基于散斑干涉的三维变形测量技术与算法研究
发布时间：2021-08-02 04:01
散斑干涉测量技术作为一种全场、高精度、非接触式的现代光学测量方法,在物体三维变形测量、应变分析和无损检测等方面有着广泛应用。传统的散斑干涉三维变形或应变测量系统通常采用分步测量,但对于形变不可重复的物体,往往要求测量系统能够实现三维变形和应变的同步测量。针对以上问题,本文提出了一种基于散斑干涉的三维变形和应变同步测量方法,对该方法技术原理进行了研究与探讨,并搭建实验系统验证了测量的可行性。同时,采用单光源分光型数字散斑干涉三维变形测量的方案,进行了散斑干涉测量系统仪器化的设计与研究。本文的具体研究工作如下:（1）对散斑干涉测量技术的基本原理进行了介绍,推导了三维变形与相位变化的关系,对散斑干涉中的相位提取技术、相位图像处理技术进行了研究与分析。（2）对相位图像处理中的解包裹算法进行了研究,介绍了相位解包裹的基本原理与数学模型,编程实现了几种典型的相位解包裹算法,并对其性能进行了实验对比。（3）提出一种基于散斑干涉的三维变形和应变同步测量方法,使用不同波段的三种激光器作为光源,使用彩色相机采集散斑干涉图像,从单幅彩色散斑干涉图中提取不同照明方向的相位信息,解算出物体的三维变形和三维应变信...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
剪切散斑干涉相位条纹图
第二章散斑干涉测量技术基础13122π21cossin1cossiπnwuwu(2.23)因此，相位变化x与面内水平方向形变量u的关系可以表示为：4sinxu(2.24)当光源置于YOZ平面，相机置于z轴时，同理可得相位变化y与面内竖直方向形变量v的关系：4sinyv(2.25)2.1.4剪切散斑干涉系统剪切散斑干涉技术也是散斑干涉测量技术的一种，在原理上与数字散斑干涉系统类似，可直接测量物体变形的导数，即应变信息。剪切散斑测量技术产生的相位条纹图呈现蝴蝶斑状，且相对于数字散斑干涉系统而言，测量过程中不需要参考光，并且对振动等干扰不像数字散斑干涉系统那样敏感，因此在无损检测等领域有着广泛的应用。图2.5是典型的剪切散斑干涉相位条纹图，图2.6是剪切散斑技术对层压板进行缺陷检测的结果。图2.5剪切散斑干涉相位条纹图图2.6层压板缺陷检测结果Fig2.5PhasefringepatternofshearographyFig2.6Testresultsoflaminatedefects剪切散斑干涉系统光路如图2.7所示。该系统又称为迈克尔逊剪切散斑干涉系统，其基本原理如下：激光器发出的光经扩束镜扩束后照射被测物体，在物体表面发生漫反射，反射光到达分光棱镜后分为两束，分别经反射镜1和反射镜2反射后回到分光棱镜，汇合后到达CCD相机的靶面。通过调整反射镜2的角度引入一个剪切量，使经该反射镜的光到达相机靶面后与另一束光在空间位置上有一个微小的偏移，表现为两个相互错位的物像。CCD相机采集这两束错位物光形成的散斑干涉常
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文18技术需要分别采集物体变形前后的四幅图像进行相位提取，而PZT的控制和图像的采集在理论上都需要消耗相应的时间，因此四步相移技术只能进行静态测量，而不适用于动态、快速测量，这也是大部分时间相移技术存在的缺陷。图2.11散斑干涉相位条纹图Fig2.11Thephasefringepatternofspeckleinterference2.2.2空间载波相移技术空间载波法是散斑干涉测量中另外一种常用的相位提取技术。1982年，Tekeda等人首次提出傅里叶变换法[45](FourierTransformMethod,FTM)。1996年，PedriniG等人将基于傅里叶变换的空间载波相移方法用于散斑干涉测量[46]。空间载波法的基本原理是通过引入一个载波频率对干涉场进行线性载波调制，使得干涉相位信息与背景光在频谱上分离，通过傅里叶变换的方法提取相应频谱信息，获得相位分布。图2.12是基于空间载波技术的散斑干涉系统原理图。激光器出射的光分为两束：物光和参考光。物光经扩束后到达被测物体表面，后经光阑和成像透镜进入CDD相机。参考光通过耦合透镜引入光纤，调整光纤的位置和角度，将参考光引入CCD。两者在相机靶面发生干涉并由相机以光强的形式记录。物光波前可以表示为：,,exp,OOOuxyuxyixy(2.35)参考光的波前可以表示为：11,,exp22RRxyuxyuxyifxify(2.36)式中，,Oxy为物光的相位分布，1xf和1yf分别表示在X、Y方向上的空间频率分量，即11sinxxf，11sinyyf，1x和1y分别为参考光在水平方向和竖直方向上的分量与观测方向之间的夹角[47]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于最小范数的四种相位解包裹算法比较[J]. 王华英,刘佐强,廖薇,于梦杰,高亚飞. 中国激光. 2014(02)
[2]基于DCT算法的种子点相位解包算法[J]. 郭仁慧,李建欣,朱日宏. 光学学报. 2012(02)
[3]基于光纤的三维电子散斑干涉测量系统设计[J]. 周文静,于瀛洁. 光学精密工程. 2008(10)
[4]三维电子散斑干涉载频调制及其在柴油机上的应用[J]. 孙平,韩青,王晓风,刘菲,黄珍献. 光子学报. 2007(07)
[5]电子散斑干涉无损检测技术的应用现状[J]. 刘龙,孟光. 无损检测. 2006(01)
