CN105371777A - 实时测量物体变形的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时测量物体变形的方法和系统,涉及测量领域。所述方法包括:选取两个激光器作为光源;将两束激光经第一半透半反镜调整至共路并照射到空间滤波器;所述一束激光经过所述空间滤波器的滤波和扩束,照射到第二半透半反镜,形成透射光和反射光;所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,照射至电荷耦合元件CCD摄像头;所述反射光照射在参考物上,经所述参考物反射,并被第二半透半反镜透射,照射至CCD摄像头;照射至CCD摄像头的两束光重合产生干涉,生成干涉图;调整所述第二半透半反镜的角度;根据干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。本发明采用双波长的方式实时测量物体的变形。
Description
技术领域
本发明涉及激光干涉测量领域,尤其涉及一种实时测量物体变形的方法和系统。
背景技术
当激光照射在具有漫反射性质的物体表面时,从物体表面反射的光在空间相干叠加,就会在整个空间发生干涉,形成随机分布的亮斑和暗斑,称为激光散斑。20世纪70年代初,激光散斑干涉测量方法得到了发展,它除了具有全息干涉测量方法的非接触、可以直观给出全场情况等一系列优点外,还具有光路简单,对试件表面要求不高,对实验条件要求较低,计算方便等特点。
电子散斑干涉(ESPI)是在本世纪初就已经被广泛应用于漫射体表面位移或变形监测。它具有精度高、全场,非接触等优点。ESPI技术自问世以来就得到广泛的应用.它的应用领域有位移和变形测量,应变分析,动态测试,无损探伤等。可以应用于检测工程机械领域的各种变形、振动、冲击、表面粗糙度、刚度和硬度等特性;检测复合材料、集成电路、压力容器和焊接物体的表面或内部缺陷,并且还可以用于土木结构和水利设施的变形测量。总之,ESPI在机械、土木、水利、电器、航空航天、兵器工业以及生物医学领域具有非常重要的地位和广阔的前景。
从传统的散斑干涉测量到电子散斑测量等技术,都无法避免的问题是:它们都只是记录了变形或者位移前后的两个状态,没有涉及到时间参量,不能进行真正意义上的动态实时测量。针对这一问题,上世纪九十年代,德国的C.Joenathan等人提出了一种时间序列散斑干涉测量技术(TSPI)。TSPI技术是把物体位移或者形变的整个过程用摄像机记录下来,拍摄一系列散斑干涉图,通过后期处理对这些散斑干涉图提取相位信息,最后从中得到每个点的位移或者形变量。
随着机械工业、航空航天和国防工业等领域的飞速发展,对于散斑干涉测量技术提出了更高的要求:能够实时精确测量被测物体范围更大的动态变形信息。因此,克服小动态范围的问题的方法是基于双波长干涉、多波长干涉测量和白光干涉。
虽然已有关于能够使用双波长测量的报道,但其测量是分别进行的,并不能同时完成测量,这样实现不了实时性。
发明内容
本发明的实施例提供了一种实时测量物体变形的方法和系统,能够采用双波长的方式实时测量物体的变形。
为了实现上述目的,本发明采取了如下技术方案。
一种实时测量物体变形的方法,包括:
选取波长不同的两个激光器作为光源;
将所述两个激光器的两束激光经第一半透半反镜调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到空间滤波器;
所述一束激光经过所述空间滤波器的滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;
所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,经过成像镜头照射至电荷耦合元件CCD摄像头;
所述反射光照射在参考物上,经所述参考物反射,并被所述第二半透半反镜透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,在所述CCD摄像头上生成干涉图;
调整所述第二半透半反镜的角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。
所述根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量的步骤包括:
根据所述干涉图,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
根据所述小波脊,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
一种实时测量物体变形的系统,包括:波长不同的两个激光器、第一半透半反镜、空间滤波器、第二半透半反镜、参考物、成像镜头、电荷耦合元件CCD摄像头、处理器;
所述两个激光器用于,作为光源,发射波长不同的两束激光;
所述第一半透半反镜用于,将所述两个激光器的两束激光调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到所述空间滤波器;
所述空间滤波器用于,对所述一束激光进行滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
所述第二半透半反镜用于,使得扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;所述反射光照射在所述参考物上,经所述参考物反射,并被所述第二半透半反镜透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
所述成像镜头和CCD摄像头用于,使得照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,经过所述成像镜头在所述CCD摄像头上生成干涉图;
所述第二半透半反镜用于,通过调整角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
所述处理器用于,根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。
所述处理器包括:
第一计算单元,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
第二计算单元,根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
第三计算单元,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
第四计算单元,根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出,本发明中,能够使用双波长同时完成对物体的变形的实时测量。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种实时测量物体变形的方法的处理流程图;
图2为为本发明提供的实时测量物体变形的系统的光路图。
