CN105910987A - 基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，其基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉实现，将光电探测器拍摄的时间序列干涉图像零均值化，建立反映多层复杂结构材料内部各层界面特性的幅值、频率和相位场待求解向量Θ，使用数学最优化方法求解Θ，最后提取向量Θ的相位场分布并进行相位展开，从而实现多层复杂结构材料内部分布的高精度检测。本发明优点是突破因激光波数扫频范围有限带来的Nyquist深度测量分辨率限制，高精度给出多层复杂结构材料内部各界面层的分布情况。

Description

基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉实现多层复杂结构材料分布的高精度透视检测，属于超精密测量和光电检测等领域。

背景技术

激光波数调频干涉检测可实现对多层复杂结构材料(如：树脂基复合材料)内部分布的无损高精透视检测，检测精度达±10nm，具有广阔的应用前景。当用激光波数调频干涉系统检测被测物体时，被测物体内部每个界面层对应不同频率的正弦信号，检测结果为这些不同频率的正弦信号叠加。为了得到被测物体各界面层的轮廓，需要对检测结果每个像素点进行信号盲分离。目前常用的检测方法是基于傅里叶变换的信号分离法。该方法将探测结果沿时间轴傅里叶变换，借助不同频率正弦信号频域不重叠特征实现信号分离，从而实现多层复杂结构材料的层间分布检测：频域幅值峰值分别对应其界面层的正弦信号，峰值处的相位场对应界面层分布。

但傅里叶变换法精度有局限：其原因为激光波数调频范围有限，当被测物体内部两界面层在深度方向上的位置较为接近时，傅里叶变换结果有严重的频谱混叠现象，导致无法分离出该两层干涉信号及其相位场。如何能在激光调频范围有限的条件下，准确、有效地分离出被测物体内部各界面层的干涉信号是目前激光波数调频干涉检测系统迫切需要解决的问题之一。

发明内容

针对以上技术问题，本发明致力于克服以上基于傅里叶变换法的瓶颈，基于单通道周期信号盲分离的激光干涉涉实现多层复杂结构材料分布的高精检测，提出一种基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，根据单通道观测数据，分离出被测物体各界面层的干涉信号。新方法特别适用于多层复杂结构材料深度方向界面层贴近情形时的检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，其基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉对复杂结构材料的分布进行高精度透视检测，其具体步骤为：

1)将光电探测器采集到的干涉检测图像序列中心化(零均值化)如下：

$I(x,y,\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)=\underset{p=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=p+1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{pq}(x,y)\·cos\[2\mathrm{\π}\·f_{pq}(x,y)\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq}(x,y)\],$

$A_{pq}(x,y)=2\·\sqrt{I_p(x,y)\·I_q(x,y)},$

$f_{pq}(x,y)=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{pq}(x,y)}{\mathrm{\π}},$

式中，x,y为光电探测器的空间坐标；Δk为激光调频范围；k(1)为激光起始波数；I_p和I_q为被测材料第p、q两层的反射光强；Λ_pq为第p、q两层的光程差；为第p、q两层的初始相位差；n＝1,2,…,N，其中N为光电探测器拍摄总帧数。为叙述方便，以下省略关系式中的空间坐标x,y，如A_pq(x,y)简略为A_pq，f_pq(x,y)简略为f_pq，φ_pq(x,y)简略为φ_pq。

2)为求解各界面层的正弦信号，需确定各个正弦信号幅值，频率以及相位场，建立待求解向量Θ如下：

Θ＝{A₁₂,…,A_pq,…,A_(M-1)M；f₁₂,…,f_pq,…,f_(M-1)M；φ₁₂,…,φ_pq,…,φ_(M-1)M},

3)由于干涉信号的数学模型已知，待求解向量Θ可以通过在波数域中对检测数据作数学最优化得到：

$\underset{\mathrm{\Θ}}{min}J\left(\mathrm{\Θ}\right)=\underset{\mathrm{\Θ}}{min}\left|\right|\hat{I}(\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)-\underset{p=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=p+1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{pq}\·cos(2\mathrm{\π}\·f_{pq}\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq})|{|}_2^2,$

式中，J表示代价函数，表示数字摄像机采集到的干涉信号。上述方程可由拟牛顿优化方法求解。

4)在向量Θ中提取被测物体各界面层信号的幅值A_pq，频率f_pq以及相位场φ_pq，实现各界面层干涉信号分离，并对各界面层的相位场进行相位展开得到各界面层的分布。

进一步，在步骤1)中采用单个光电探测器干涉检测图像序列，所述光电探测器包括：CCD数字摄像机、CMOS数字摄像机以及其他光电成像设备。

本发明的有益效果：

本发明可在激光调频范围有限的条件下，准确、有效地分离出被测物体内部各界面层的干涉信号，突破了因激光波数扫频范围有限带来的Nyquist深度检测分辨率，有效地分离被测物体内部各界面层的干涉信号，准确给出各界面层的分布，具有很强的应用价值。

附图说明

图1为本发明的实施对象：激光波数扫频干涉检测系统；

图2为本发明的检测对象：四层透明亚克力板结构图；

图3为数字摄像机单点像素拍摄到的单通道时域干涉信号；

图4为分离的信号S₁₂卷绕相位场；

图5为分离的信号S₁₃卷绕相位场；

图6为S₂层分布图；

图7为S₃层分布图；

其中，1-S₁层，2-S₂层，3-S₃层，4-S₄层。

具体实施方式

下面将结合本发明具体实施方式和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的实施对象：激光波数扫频干涉检测系统。图2为本发明的检测对象：四层透明亚克力板，分别对应S₁层，S₂层，S₃层以及S₄层；S₂层和S₃层之间的距离为90μm。本发明涉及一种基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉的多层复杂结构材料分布的检测方法，包括如下步骤：