[6]双曝光全息法静态测定材料的弹性模量[J]. 陈昭栋,舒维芬,陈芬. 西南工学院学报. 2002(02)
[7]三坐标测量机的发展趋势[J]. 张国雄. 中国机械工程. 2000(Z1)
[8]动态云纹干涉法测量应变场[J]. 佟景伟,李鸿琦. 力学学报. 1989(02)
博士论文
[1]数字散斑干涉三维变形测量系统及其应用研究[D]. 顾国庆.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]电子散斑干涉及位移场分离[D]. 高秀梅.山东师范大学 2007
本文编号：3316848
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
剪切散斑干涉相位条纹图
第二章散斑干涉测量技术基础13122π21cossin1cossiπnwuwu(2.23)因此，相位变化x与面内水平方向形变量u的关系可以表示为：4sinxu(2.24)当光源置于YOZ平面，相机置于z轴时，同理可得相位变化y与面内竖直方向形变量v的关系：4sinyv(2.25)2.1.4剪切散斑干涉系统剪切散斑干涉技术也是散斑干涉测量技术的一种，在原理上与数字散斑干涉系统类似，可直接测量物体变形的导数，即应变信息。剪切散斑测量技术产生的相位条纹图呈现蝴蝶斑状，且相对于数字散斑干涉系统而言，测量过程中不需要参考光，并且对振动等干扰不像数字散斑干涉系统那样敏感，因此在无损检测等领域有着广泛的应用。图2.5是典型的剪切散斑干涉相位条纹图，图2.6是剪切散斑技术对层压板进行缺陷检测的结果。图2.5剪切散斑干涉相位条纹图图2.6层压板缺陷检测结果Fig2.5PhasefringepatternofshearographyFig2.6Testresultsoflaminatedefects剪切散斑干涉系统光路如图2.7所示。该系统又称为迈克尔逊剪切散斑干涉系统，其基本原理如下：激光器发出的光经扩束镜扩束后照射被测物体，在物体表面发生漫反射，反射光到达分光棱镜后分为两束，分别经反射镜1和反射镜2反射后回到分光棱镜，汇合后到达CCD相机的靶面。通过调整反射镜2的角度引入一个剪切量，使经该反射镜的光到达相机靶面后与另一束光在空间位置上有一个微小的偏移，表现为两个相互错位的物像。CCD相机采集这两束错位物光形成的散斑干涉常
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文18技术需要分别采集物体变形前后的四幅图像进行相位提取，而PZT的控制和图像的采集在理论上都需要消耗相应的时间，因此四步相移技术只能进行静态测量，而不适用于动态、快速测量，这也是大部分时间相移技术存在的缺陷。图2.11散斑干涉相位条纹图Fig2.11Thephasefringepatternofspeckleinterference2.2.2空间载波相移技术空间载波法是散斑干涉测量中另外一种常用的相位提取技术。1982年，Tekeda等人首次提出傅里叶变换法[45](FourierTransformMethod,FTM)。1996年，PedriniG等人将基于傅里叶变换的空间载波相移方法用于散斑干涉测量[46]。空间载波法的基本原理是通过引入一个载波频率对干涉场进行线性载波调制，使得干涉相位信息与背景光在频谱上分离，通过傅里叶变换的方法提取相应频谱信息，获得相位分布。图2.12是基于空间载波技术的散斑干涉系统原理图。激光器出射的光分为两束：物光和参考光。物光经扩束后到达被测物体表面，后经光阑和成像透镜进入CDD相机。参考光通过耦合透镜引入光纤，调整光纤的位置和角度，将参考光引入CCD。两者在相机靶面发生干涉并由相机以光强的形式记录。物光波前可以表示为：,,exp,OOOuxyuxyixy(2.35)参考光的波前可以表示为：11,,exp22RRxyuxyuxyifxify(2.36)式中，,Oxy为物光的相位分布，1xf和1yf分别表示在X、Y方向上的空间频率分量，即11sinxxf，11sinyyf，1x和1y分别为参考光在水平方向和竖直方向上的分量与观测方向之间的夹角[47]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于最小范数的四种相位解包裹算法比较[J]. 王华英,刘佐强,廖薇,于梦杰,高亚飞. 中国激光. 2014(02)
[2]基于DCT算法的种子点相位解包算法[J]. 郭仁慧,李建欣,朱日宏. 光学学报. 2012(02)
[3]基于光纤的三维电子散斑干涉测量系统设计[J]. 周文静,于瀛洁. 光学精密工程. 2008(10)
[4]三维电子散斑干涉载频调制及其在柴油机上的应用[J]. 孙平,韩青,王晓风,刘菲,黄珍献. 光子学报. 2007(07)
[5]电子散斑干涉无损检测技术的应用现状[J]. 刘龙,孟光. 无损检测. 2006(01)
[6]双曝光全息法静态测定材料的弹性模量[J]. 陈昭栋,舒维芬,陈芬. 西南工学院学报. 2002(02)
[7]三坐标测量机的发展趋势[J]. 张国雄. 中国机械工程. 2000(Z1)
[8]动态云纹干涉法测量应变场[J]. 佟景伟,李鸿琦. 力学学报. 1989(02)
博士论文
[1]数字散斑干涉三维变形测量系统及其应用研究[D]. 顾国庆.南京航空航天大学 2013
硕士论文
[1]电子散斑干涉及位移场分离[D]. 高秀梅.山东师范大学 2007
本文编号：3316848
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