于是，所有区间所对应的连续相位为： $\mathrm{\&Delta;\&phi;}(x,y,t_i)=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Delta;\&phi;}}_k(x,y,t_i)---\left(13\right)$ 其中K为相关划分所产生的总区间个数。进而其位移场为：离面位移：W(x，y，t_i)＝λ(x，y，t_i)/[2π(1+cosθ)]        (14)面内位移：U(x，y，t_i)＝λ(x，y，t_i)/(4πsinθ)V(x，y，t_i)＝λ(x，y，t_i)/(4πsinθ)            (15)

其中，θ为光轴和照明物光轴间的夹角，U(x，y，t)，V(x，y，t)和W(x，y，t)分别为t_i时刻物体沿x，y及z轴的位移分量，λ为所用相干光波长。

对于上文的主值相位和强度变化周期合成过程(对应步骤4、5、6)，也可以用图2所示的流程图表示。这样，通过上文七个步骤，即完成时变场位移测量。本发明序列散斑场强度扫描位移测量方法可以不加载波和相移而对时变位移或变形场进行测量。

附图说明

图1是相关区段n_k段中余弦强度序列的六个区域分割图

图2是时间域强度扫描相位去包裹流程图

图3是实施例中要检测的轿车前灯配光镜

图4是实施例中车灯配光镜热变形产生的序列散斑干涉图

图5是对散斑图实现区间划分后截出的一个序列区间图

图6是对划分好区间中的序列散斑图进行主值相位和周期数求解结果图

图7，图8分别是用灰度和三维图表示的离面位移场分布

具体实施方式

实施例：车灯配光镜热变形检测

如图3为实际要检测的轿车前灯配光镜，其中试件长宽限度分别为120mm×50mm，材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。检测量为车灯配光镜表面受热变形后，产生的离面位移。根据上文提供的测量方法，检测过程为：1)、检测前先在待检测的试件表面均匀地喷一层白漆，以增强物体表面对激光的反射强度；2)、将配光镜放在双光束干涉光路中，并牢固地固定在试件夹持架上；3)、通过干涉***记录车灯配光镜热变形产生的序列散斑干涉图，见图4(对应上文中步骤1)；4)、对记录的序列散斑图作相关运算实现区间划分(对应上文中步骤2)，图5为划分中截出的一个序列区间；5)、对划分好区间中的序列散斑图进行主值相位和周期数求解(见上文步骤3、4、5、6)，结果见图6；7)将所有区间连续相位叠加，并结合检测***的激光波长、***几何参数，应用公式(14)计算车灯配光镜热变形产生的离面位移。图7和8分别为灰度和三维图表示的离面位移。

Claims (1)

1.一种序列散斑场强度扫描位移测量方法，其特征是本方法由下列步骤完成：

(1)对被测物体首先通过双光束散斑干涉获得单调连续变化的序列散斑图；

(2)对所得的序列散斑图在时间域应用相关法划分出不同的强度统计和扫描区间；

(3)对划分好区间的序列散斑图进行时间域强度统计平均和强度扫描获得该区间内相位函数的主值；

(4)对获得主值相位函数的区间内的序列散斑图所对应的余弦强度序列再进行六个区域分割，即第一采样点、上升区、波峰、下降区、波谷和最后采样点；

(5)对所分割的六区域强度值逐点比较，获得余弦序列所对应的相位变化周期；

(6)将主值相位和相位变化周期合成，获得由相关划分所确定的该区间中的连续位相分布；

(7)重复步骤(3)到步骤(6)的过程，获得所有区间的连续相位分布，并将所有区间对应的连续相位叠加，即可完成位移场检测。

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