图3为本发明提供的实时测量物体变形的系统中CCD摄像头采集到的双波长干涉图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式,所述实施方式的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明的理解,下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明,且各个实施例并不构成对本发明的限定。
以下描述本发明的应用场景。
目前的测量装置均需要将两个波长逐一测量以至于重复测量两次,无法完成对物体动态形变的实时测量。本发明针对基于双波长的时域干涉测量中存在的问题,提出了一种基于双波长的实时测量物体变形的方法,结合时域干涉、小波变换、双波长测量的技术优点,可以一次性完成对物体变形信息的动态实时测量,并且还具有测量范围大、应用范围广等特点。也就是说,通过一套基于双波长的实时测量系统,完成了对物体动态形变的测量,具有实时、精确、测量范围大的特点。
如图1所示,为本发明所述的一种实时测量物体变形的方法,包括:
步骤11,选取波长不同的两个激光器作为光源;波长相差越少,后续的干涉图会更加明显。
步骤12,将所述两个激光器的两束激光经第一半透半反镜调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到空间滤波器;
步骤13,所述一束激光经过所述空间滤波器的滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
步骤14,扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;
步骤15,所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,经过成像镜头照射至电荷耦合元件CCD摄像头;
步骤16,所述反射光照射在参考物上,经所述参考物反射,并被所述第二半透半反镜透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
步骤17,照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,经过所述成像镜头在所述CCD摄像头上生成干涉图;
步骤18,调整所述第二半透半反镜的角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
步骤19,根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。
本发明中,能够使用双波长完成对物体的变形的实时测量。
步骤19包括:
步骤191,根据所述干涉图,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
步骤192,根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
步骤193,根据所述小波脊,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
步骤194,根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
如图2所示,为本发明所述的一种实时测量物体变形的系统,包括:波长不同的两个激光器21、22、第一半透半反镜23、空间滤波器24、第二半透半反镜25、参考物26、成像镜头27、电荷耦合元件CCD摄像头28、处理器29;
所述两个激光器21、22用于,作为光源,发射波长不同的两束激光;
所述第一半透半反镜23用于,将所述两个激光器的两束激光调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到所述空间滤波器;
所述空间滤波器24用于,对所述一束激光进行滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
所述第二半透半反镜25用于,使得扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;所述透射光照射在被测物30上,经所述被测物30反射,并被第二半透半反镜反射后,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;所述反射光照射在所述参考物26上,经所述参考物26反射,并被所述第二半透半反镜25透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
所述成像镜头27和CCD摄像头28用于,使得照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,经过所述成像镜头在所述CCD摄像头上生成干涉图;
所述第二半透半反镜28用于,通过调整角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
所述处理器29用于,根据所述干涉图,计算得到所述被测物30的基于时间的形变量。
所述处理器29包括:
第一计算单元,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
第二计算单元,根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
第三计算单元,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
第四计算单元,根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
以下描述本发明的应用场景。
所述基于双波长的实时测量物体变形的方法,包括以下几个步骤:
步骤一,选取波长相近的两个激光器作为光源;例如,选取532nm和473nm两个激光器作为光源;
步骤二:将两束光经半透半反镜调整至共路,使得合成一束激光射出;
步骤三:上述含有两个波长的激光经过空间滤波器进行滤波和扩束;
步骤四:激光扩束后经过半透半反镜,一半透射,一半反射;
步骤五:这束透射光照射在被测物上,经被测物反射,带有被测物并被半透半反镜反射后,照射至CCD摄像头;另一束反射光照射在参考物体上,经参考物反射,并被半透半反镜透射,照射至CCD摄像头,两束光重合产生干涉,干涉图被高速CCD摄像头获取。
步骤六:微调半透半反镜的角度,使得CCD摄像头获取的图样如图3所示,两个波长的条纹互相平行,叠加所得的合成波长清晰可见的效果。
步骤七:使用MATLAB软件找出合适的小波基,对高速CCD摄像头获得的干涉图进行小波变换,算出小波脊,再进行相位展开,从而获得物体基于时间的相位变化量,最终获得被测物基于时间的形变量。
以下描述本发明的原理。
图2所示,光路为迈克尔逊干涉仪,其中所述激光器发射两束光,两束光波长有稍微差别,分别为波长λa和λb,两个分离的干涉图案通过CCD摄像头照相机检测到。
在此,使用λA和λB来分别代表激光器A和激光器B的波长,在使用单波长进行测试时,干涉图中各点的相位值可表示为:
λ=λA时,φ1A,φ2A,φ3A……φkA
λ=λB时,φ1B,φ2B,φ3B……φkB。
其中,k是在检测器阵列中像素元件的总帧数。
当干涉条纹比较密,使得相邻像素上的相位变化大于2π时,则用单波长测试方法所获取的相位值会带有无法立即校正的2π整数倍跳变的问题,此时,这些相位值(OPD)与实际光程差之间的关系为:
