CN103727891B - 同步三维散斑干涉测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同步三维散斑干涉测量系统，其特征是激光器出射光被分光镜分为第一束光和第二束光；第一束光经过凸透镜会聚到载波光纤中，并由载波光纤经过光纤分束器将第一束光分为三路光分别引导照射到放置在三个不同检测方向的CCD摄像机的靶面阵列上，构成参考光载波光路；第二束光经扩束镜照射在被测物的表面形成激光散斑干涉，由三个不同检测方向的CCD摄像机靶面阵列对被测物表面的激光散斑干涉进行采集,构成物光测量光路；参考光载波光路和物光测量光路的激光被三个不同检测方向的CCD摄像机采集，获得激光散斑干涉的相位；比较被测物的表面在变形前和变形后在不同检测方向上的激光散斑干涉的相位，测得被测物表面的三维变形信息。

Description

同步三维散斑干涉测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学三维变形测量系统及测量方法，特别是散斑干涉检测系统,适用于位移场、变形场、振动场的检测，以及材料、框架以及构件的无损非接触测量。

背景技术

数字散斑干涉（Digital Speckle Pattern Interferometry，DSPI）测量技术是一项综合了激光、电子及图像处理等技术的光测方法，具有高精度、非接触及全场测量等优点。因此被广泛地应用于机械制造、航空航天、材料和生物等各方面的测量，是国际上的热门课题之一。图2为传统的典型面外变形（Z方向）散斑干涉测量原理图，激光器101经过分光镜102被分为物光和参考光，物光经反射镜103和扩束镜104扩束之后，照射到被测物110上，参考光经带有压电陶瓷的反射镜105和扩束镜106之后照射到CCD摄像机107上，参考光与物光形成干涉。测量数据经图像采集卡108的采集，记录到计算机上进行分析。

在图2所示的数字散斑干涉测量中，激光干涉场的相位是通过压电陶瓷驱动109控制压电陶瓷的微动，引入相位差进行计算的。在实际测量中，每一次测量都需要压电陶瓷进行固定步数的微动，来确定激光干涉场的相位，所以在高速的振动测试中，使用这种散斑干涉系统计算得到的相位结果并不是基于同一振动态的，只是在时间上对其进行逼近，不能满足现代工业上高精度，高速的要求。此外压电陶瓷的位移精度直接影响到散斑干涉场的相移精度，而相移的精度要求在纳米级，每次压电陶瓷的形变并不能保证绝对的精确，并且随着时间的推移，其精度会逐渐下降，实际测量中经常需要对压电陶瓷进行标定，确保实验精度，这样增加了系统的复杂性和不确定性，另外使用这种传统散斑干涉技术无法同时测量被测物三维变形信息，只能测量单方向变形，需要X、Y和Z三方向分别多次测量才能获得三维变形信息。发明内容

本发明所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处，提供一种高精度、高速度的同步三维散斑干涉测量系统及测量方法。以期实现三维变形信息的同步快速检测，达到三维变形的实时动态测量的目的。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明同步三维散斑干涉测量系统的结构特点是：设置激光器,其出射光经过反射镜反射被分光镜分为第一束光和第二束光；所述第一束光经过凸透镜会聚到载波光纤中，并由所述载波光纤经过光纤分束器将第一束光分为三路光，三路光分别引导照射到放置在三个不同检测方向的CCD摄像机的靶面阵列上，构成参考光载波光路；所述第二束光经扩束镜照射在被测物的表面形成激光散斑干涉，由所述三个不同检测方向的CCD摄像机靶面阵列对被测物表面的激光散斑干涉进行采集,构成物光测量光路；所述参考光载波光路和物光测量光路的激光被所述三个不同检测方向的CCD摄像机采集，通过处理CCD摄像机采集的信息，获得激光散斑干涉的相位；对所述三个不同检测方向的CCD摄像机采集得到的图像进行相关系数的计算和匹配，比较被测物的表面在变形前和变形后在不同检测方向上的激光散斑干涉的相位，测得被测物表面的三维变形信息。

本发明同步三维散斑干涉测量系统的测量方法的特点是按如下步骤进行：

A、由所述参考光载波光路的激光对被测物表面的激光散斑干涉产生一个空间频率的载波信号，所述载波信号由所述激光散斑干涉的相位进行调制；采用空间傅里叶变换的方法，实现对CCD摄像机采集的信息的频域分离，并计算获得三个不同检测方向上在被测物表面形成的激光散斑干涉的相位，通过被测物变形前后的相位相减，分别得到三个不同检测方向上被测物表面的变形信息；

