基于空间相移的面内变形的快速测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种基于空间相移的面内变形的快速测量系统及测量方法，其特征是系统构成包括激光器、分光棱镜组、凸透镜、反射镜、扩束镜、载波光纤微调器件、镜头成像和CCD摄像机采集器件；本发明通过改变光纤照射到CCD阵列的倾斜角度和空间方向的不同，实现低频载波和高频散斑的分离，运用傅立叶变换将其低频项提取出来，对低频项进行傅立叶逆变换，得到表示物体面内变形的干涉波面的相位分布，通过加载前后相位图像的相减获得被测物体的真实面内变形。本发明在散斑干涉材料中只使用单幅图像实现快速相位检测的目的，简化了系统，降低了成本，实现了面内变形的动态高速无损测量。

主权项

基于空间相移的面内变形的快速测量系统，其特征是：设置激光器(1)，其出射光经过分光棱镜(2)分成第一束光和第二束光；所述第一束光经过凸透镜(8)会聚到载波光纤(9)中，并由所述载波光纤(9)将第一束光引导照射到CCD摄像机(12)的靶面阵列上，构成参考光载波光路；所述第二束光经过分光棱镜组(3)分为两束物光，分别是第一束物光和第二束物光，所述两束物光分别依次经过扩束镜和反射镜以互补的角度叠加照射在被测物体(13)的表面形成激光散斑面内干涉场；所述激光散斑面内干涉场由所CCD摄像机(12)的靶面阵列进行采集，形成物光测量光路；所述参考光载波光路和物光测量光路的激光在所述CCD摄像机(12)的靶面阵列上形成干涉，对于所述CCD摄像机(12)的采集信息进行计算获得激光散斑面内干涉场的相位，比较被测物体的表面在变形前和变形后的激光散斑面内干涉相位，获得被测物体表面的面内变形信息；所述基于空间相移的面内变形的快速测量系统的测量方法是按如下步骤进行：a、构建物光与载波光的激光干涉模型H(ξ,η)定义物光测量光路中两束物光叠加照射到被测物体上时，由CCD摄像机采集的被测物体的反射光为U(ξ,η)，其中ξ,η分别表示摄像机的CCD靶面阵列上的横坐标和纵坐标；所述两束物光在被测物体表面叠加照射由式(1)表征：$U(\xi ,\eta )=U_1(\xi ,\eta )+U_2(\xi ,\eta )=a_1{e}^{{\mathrm{i\phi }}_1(\xi ,\eta )}+a_2{e}^{{\mathrm{i\phi }}_2(\xi ,\eta )}---\left(1\right)$式(1)中U₁(ξ,η)表示第一束物光，U₂(ξ,η)表示第二束物光，a₁和a₂分别为第一束物光和第二束物光的背景光强，φ₁(ξ,η)和φ₂(ξ,η)分别为第一束物光和第二束物光在CCD摄像机的CCD靶面阵列相应坐标中的相位；由于CCD摄像机所记录的是激光场的强度信息，则反射光U(ξ,η)的光强U_T(ξ,η)由式(2)表征：$\begin{array}{c}{U}_T(\xi ,\eta )=[U_1(\xi ,\eta )+U_2(\xi ,\eta )]{[U_1(\xi ,\eta )+U_2(\xi ,\eta )]}^{*}\\ =a_1^2(\xi ,\eta )+a_2^2(\xi ,\eta )+2a_1(\xi ,\eta )a_2(\xi ,\eta )\cos [{\phi }_1(\xi ,\eta )-{\phi }_2(\xi ,\eta )]\end{array}---\left(2\right)$定义参考光载波光路中由CCD摄像机采集的载波光为P(ξ,η)，Q_ξ,Q_η表示载波光的激光在CCD摄像机的靶面阵列中横坐标ξ和纵坐标η方向上的分量，θ(ξ,η)为所要求解的激光散斑面内干涉相位，建立物光测量光路中的物光与参考光载波光路中的载波光的干涉模型H(ξ,η)如式(3)：$H(\xi ,\eta )=b_k(\xi ,\eta )+c_k(\xi ,\eta )\exp \left[2\pi i(Q_{\xi }\xi +Q_{\eta }\eta )\right]+c_k^{*}(\xi ,\eta )\exp [-2\pi i(Q_{\xi }\xi +Q_{\eta }\eta )]---\left(3\right)$式(3)中：$b_k(\xi ,\eta )=U_T^2(\xi ,\eta )+P^2(\xi ,\eta )$c_k(ξ,η)＝U_T(ξ,η)P(ξ,η)exp{i[θ(ξ,η)]}θ(ξ,η)＝φ₁(ξ,η)‑φ₂(ξ,η)b、采用傅立叶变换算法，对激光干涉模型按式(4)进行频域分离：$FT\left[H(\xi ,\eta )\right]=B_k(f_{\xi },f_{\eta })+C_k(f_{\xi }-Q_{\xi },f_{\eta }-Q_{\eta })+C_k^{*}(f_{\xi }+Q_{\xi },f_{\eta }+Q_{\eta })---\left(4\right)$式(4)为物光与载波光的干涉模型的傅立叶变换，在傅立叶变换的频谱中B_k(f_ξ,f_η)位于频谱的中心坐标(0，0)，载波光的傅立叶变换频谱C_k(f_ξ‑Q_ξ,f_η‑Q_η)和是一对共轭的包含激光干涉相位的数组，其在频谱上分别分布在中心为(Q_ξ,Q_η)和(‑Q_ξ,‑Q_η)的周围邻域上，微调载波光纤的照射角度，等效于改变Q_ξ,Q_η的值，进而实现激光散斑干涉强度图像的分频的处理，提取频谱中的低频项，得到频域分离的干涉图像；c、进行相角计算，得到表示面内变形云图：对频域分离的干涉图像进行傅立叶逆变换和取相角，得到激光散斑面内干涉相位θ(ξ,η)：θ(ξ,η)＝arctan{Im[c_k(ξ,η)]/Re[c_k(ξ,η)]}   (5)式(5)中Im[c_k(ξ,η)]为式(3)中c_k(ξ,η)的虚部，Re[c_k(ξ,η)]为c_k(ξ,η)的实部，被测物体变形前和变形后的两个不同状态的激光散斑面内干涉的相位差相Δ(ξ,η)由式(6)获得：Δ(ξ,η)＝θ₁(ξ,η)‑θ₂(ξ,η)   (6)式(6)中，θ₂(ξ,η)为变形之前的激光散斑面内干涉相位，θ₁(ξ,η)为变形之后的相位，由式(7)获得被测物体表面的面内变形D(ξ,η)：$D(\xi ,\eta )=\frac{\lambda \Delta (\xi ,\eta )}{4\pi sin\alpha }---\left(7\right)$式(7)中，λ为激光器的激光波长，α为激光照射到被测物体表面的入射角。