数字散斑干涉(DSPI)研究的文献综述

数字散斑干涉振动测量技术研究进展
摘要：数字散斑干涉技术（DSPI）是一种光学测试方法，具有非接触、高灵敏度、全场、实时、无损检测的特点，在振动测量方面有着较大的优势。

本文从图像处理、相移技术等方面阐述了数字散斑干涉振动测量的发展现状，并对其中的关键技术进行了比较和分析。

关键词：数字散斑干涉，振动测量，数字图像处理，相移技术
Research Progress on Vibration Measurement Using Digital Speckle
Pattern Interferometry
Abstract:Digital speckle pattern interferometry (DSPI) is an optical testing and measuring method，a non-contact, high-sensitivity, full-field, real-time, non-destructive one, which has an advantage in vibration analysis. This paper introduces the recent progress on DSPI vibration measurement from aspects of digital image processing and phase shifting, also compares and analyzes their key technologies.
Keywords:Digital speckle pattern interferometry; Vibration measurement; Digital image processing; Phase shifting
0 引言
散斑计量技术是现代光测力学技术中的一种。

它具有非接触、无损、全场、高精度、实时测量的特点，在轮廓、应变、位移和振动测量方面有着广泛的应用前景[1]。

目前广泛采用的振动测试技术，包括加速度传感器、应变式传感器等，由于均为单点测量，且会为结构带来附加质量，从而对振动产生影响，无法应用于微小振动测量。

数字散斑干涉振动测量技术可以直接显示被测表面的模态振型，并且对环境稳定性的要求低于全息干涉方法[2]，这一系列优势使数字散斑干涉法成为激光测振技术中的一个重要分支。

采用激光散斑来研究振动测量的方法，最先由Massey于1968年开始进行研究。

随后发展起来的散斑剪切干涉法[3]，从而实现了对振动中形变的导数进行测量。

在最初的散斑计量技术中，用于记录散斑条纹图的介质为全息干板。

此后，随着电子技术的发展，出现了采用磁带记录散斑图的测量方法，即电子散斑测量技术，最初于20世纪70年代初由J.N.Butters和J.A.Leendertz
提出。

在80年代，S.Nakadate等将数字图像处理技术引入散斑计量技术[4]。

近年来，随着CCD和计算机图像处理技术的发展，数字散斑测量技术成为散斑计量的主要方式，并逐步淘汰了电子散斑技术和传统的干板记录方式。

但在许多情况下，仍可将数字散斑技术与电子散斑技术统称为电子散斑技术。

数字散斑干涉计量技术可以实现散斑图的相减，并能够在计算机的辅助下进行滤波处理，提高了图像质量和信噪比，从而使测量精度和准确性有明显的改善。

1 数字散斑干涉振动测量概述
1.1 散斑干涉技术
散斑是相干光波照射粗糙表面时，所形成的散射子波相互发生干涉而产生的随机分布斑点现象。

表面的位移、形变等变化会相应地反映为散斑分布的变化。

数字散斑干涉技术是利用参考光波与被测物体自身的散射子波之间的干涉效应进行的测试技术。

在平板的振动测试中，采用对物体离面位移敏感的测量系统，其光路类似于迈克尔逊干涉仪。

通过记录物体静止状态与振动状态下的多幅散斑图像，可经过滤波得到代表全场振幅分布的条纹图像。

数字散斑干涉采用数字元件，将所记录的散斑干涉条纹图转换为数字图像，存储于计算机中，进行后续运算及处理，从而使测试过程实现了数字化、自动化，提高了测量准确度和精度，并且实现了对结果的直观解释[5]。

1.2 时间平均法
在振动测量中，数字散斑干涉技术常用的方法包括双曝光散斑干涉和时间平均法。

时间平均法是目前最常用的全场分析方法，它使用较方便，便于仪器化，常用于静态或准静态过程测量，经改进可应用于离面稳态振动[6]，通过采用贝塞尔条纹准相移技术，引入和物体同频率的偏置参考振动。

当参考振动的相位改变时，振动条纹产生移动，相当于静态余弦条纹的相移，从而采用相移算法对散斑振动测量的贝塞尔条纹进行定量分析。

由于贝塞尔函数具有随振幅增大而迅速衰减的特性，使得条纹质量较低，且不能得到某个特定相位下的振幅分布。

材料中孔和开口是构件的薄弱部位，同时又常是工程中的重要结构，数
字散斑干涉振动测量技术可应用于此类结构的无损检测和受载下工作状况分析[7]，以方形孔板为例，用不同频率对孔板进行激振，采用时间平均法进行分析，从而由CCD记录的散斑条纹得到孔板在不同频率下的振型、振幅分布、相位分布信息，实现动态测量。

