一种高精度数字散斑相关测量方法

摘要

一种高精度数字散斑相关测量方法，利用由连续波激光器、准直扩束器、会聚透镜、CCD相机和计算机构成的测量装置进行测量，首先对CCD相机记录的被测物体发生面内位移前、后的散斑图像进行滤波，得到光强的复信号分布，解析出相位分布后进行插值得到具有亚像素精度的相位分布矩阵；利用相位涡旋拓扑电荷数±1替换原相位值，其他点用0来替换，构造了两个稀疏矩阵；最后，对这两个稀疏矩阵进行相关运算，得到被测物体的面内位移信息。本方法能同时实现高计算效率和高测量精度，并且具有光路简洁、简单易行的特点，适合于光电无损检测领域的实时、在线检测。

主权项

1.一种高精度数字散斑相关测量方法，该方法利用由连续波激光器（1）、准直扩束器（2）、会聚透镜（4）、CCD相机（5）和计算机（6）构成的测量装置进行测量，在该连续波激光器（1）的光束前进方向依次设有准直扩束器（2）和被测物体（3），光束经被测物体散射后，经会聚透镜（4）会聚后光束进入CCD相机（5）成像，然后存储进计算机（6），所述的连续波激光器（1）为He-Ne激光器，激光波长为632.8nm，功率为10mW，所述CCD相机（5）的像素大小为10mm，其特征在于：测量步骤如下： 步骤一、用CCD相机记录被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图、，为保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为5 Pixels，散斑图像尺寸为1024×1024 Pixels；将两幅散斑光强图和存储进计算机进行后续处理，该步骤中，将CCD相机记录的散斑光强图存储进计算机进行相关运算，在发生面内位移前的散斑图中以中心点P点为中心取大小为n×n的子区A作为相关搜索子区；当被测物体发生形变后，子区A移至子区B的位置，P点移动到P′点，由统计学知，A与B这两个样本空间的相关系数最大；利用标准化自协方差相关函数来求其相关系数，(1)其中，为从P点搜索P′点时在方向上产生的位移，为该点的相关系数，分别为发生面内位移前、后获得的散斑图像中各像素点灰度，分别为相关搜索子区A，B的平均灰度值；根据相关系数的最大值来确定子区B的位置，最终得到散斑场移动后P′点在x, y方向的位移；公式(1)中，；步骤二、用高斯-赫尔米特复数滤波器，对被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图、进行滤波，得到它们的光强复信号分布和，其中(2)，公式(2)中为的傅里叶变换，分别为方向的频率，step( f )为阶跃函数，定义为，(3)，公式(3)中f为x方向的频率f_x或y方向的频率f_y；步骤三、然后，根据光强复数信号分布和得到其相位分布和，对和进行双三次样条插值，得到具有亚像素精度的相位分布矩阵和；步骤四、根据相位涡旋的定义，利用公式对相位分布矩阵和进行相位涡旋点的搜索，其中，为包含该搜索点的闭合曲线积分；当s=+1时，该涡旋为正涡旋，当s=-1时，该涡旋为负涡旋；用+1或-1来替换相位分布矩阵和中原来该点的数值，矩阵和中其他所有点的数值用0来替换；最终得到了代表被测物体发生面内位移前、后的两个相位涡旋矩阵X₁(x,y)和X₂(x,y)；由于0值在这两个矩阵中占绝大多数，所以，这两个矩阵X₁(x,y)和X₂(x,y)为稀疏矩阵；步骤五、选择大小为51×51 Pixels的子区作为搜索区域，对物体发生面内位移前、后的两个稀疏矩阵X₁(x,y)和X₂(x,y)进行相关运算，得到散斑场在方向的具有亚像素精度的面内位移，成像光路的放大倍数为M，则被测物体发生的面内位移量为。