B、在被测物的表面构建空间坐标系，取被测物表面左上角点为坐标原点，被测物表面的横向为X轴向，被测物表面的纵向为Y轴向，被测物表面的法线方向为Z轴向，采用图像相关技术对在不同检测方向的CCD摄像机中的各个像素点进行标定和匹配，确定不同检测方向的CCD摄像机的各个像素点所拍摄的坐标位置，获得不同CCD摄像机像素之间的坐标对应数据；

C、利用所述坐标对应数据，结合CCD摄像机检测方向的矢量进行矩阵转换，按如下方式获得被测物的三维形变信息：

令θ(x,y)为被测物表面变形引起的激光散斑干涉的相位变化，则有：

θ(x,y)=(2π/λ)[Au(x,y)+Bv(x,y)+Cw(x,y)] (1)

式(1)中，λ为激光器的出射光波长，u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)分别表示被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量，A、B和C分别为变形量基于相机采集方向与物光照明方向的夹角的角度系数，x、y分别为CCD摄像机采集的信息中的横坐标和纵坐标；则三个不同检测方向的激光散斑干涉的相位变化θ₁(x,y)、θ₂(x,y)和θ₃(x,y)为：

θ₁(x,y)=(2π/λ)[A₁u(x,y)+B₁v(x,y)+C₁w(x,y)] (2)

θ₂(x,y)=(2π/λ)[A₂u(x,y)+B₂v(x,y)+C₂w(x,y)] (3)

θ₃(x,y)=(2π/λ)[A₃u(x,y)+B₃v(x,y)+C₃w(x,y)] (4)

联立方程，计算被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)，即为被测物在X、Y、Z三个方向上的变形的基本信息。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明测量系统通过设置三个不同检测方向的CCD摄像机，实现快速和同步三维测量，使用光纤分别在三个不同检测方向的CCD摄像机的靶面阵列上形成载波，实现了各自方向的被测物表面变形测量，三个测量数据相对独立，提高了测量系统的抗干扰能力；

2、本发明采用了空间相位计算方法，运用频域分离的算法，实现散斑干涉的相位计算，测量时间缩短，同时其相位精度不再收到相位驱动方式影响，测量精度得到提高；

3、本发明结合了空间相位计算方法和数字图像相关(Digital Image Correlation)技术，使用数字图像相关技术，对CCD摄像机测量的结果进行标定和匹配，结合空间相位计算方法的数据，实现了同时检测被测物在X、Y和Z三个方向变形量的测量。

附图说明：

图1为本发明光学系统构成示意图；

图1中标号：1激光器；2反射镜；3分光镜；4聚焦凸面镜；5耦合光纤；6光纤分束器；7第一CCD摄像机；8第二CCD摄像机；9第三CCD摄像机；10被测物；11扩束凸透镜组；

图2为传统的典型面外变形（Z方向）散斑干涉测量系统示意图；

图2中标号：101激光器；102分光棱镜；103反射镜；104扩束镜；105微动压电陶瓷系统；106扩束镜；107为CCD摄像机；108图像采集卡；109压电陶瓷驱动；110被测物；

图3为不同位置CCD摄像机的标定示意图；

具体实施方式

参见图1，本实例中设置激光器1，其出射光经过反射镜2反射被分光镜3分为第一束光和第二束光；第一束光经过凸透镜4会聚到载波光纤5中，并由载波光纤5经过光纤分束器6将第一束光分为三路光，三路光分别引导照射到放置在三个不同检测方向的CCD摄像机靶面阵列上，如图1所示的第一CCD摄像机7、第二CCD摄像机8和第三CCD摄像机9构成参考光载波光路；第二束光经扩束镜11照射在被测物10的表面形成激光散斑干涉，由三个不同检测方向的CCD摄像机靶面阵列对被测物表面的激光散斑干涉进行采集,构成物光测量光路；参考光载波光路和物光测量光路的激光被三个不同检测方向的CCD摄像机采集，通过处理CCD摄像机采集的信息，获得激光散斑干涉的相位。对三个不同检测方向的CCD摄像机采集得到的图像进行相关系数的计算和匹配，比较被测物10的表面在变形前和变形后在不同检测方向上的激光散斑干涉的相位，测得被测物表面的三维变形信息。

如图1所示的三个不同检测方向的CCD摄像机，其在空间位置上为三角布局，每个CCD与激光的物光照明方向呈不同的空间角度，即形成了三个灵敏方向不同的空间测量向量，通过测量向量的匹配和矩阵计算，实现三维变形的同步测量。如图3所示为二十个随机设置的CCD摄像机经过标定之后的确定的空间位置，不同空间位置的CCD摄像机其灵敏方向不同。本实施例中三个CCD摄像机相互之间的角度影响测量灵敏度，其相互角度为60°时，测量灵敏度为最高。

