数字散斑

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由于转角产生的参考相位的改变x·4πtanθ/λ, 由于转角产生的参考相位的改变x·4πtanθ/λ, 前 后两次所得到的散斑图相减或相加就可以得到 载波条纹图。 考虑到被探测器接收到是离散化的信号, 考虑到被探测器接收到是离散化的信号,载波条 纹又可表示为I(i,j)=a(i,j)+b(i,j)cos[ω i+φ(i,j)],其中 纹又可表示为I(i,j)=a(i,j)+b(i,j)cos[ωci+φ(i,j)],其中 (i,j)表示像素位置;ω =4πtanθ/λ。 (i,j)表示像素位置;ωc=4πtanθ/λ。
假设任意相邻三个像素(M假设任意相邻三个像素(M-1,N), (M, N) 和(M+1, N)满足： N)满足： 则有：
将ωcM +φM看作未知位相,ωc作为相移步长,采用普通的三步相移算法可以计算 看作未知位相,ω 作为相移步长, 出ωcM +φM。设ωc=π/2 。设ω
由于运用空间载波相移法进行动态位相测试时,计算简单, 由于运用空间载波相移法进行动态位相测试时,计算简单,已经逐步引起研究者 的重视。但这种方法需假设被处理的若干相邻像素的位相相等, 的重视。但这种方法需假设被处理的若干相邻像素的位相相等,这样就会导致空间 分辨力下降和误差的产生。据此中国科技大学提出了一种减小位相测量误差的方 法,即:①采用二次曲线表示相邻若干像素的位相关系;②将位相的线性项和二次项表 采用二次曲线表示相邻若干像素的位相关系; 示成相移量误差的形式; 通过选择对相移量误差不敏感的算法, 示成相移量误差的形式;③通过选择对相移量误差不敏感的算法,除位相的线性和二 次项的影响, 次项的影响,提高测量精度。 空间载波相移法通过一系列的改进可以达到较高的测量精度, 空间载波相移法通过一系列的改进可以达到较高的测量精度,该方法以其能进 行动态位相测量、载波条纹图处理简单和潜在的高测量精度必将得到更广泛的应 用。
双脉冲散斑干涉测量技术
在测量大面积瞬态离面振动时,普通连续发光的激光器很难满足测量要求, 在测量大面积瞬态离面振动时,普通连续发光的激光器很难满足测量要求,如能量 不够或者由于连续发光或能量过大将被测表面烧坏等。所以, 不够或者由于连续发光或能量过大将被测表面烧坏等。所以,常用双脉冲激光 器对物体的瞬态振动形貌进行测量, 器对物体的瞬态振动形貌进行测量,该技术已经逐步应用到实际测量当中。
在散斑干涉法中，两次曝光记录被叠加，因此需要进行滤波，以便消除不需要的 直流分量。而在数字散斑干涉法中，两次曝光记录被独立进行处理，因此通 过相减就能去除直流分量。两外，由于两次曝光记录被独立进行处理，因此 相移干涉技术能够很方便地应用于数字散斑干涉，从而获得连续的相位分布。
DSPI基本原理 DSPI基本原理
数字散斑干涉在振动测量 中的应用
SQ1001804A004 李扬
数字散斑干涉法(Digital 数字散斑干涉法(Digital speckle pattern interferom-etry,简称DSPI)是全息术的一 interferom-etry,简称DSPI)是全息术的一 种发展,通常采用CCD (或TV摄像机)作为载体,代替全息干板记录散斑场, 种发展,通常采用CCD (或TV摄像机)作为载体,代替全息干板记录散斑场,将变 形前后的散斑图通过数字处理的方法以条纹的形式显示在图像监视器上。该 方法具有非接触、高精度、全场、实时等特点,至今已被广泛应用到物体变形 方法具有 等特点, 及离面振动测量中。
双脉冲激光产生的两幅散斑干涉场图像被分别记录下来后,相减得到相关条纹图, 双脉冲激光产生的两幅散斑干涉场图像被分别记录下来后,相减得到相关条纹图,利 用位相技术进行分析,即可得到被测物体在两个脉冲间隔内瞬时的振动形貌, 用位相技术进行分析,即可得到被测物体在两个脉冲间隔内瞬时的振动形貌,如下图 所示。
数字散斑干涉测量法与单点的激光多普勒测量法相比, 数字散斑干涉测量法与单点的激光多普勒测量法相比,能够更全面地测量整个 振动面的离面振动形貌,实现全场同时测量, 振动面的离面振动形貌,实现全场同时测量,而且可以达到准实时的效果。随着光 学探测器的进一步发展, 学探测器的进一步发展,数字散斑干涉技术将越来越广泛地应用到动态测试领域 中。