(1)将CCD数字摄像机采集到的干涉检测信号零均值化如下：

$I(\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)=\underset{p=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=p+1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{pq}\·cos(2\mathrm{\π}\·f_{pq}\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq}),$

式中，Δk为激光波数扫频范围；k(1)为激光起始波数；I_p和I_q为被测表面第p、q两层的反射光强；Λ_pq为第p、q两层的光程差；为第p、q两层的初始相位差；n＝1,2,…,N，其中N为拍摄总张数。在本具体实施例中，Δk＝1.209×10⁴m^-1，k(1)＝7.300×10⁶m^-1，N＝800。图3为CCD数字摄像机其中一个像素点采集到的单通道光强信号序列。

(2)为了求解各界面层的正弦信号，需确定幅值，频率以及相位场，建立待求解向量Θ如下：

Θ＝{A₁₂,…,A_pq,…,A_(M-1)M；f₁₂,…,f_pq,…,f_(M-1)M；φ₁₂,…,φ_pq,…,φ_(M-1)M},

(3)由于干涉信号的数学模型已知，待求解向量Θ可以通过在波数域中对检测数据作数学最优化得到：

$\underset{A_{pq},f_{pq},{\mathrm{\φ}}_{pq}}{\min }J\left(\mathrm{\Θ}\right)=\underset{A_{pq},f_{pq},{\mathrm{\φ}}_{pq}}{\min }\left|\right|\hat{I}(\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)-\underset{p=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\underset{q=p+1}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{A}_{pq}\·\cos (2\mathrm{\π}\·f_{pq}\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq})|{|}_2^2,$

式中，J为代价函数，表示CCD数字摄像机采集到的光强。在本具体实施例中，首先采用相关矩阵谱分解及快速傅里叶变换分别获取Θ中的频率初始值以及相位场、幅值初始值，最后根据拟牛顿迭代最优化方法计算出Θ的解。

(4)抽取Θ中被测材料各界面层信号的幅值A_pq，频率f_pq以及相位场φ_pq，实现各界面层信号分离，图4、5分别为本发明分离的信号S₁₂和S₁₃相位场。对各界面层信号分离的相位场进行相位展开，得到各界面层的分布，图6、7分别为本发明得到的S₂和S₃层分布。

本发明公开了一种基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉实现，将光电探测器拍摄的时间序列干涉图像零均值化，建立反映多层复杂结构材料内部各层界面特性的幅值、频率和相位场待求解向量Θ，使用数学最优化方法求解Θ，最后提取向量Θ的相位场分布并进行相位展开，从而实现多层复杂结构材料内部分布的高精度检测。本发明优点是突破因激光波数扫频范围有限带来的Nyquist深度测量分辨率限制，高精度给出多层复杂结构材料内部各界面层的分布情况。

最终，以上实施方式和附图仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施方式已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，其特征在于，基于单通道周期信号盲分离和激光波数调频干涉对复杂结构材料的分布进行高精度透视检测，其具体步骤为：

1)将光电探测器采集到的干涉检测图像序列中心化；

2)为求解各界面层的正弦信号，需确定各个正弦信号幅值，频率以及相位场，建立待求解向量Θ如下：

Θ＝{A₁₂,…,A_pq,…,A_(M-1)M；f₁₂,…,f_pq,…,f_(M-1)M；φ₁₂,…,φ_pq,…,φ_(M-1)M},

式中，下标p，q分别表示被测物体第p，q界面层；A，f以及φ表示各界面层信号的幅值，频率以及相位场；

3)由于干涉信号的数学模型已知，待求解向量Θ可以通过在波数域中对检测数据作数学最优化得到：

$\underset{\mathrm{\Θ}}{min}J\left(\mathrm{\Θ}\right)=\underset{\mathrm{\Θ}}{min}\left|\right|\hat{I}(\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)-\underset{p=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{q=p+1}{\overset{M}{\Σ}}{A}_{pq}\·cos(2\mathrm{\π}\·f_{pq}\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq})|{|}_2^2,$

式中，J表示代价函数，表示数字摄像机采集到的干涉信号；

4)在向量Θ中提取被测物体各界面层信号的幅值A_pq，频率f_pq以及相位场φ_pq，实现各界面层信号分离并对各界面层的相位场进行相位展开得到各界面层的分布。

2.根据权利要求1所述的基于盲分离技术的多层复杂结构材料高精度透视检测方法，其特征在于：在步骤1)中采用单个光电探测器干涉检测图像序列，所述光电探测器包括：CCD数字摄像机、CMOS数字摄像机以及其他光电成像设备。

3.根据权利要求1所述的一种多层复杂结构材料分布的高精度透视检测方法，其特征在于：在步骤1)中，将采集到的干涉检测图像序列中心化的具体步骤为：

$I(x,y,\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k)=\underset{p=1}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{q=p+1}{\overset{M}{\Σ}}{A}_{pq}(x,y)\·cos\[2\mathrm{\π}\·f_{pq}(x,y)\·\frac{n-1}{N-1}\·\mathrm{\Δ}k+{\mathrm{\φ}}_{pq}(x,y)\],$

$A_{pq}(x,y)=2\·\sqrt{I_p(x,y)\·I_q(x,y)},$

$f_{pq}(x,y)=\frac{{\mathrm{\Λ}}_{pq}(x,y)}{\mathrm{\π}},$

式中，x,y为光电探测器的空间坐标；Δk为激光调频范围；k(1)为激光起始波数；I_p和I_q为被测材料第p、q两层的反射光强；Λ_pq为第p、q两层的光程差；为第p、q两层的初始相位差；n＝1,2,…,N，其中N为光电探测器拍摄总帧数。