本实施例中同步三维散斑干涉测量系统的测量方法按如下步骤进行：

A、参考光载波光路的激光对被测物表面的激光散斑干涉产生一个空间频率的载波信号，载波信号由激光散斑干涉的相位进行调制；采用空间傅里叶变换的方法，实现对CCD摄像机采集的信息的频域分离，处理频域上CCD摄像机采集的信息，计算获得三个不同检测方向上在被测物表面形成的激光散斑干涉的相位，通过被测物变形前后的相位相减，分别得到三个不同检测方向上被测物表面的变形信息。

本实施例，为计算获得三个不同检测方向上在被测物表面形成的激光散斑干涉的相位是采用常规基于光纤载波的频域空间相位计算方法，通过对CCD摄像机采集的信息进行频域处理，获得激光干涉的真实相位，方法如下：

激光散斑干涉场g(x,y)由式(1)表征：

g(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[2πf₀x+φ(x,y)] (1)

式(1)中，a(x,y)为CCD摄像机接收到的背景光强，b(x,y)为参考光载波的调制对比度，φ(x,y)为激光散斑干涉场的相位，x、y分别为CCD摄像机的靶面阵列上的横坐标和纵坐标，f₀为载波频率；根据欧拉公式，将式(1)改写成复数的形式为：

g(x,y)=a(x,y)+c(x,y)exp(2πif₀x)+c^*(x,y)exp(-2πif₀x) (2)

其中c(x,y)=(1/2)b(x,y)exp[iφ(x,y)] (3)

采用傅立叶变换算法，对激光散斑干涉场按式(4)进行频域分离：

G(x,y)=A(f,y)+C(f-f₀,y)+C^*(f+f₀,y) (4)

式(4)为激光散斑干涉场的傅立叶变换，在傅立叶变换的频谱中A(f,y)位于频谱的中心坐标（0，0），载波干涉光纤的傅立叶变换频谱C(f-f₀,y)和C^*(f+f₀,y)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(-f₀,0)和(f₀,0)的周围邻域上，微调载波光纤的照射角度，等效于改变f₀的值，通过以上数学运算，使用微调激光光纤照射角度的方法实现了激光散斑干涉强度图像的分频的处理，通过处理分频的相位信息按式(5)获得激光散斑干涉的相位信息φ(x,y)：

iφ(x,y)=log[c(x,y)]-log[(1/2)b(x,y)] (5)

比较被测物变形前和变形后的两个不同状态的激光散斑的相位，通过相位值的相减，结合激光波长，得到被测物在CCD摄像机检测方向上的真实变形D(x,y)：

$D(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}[{\mathrm{\φ}}_1(x,y)-{\mathrm{\φ}}_2(x,y)]}{2\mathrm{\π}}---\left(6\right)$

式(6)中，λ为激光器的出射光波长，φ₁(x,y)和φ₂(x,y)分别为被测物变形前和变形后的激光干涉相位。使用CCD摄像机采集的图像，经过以上的计算，通过对不同时刻激光干涉场的相位信息进行相减，得到被测物在检测方向的真实形变。

B、在被测物10的表面构建空间坐标系，取被测物表面左上角点为坐标原点，被测物表面的横向为X轴向，被测物表面的纵向为Y轴向，被测物表面的法线方向为Z轴向，采用图像相关技术对在不同检测方向的CCD摄像机中的各个像素点进行标定和匹配，确定不同检测方向的CCD摄像机的各个像素点所拍摄的坐标位置，获得不同CCD摄像机像素之间的坐标对应数据；

本实施例中使用已有的数字图像相关（Digital Image Correlation）技术，通过CCD摄像机图像信息的匹配算法，确定不同位置的CCD拍摄的区域，实现不同CCD摄像机像素之间的对应，其原理是：通过计算CCD摄像机靶面阵列中的邻域像素点的相关系数，比较相关系数最为接近的点，实现不同检测方向的CCD摄像机像素之间的匹配。

C、利用坐标对应数据，结合CCD摄像机检测方向的矢量进行矩阵转换，按如下方式获得被测物的三维形变信息：

令θ(x,y)为被测物表面变形引起的激光散斑干涉的相位变化，则有：

θ(x,y)=(2π/λ)[Au(x,y)+Bv(x,y)+Cw(x,y)] (7)