条纹的信噪比较低，引入光学相移器,使参考光的相位以步长在足够大的范围内 连续扫描,寻找每一点处I的最大值和最小值,得到两的影响,使条纹的信噪比增强。定量分析物体振 动时,在参考光路中引入和物体同频振动的参考振动,再通过三步相移法来求解相 位。 经最大值和最小值扫描后得到三幅图像: :
DSPI是以激光散斑作为被测物场变化信息的载体, DSPI是以激光散斑作为被测物场变化信息的载体,利用被测物体在受激光照射后 产生的散斑场与参考场(或散斑场与散斑场) 产生的散斑场与参考场(或散斑场与散斑场)形成的相关条纹来检测被测物体振 动或变形前后的相位变化, 动或变形前后的相位变化,从而达到测试目的。 图1为DSPI系统的简单示意图,由于该方法受外界光强和被测表面光学特性的 DSPI系统的简单示意图, 影响较大,通常CCD采集到的散斑图像信噪比低,信息自动识别会比较困难, 影响较大,通常CCD采集到的散斑图像信噪比低,信息自动识别会比较困难,所以在 其干涉测量中引入相移技术及图像处理技术由于相位测量只与被测点的光强变化 有关,不受周围其它点的影响,故测量结果降低了背景噪声的影响, 有关,不受周围其它点的影响,故测量结果降低了背景噪声的影响,在条纹对比度很 低的情况下仍能获得较好的结果。
求解动态相位的常用方法
——时间平均法& ——时间平均法&空间载波相移法
1. 时间平均法
时间平均法是DSPI方法中使用起来较为方便、便于仪器化的一种方法, 时间平均法是DSPI方法中使用起来较为方便、便于仪器化的一种方法,它常 用于静态或准静态过程的测量。西安交通大学将该方法进行了改进, 用于静态或准静态过程的测量。西安交通大学将该方法进行了改进,将其应用到 测量离面稳态振动当中。他们采用贝塞尔条纹准相移技术进行数字散斑振动的 定量分析,即在参考光路中引入和物体同频率的偏置参考振动, 定量分析,即在参考光路中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,振动条纹会产生移动,这相当于静态余弦条纹的相移, 位改变时,振动条纹会产生移动,这相当于静态余弦条纹的相移,于是便可以采用 相移算法对散斑振动测量的贝塞尔条纹进行定量分析。 干涉场：
I0和Ir是物光场和参考光场的强度; x, y是像面坐标;φ(x, y)是物光场和参考光场的 是物光场和参考光场的强度; y是像面坐标;φ(x, y)是物光场和参考光场的 相位差;cosφ(x, y)是一个随机项,在像面上代表散斑;λ代表所使用激光器的波长; 相位差;cosφ(x, y)是一个随机项,在像面上代表散斑;λ代表所使用激光器的波长; J0 是第一类零阶贝塞尔函数, 是第一类零阶贝塞尔函数,代表了振动信息。
代入三步相移解调条纹相位公式,计算可得物体振幅的相位值为：
虽然时间平均法经过改进可以应用到物体离面振动测试中,但是所测的振动为稳态 振动,对于瞬态振动形貌测量依旧无法实现。
2.空间载波相移法 空间载波相移法
空间载波相移法是载波条纹的空间逐点处理方法,它利用载波技术进行相位提取, 空间载波相移法是载波条纹的空间逐点处理方法,它利用载波技术进行相位提取, 从一幅载波图就可获得位相信息,实现动态位相测量;而且引入载波, 从一幅载波图就可获得位相信息,实现动态位相测量;而且引入载波,通过条纹图相位 的正负便可以判断振动的方向。这种方法对探测器的质量要求较高,随着CCD成像 的正负便可以判断振动的方向。这种方法对探测器的质量要求较高,随着CCD成像 技术的不断发展, 技术的不断发展,空间载波的处理方法越来越广泛地应用到动态散斑测试领域。
图4所示的是一种测量瞬态离面振动的 测量系统, 测量系统,该系统使用了双脉冲激光器。 其测量原理是应用了空间载波相移法, 其测量原理是应用了空间载波相移法, 在两个脉冲发出的间隔中, 在两个脉冲发出的间隔中,将参考面旋 转一个角度θ(θ≤5°),即在CCD拍摄到 转一个角度θ(θ≤5°),即在CCD拍摄到 的第二个脉冲激光所形成的散斑图中加 入了空间载波信息。