类似的方法还应用于微型超声电机定子振型的测量[8]，实现微小振幅、高频率、非接触的振动测量。

1.3 双脉冲散斑干涉技术
双脉冲或频闪散斑干涉测量[9]建立于脉冲激光系统的基础之上，它的原理与空间载波散斑干涉技术相似。

这一测量技术的发展填补了传统连续激光器在测量中的若干缺陷，如能量不足达不到测量要求，或因连续发光产生过大能量烧坏被测面。

双脉冲或多脉冲激光器在物体的瞬态振动测量中具有较大的优势。

双脉冲散斑干涉技术采用激光器的两次脉冲，产生前后两幅散斑干涉图像。

图像通过CCD分别记录，进行相减运算得到条纹图，利用空间载波相移技术进行分析可得到被测物体在两个脉冲之间的瞬时振动图像。

频闪数字散斑干涉技术可用于微机电系统（MEMS）的振动分析[10]，采用脉冲激光进行频闪照明的相位分析法，方便进行定量分析。

并且由于频闪法中CCD只接收了很小一部分激光能量，它在微型系统的测试中有着较大优势。

1.4 数字散斑干涉技术展望
双曝光法和时间平均法散斑干涉都能应用于振动测量，可实现被测物体振型的直接显示和节线的判读[11]。

两种方法各有不同的优势。

时间平均法由于实现简便，为目前最常用的散斑干涉测振方法，但此法要求被测物体必须是稳态振动[12]。

第一代数字散斑振动测量系统采用的是人工判读贝塞尔条纹级数方法，由于所记录的时间平均散斑图对比度要远低于全息干涉术中所得的散斑图[13]，对振幅进行定量分析是困难的，数字散斑术的图像质量较低主要是受到记录介质（CCD）有限分辨率的影响[14]。

因此最初散斑干涉振动测量技术被看作全息术的一个补充。

相移解调技术的应用，使得定量分析振幅成为可能。

散斑干涉的大振幅测量法测量下限为120nm。

采用特定的算法可以对更小量级的振动进行测量[15]。

虽然尚未得到广泛的应用，但数字散斑测振技术的发展日渐趋于小型
化、集成化和一体化，并向着工业现场实用化的方向发展，如福特汽车曾采用数字散斑干涉技术实现了对汽车模型振动的模态振型测量[16]。

另外，信号处理过程向着全面、信息化方向发展，数字图像处理技术的发展、计算机技术的引入使得后续信号处理逐渐实现自动化和实时化，提高了测量结果的准确程度。

2数字图像处理技术的发展
由于数字散斑干涉图上乘性噪声的存在，为减小测量误差，需对干涉条纹图进行图像增强操作，即滤波处理。

传统滤波方法包括空域平滑滤波和频域低通滤波。

散斑条纹图具有灰度沿一定方向分布的特点，在传统方法的基础上进行改进可得到针对条纹图特点的滤波方法[17]。

旋滤波法[18]的基本思想是在灰度等值线上进行低通滤波，可以消除较多的散斑噪声而同时保留条纹特征不受损，但同时也存在切线方向判断不够准确等缺陷。

同态滤波法[19]采用取对数的方法，将乘性噪声转为加性噪声。

主要做法是对载波条纹图取对数后进行傅里叶变换，对变换后图像进行滤波，略去低频和高频成分，得到包含载波信息的成分，再进行傅里叶逆变换和取指数。

带通滤波是其中的一个关键步骤。

曲线大窗口滤波法[20]是针对旋滤波方法的缺陷提出的，主要思想是在减模式条纹图上通过曲线拟合，对条纹方向进行跟踪得到等值线和曲线大窗口，再在窗口内进行均值滤波。

采用此法可较好地在消除噪声的同时，减小对条纹结构的损害。

3 相移干涉技术的发展
相位检测技术通过使光波的相位按一定规律，进行连续变化或步进变化，并采集不同相位下的散斑条纹图，从而对被测表面的相位信息进行分析和测量。

相移干涉法根据引入相移的方式，可分为时间相移和空间相移干涉两大类。

时间相移干涉法常通过移动光路中的反射镜来产生一定的相位差值。

目
前最常使用的相移装置是压电陶瓷。

在散斑干涉计量技术中，三步和四步相移算法应用较为广泛。

空间相移干涉法中，引入连续相移的空间载波法测量方便，且适用于动态测量。

载波常由倾斜参考光波的方式引入。

无论是三步还是四步相移算法，空间载波法都只需一幅干涉条纹图即可完成对相位信息的提取工作，具有很大的优势。

空间载波技术[21][22]又称作连续空间相移干涉法，是采用载波技术进行相位提取的处理方法。

通过对一幅载波图进行条纹的空间逐点处理，从而获得相位信息，实现动态测量。

由于引入了载波，可通过相位图的正负判断振动方向。

将参考面旋转一个小角度的方式产生参考相位，前后两次所得散斑图经过相减或相加运算可得到载波条纹图。

由于此法需建立在相邻的若干像素相位相等的假设上，造成分辨率下降和测量误差增大。

由于此法具有简单性和实用性，被应用于双脉冲散斑干涉测量中。

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