式(1)中，λ为激光器的出射光波长，u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)分别表示被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量，A、B和C分别为变形量基于相机采集方向与物光照明方向的夹角的角度系数，x、y分别为CCD摄像机采集的信息中的横坐标和纵坐标；则三个不同检测方向的激光散斑干涉的相位变化θ₁(x,y)、θ₂(x,y)和θ₃(x,y)为：

θ₁(x,y)=(2π/λ)[A₁u(x,y)+B₁v(x,y)+C₁w(x,y)] (8)

θ₂(x,y)=(2π/λ)[A₂u(x,y)+B₂v(x,y)+C₂w(x,y)] (9)

θ₃(x,y)=(2π/λ)[A₃u(x,y)+B₃v(x,y)+C₃w(x,y)] (10)

联立方程，计算被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)，即为被测物的在X、Y、Z三个方向上的变形的基本信息。

Claims (1)

1.同步三维散斑干涉测量系统，其特征是：设置激光器(1),其出射光经过反射镜(2)反射后由分光镜(3)分为第一束光和第二束光；所述第一束光经过凸透镜(4)会聚到载波光纤(5)中，并由所述载波光纤(5)经过光纤分束器(6)将第一束光分为三路光，三路光分别引导照射到放置在三个不同检测方向的CCD摄像机的靶面阵列上，构成参考光载波光路；所述第二束光经扩束镜(11)照射在被测物(10)的表面形成激光散斑干涉，由所述三个不同检测方向的CCD摄像机靶面阵列对被测物表面的激光散斑干涉进行采集，构成物光测量光路；所述参考光载波光路和物光测量光路的激光被所述三个不同检测方向的CCD摄像机采集，通过处理CCD摄像机采集的信息，获得激光散斑干涉的相位；对所述三个不同检测方向的CCD摄像机采集得到的图像进行相关系数的计算和匹配，比较被测物(10)的表面在变形前和变形后在不同检测方向上的激光散斑干涉的相位，测得被测物表面的三维变形信息；

三个不同检测方向的CCD摄像机，其在空间位置上为三角布局，每个CCD与激光的物光照明方向呈不同的空间角度，形成了三个灵敏方向不同的空间测量向量，通过测量向量的匹配和矩阵计算，实现三维变形的同步测量；

所述同步三维散斑干涉测量系统的测量方法是按如下步骤进行：

A、由所述参考光载波光路的激光对被测物表面的激光散斑干涉产生一个空间频率的载波信号，所述载波信号由所述激光散斑干涉的相位进行调制；采用空间傅里叶变换的方法，实现对CCD摄像机采集的信息的频域分离，并计算获得三个不同检测方向上在被测物表面形成的激光散斑干涉的相位，通过被测物变形前后的相位相减，分别得到三个不同检测方向上被测物表面的变形信息；

B、在被测物(10)的表面构建空间坐标系，取被测物表面左上角点为坐标原点，被测物表面的横向为X轴向，被测物表面的纵向为Y轴向，被测物表面的法线方向为Z轴向，采用图像相关技术对在不同检测方向的CCD摄像机中的各个像素点进行标定和匹配，确定不同检测方向的CCD摄像机的各个像素点所拍摄的坐标位置，获得不同CCD摄像机像素之间的坐标对应数据；

C、利用所述坐标对应数据，结合CCD摄像机检测方向的矢量进行矩阵转换，按如下方式获得被测物的三维形变信息：

令θ(x,y)为被测物表面变形引起的激光散斑干涉的相位变化，则有：

θ(x,y)＝(2π/λ)[Au(x,y)+Bv(x,y)+Cw(x,y)] (1)

式(1)中，λ为激光器的出射光波长，u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)分别表示被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量，A、B和C分别为变形量基于CCD摄像机采集方向与物光照明方向的夹角的角度系数，x、y分别为CCD摄像机采集的信息中的横坐标和纵坐标；则三个不同检测方向的激光散斑干涉的相位变化θ₁(x,y)、θ₂(x,y)和θ₃(x,y)为：

θ₁(x,y)＝(2π/λ)[A₁u(x,y)+B₁v(x,y)+C₁w(x,y)] (2)

θ₂(x,y)＝(2π/λ)[A₂u(x,y)+B₂v(x,y)+C₂w(x,y)] (3)

θ₃(x,y)＝(2π/λ)[A₃u(x,y)+B₃v(x,y)+C₃w(x,y)] (4)

联立方程，计算被测物表面变形在X、Y和Z方向的变形量u(x,y)、v(x,y)和w(x,y)，即为被测物在X、Y、Z三个方向上的变形的基本信息。