其中,i代表第i个采样点;m和n分别为λa和λb的条纹整数级次;φiA为激光器A的相位值;φiB为激光器B的相位值。
类似地,下一个像素点的OPD可以写为:
设ΔOPDi+1=OPDi+1-OPD;Δφ(i+1)A=φ(i+1)A-φiA;Δφ(i+1)B=φ(i+1)B-φiB。
其中,ΔOPDi+1是相邻两个像素点的光程差;Δφ(i+1)A是激光器A的相邻两个像素点的相位差;Δφ(i+1)B是激光器B的相邻两个像素点的相位差。
然后,从式(1),(2),(3)和(4),可以得到:
假设λa和λb的相邻像素中条纹的级数相同,即m'-m=n'-n,则式(6)可改写为:
当
当
其中,λeq是合成波长。
假如上面提到的假设是正确的,通过运用式(8)或(9)中,可以得到任何相邻像素之间的OPD值的差,并且在探测器阵列中的OPD分布可以被重建。
假设所使用的A、B两个激光源的波长分别为λ1和λ2。同时假设不产生相位模糊的变形量为l(一般为波长级),则有:
式中,和分别为两个激光器的相位值;n为整数。将两式合并可得:
由于所以可以得到
由3-8式不难看出,使用两个波长的激光器作为激光光源后,不发生位相模糊的变形范围得以相当程度的扩大。
则变形前两个波长合成的强度分布为
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos(Φ0(x,y))}(14)
其中I0(x,y)是干涉场的平均强度,V为对比度,Φ0(x,y)是初始相位。
随着物体在z轴方向的变形,参考物与测量物之间的光程差发生变化,干涉强度变为
I(x,y,t)=I0(x,y){1+Vcos[Φ0(x,y)±4πΔz(x,y,t)/λ]}(15)
其中,Δz是物体沿着z轴的离面位移,λ是入射光的波长。因此,在成像平面中,CCD摄像头将接收到从该变形可以被检测出来的频率调制的信号。
小波变换法求相位的原理如下:
小波变换(WT),是一种在时间-空间-频域有着高分辨率和定位能力的工具,在过去几十年取得了巨大的知名度和显着的发展。连续1-DWT被定义为
其中,a是是尺度参数,b是平移参数,f(x)是原始信号,ψ(x)是母小波,并且是它的共轭函数。
连续小波变换(CWT)使用内积来测量的信号和分析函数的相似性。Wf(a,b)的幅度是正比于母小波和信号的相似性。由连续变化的尺度参数a和位置参数b的值,可以得到连续小波系数Wf(a,b)。小波脊是从连续小波变换的系数Wf(a,b)中取得的最大值。
相位和幅度,可以由下式计算:
其中,Im[Wf(a,b)]和Re[Wf(a,b)]分别是Wf(a,b)的实部和虚部。
本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图,附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
通过以上的实施方式的描述可知,本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解,本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品可以存储在存储介质中,如ROM/RAM、磁碟、光盘等,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机,服务器,或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于装置或系统实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述得比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种实时测量物体变形的方法,其特征在于,包括:
选取波长不同的两个激光器作为光源;
将所述两个激光器的两束激光经第一半透半反镜调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到空间滤波器;
所述一束激光经过所述空间滤波器的滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;
所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,经过成像镜头照射至电荷耦合元件CCD摄像头;
所述反射光照射在参考物上,经所述参考物反射,并被所述第二半透半反镜透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,经过所述成像镜头在所述CCD摄像头上生成干涉图;
调整所述第二半透半反镜的角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量的步骤包括:
根据所述干涉图,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
根据所述小波脊,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
4.一种实时测量物体变形的系统,其特征在于,包括:波长不同的两个激光器、第一半透半反镜、空间滤波器、第二半透半反镜、参考物、成像镜头、电荷耦合元件CCD摄像头、处理器;
所述两个激光器用于,作为光源,发射波长不同的两束激光;
所述第一半透半反镜用于,将所述两个激光器的两束激光调整至共路,使得所述两束激光合成一束激光,并照射到所述空间滤波器;
所述空间滤波器用于,对所述一束激光进行滤波和扩束,照射到第二半透半反镜;
所述第二半透半反镜用于,使得扩束后的所述激光经所述第二半透半反镜,形成透射光和反射光;所述透射光照射在被测物上,经所述被测物反射,并被第二半透半反镜反射后,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;所述反射光照射在所述参考物上,经所述参考物反射,并被所述第二半透半反镜透射,经过所述成像镜头照射至所述CCD摄像头;
所述成像镜头和CCD摄像头用于,使得照射至所述CCD摄像头的两束光重合产生干涉,经过所述成像镜头在所述CCD摄像头上生成干涉图;
所述第二半透半反镜用于,通过调整角度,使得所述干涉图中的两个波长的条纹互相平行;
所述处理器用于,根据所述干涉图,计算得到所述被测物的基于时间的形变量。
5.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述处理器包括:
第一计算单元,选择与所述干涉图波形相应的一小波基;
第二计算单元,根据所述小波基,对所述干涉图进行小波变换,算出小波脊;
第三计算单元,获得相应的截断相位图,继而进行相位展开,获得所述被测物的基于时间的相位变化量;
第四计算单元,根据所述被测物的基于时间的相位变化量,生成所述被测物的基于时间的形变量。
6.根据权利要求4所述的系统,其特征在于,所述波长不同的两个激光器中,一个所述激光器发射蓝色光,另一个所述激光器发射绿色光。
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