CN107228632A - 一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法 - Google Patents

一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于加窗傅里叶变换的干涉测量装置和方法。其装置为一具有波长空间调制能力的迈克尔逊干涉测量仪，包括了宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、CCD相机(13)。再结合加窗傅里叶变换的干涉信号解调方法，通过卷积运算、阈值处理、反傅里叶变换等过程，对编码了位移信息的干涉光谱相位进行数据解调。相比于传统方法，这种方法解调出的位移场结果具有更高的信噪比。

Description

一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光学干涉测量的仪器和方法，特别是基于加窗傅里叶变换的干涉测量装置和方法
背景技术
高聚物复合材料/结构在力学载荷下的位移场动态分布情况，是高精度工业制造中需要考虑的一个重要因素。近年来，国际上许多先进的光学测量方法被用来对其进行测量，如电子散斑干涉、数字图像相关、光纤布拉格传感器等。在这些技术和方法当中，相位对照谱域光学相干层析(PC-SOCT)是最有前景的方法之一，它能够对透明/半透明材料进行内部位移场的层析测量，且测量灵敏度高、测量速度快。
PC-SOCT始于2006年，是相位对照技术和谱域光学相干层析(SOCT)系统的结合。它在样件变形前后采集干涉光谱，并通过光谱的相位差计算样件的变形大小。由于SOCT系统只需要进行一次拍摄即可实现干涉光谱的采集，因此它能够应用于材料变形的实时测量。此外，光谱的相位差对于样品臂和参考臂的光程差(OPD)非常敏感，它每变化2π对应OPD变化了光源中心波长的一半。因为在材料折射率不发生改变的前提下，能够通过OPD的变化量解调样件的位移，因此PC-SOCT能应用于力学载荷导致的微变形测量当中。但是PC-SOCT在测量材料内部变形场的过程当中，由于内部散射光较弱，容易受到被测样件以及系统本身产生噪声的影响，使测量结果信噪比较低。目前，还没有一种方法或技术能够较好的解决该问题。
本专利在优化PC-SOCT系统结构和改进信号解调方法的基础上，提出了一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法。
发明内容
本发明公开一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法，它首先通过干涉测量系统测量到样件变形前后的干涉条纹，通过干涉条纹的相位信息解调样件内部的位移场分布情况，再结合加窗傅里叶变换对位移场分布进行滤波，提高测量结果的信噪比。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置，如图1所示，依次包括：宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、CCD相机(13)。
装置的光路结构如图1所示。宽带光源(1)发出的光经过准直透镜(2)的作用后，被柱面镜(3)聚焦于狭缝(4)上；经过狭缝(4)的光在准直透镜(5)的作用下进入分光棱镜(6)，并被分为两束，其中一束光在物镜(7)的作用下聚焦于参考平面(8)上，另一束经过物镜(9)聚焦于被测样件(10)上；来自参考平面(8)和被测样件(10)的反射光进过分光棱镜(6)后入射到反射式衍射光栅(11)上，经过衍射光栅(11)后的光谱在镜头(12)的作用下成像于CCD相机(13)上，并将成像后的光谱传入计算机(14)当中。
一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量方法，其流程如图2所示，具体内容如下：
[1]在初始时刻，对被测物体采集一副干涉图像，它的表达式如下：
(x,y)是图像的空间坐标，是包裹相位图
[2]通过卷积运算可以计算出条纹图的频谱，可以得到每个像素的频率信息，表达式如下：
其中gu,v,ε,η(x,y)是加窗傅里叶基函数，表达式如下：
gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)
g(x,y)是归一化的高斯窗函数，表达式如下：
[3]由于噪声的随机性和不连贯性，它在整个频谱域的系数很小,通设定阈值可以去除噪声。
[4]对去除噪声的频谱进行反傅里叶变换可以得到光滑的条纹图。
附图说明
图1是基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置的系统原理图；1是宽带光源，2是准直透镜、3是柱面镜、4是狭缝、5是准直透镜、6是分光棱镜、7是物镜、8是参考平面、9是物镜、10是被测样件、11是反射式衍射光栅、12是镜头、13是CCD相机。
图2是基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量方法流程图。
图3(a)是直接测量到的位移场分布图；
图3(b)是中值滤波后的位移场分布图；
图3(c)是加窗傅里叶变换后的位移场分布图。
具体实施方式
下面结合实验实例和附图对本发明作进一步说明，但不应限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明主要包括：宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、CCD相机(13)。下面分别对该系统进行详细介绍。
宽带光源(1)(Superlum Diodes Ltd，HP3，带宽：Δλ＝50nm，中心波长：λc＝840nm)发出的光经过准直透镜(2)(焦距60mm)的作用后，被柱面镜(3)(焦距100mm)聚焦于狭缝(4)(狭缝宽度10μm)上；经过狭缝(4)的光在准直透镜(5)(焦距100mm)的作用下进入分光棱镜(6)(分光比50:50)，并被分为两束，其中一束光在物镜(7)(放大倍数4倍，NA＝0.1)的作用下聚焦于参考平面(8)上，另一束经过物镜(9)(放大倍数4倍，NA＝0.1)聚焦于被测样件(10)上；来自参考平面(8)和被测样件(10)的反射光进过分光棱镜(6)后入射到反射式衍射光栅(11)(1200线/mm)上，经过衍射光栅(11)后的光谱在镜头(12)(焦距135mm)的作用下成像于CCD相机(13)(1600x1200像素，动态范围12bit)上，并将成像后的光谱传入计算机(14)当中。
在初始时刻，对被测物体采集一副干涉图像，它的表达式如下：
(x,y)是图像的空间坐标，是包裹相位图
通过卷积运算可以计算出条纹图的频谱，可以得到每个像素的频率信息，表达式如下：
其中gu,v,ε,η(x,y)是加窗傅里叶基函数，表达式如下：
gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)
g(x,y)是归一化的高斯窗函数，表达式如下：
由于噪声的随机性和不连贯性，它在整个频谱域的系数很小,通设定阈值可以去除噪声。
对去除噪声的频谱进行反傅里叶变换可以得到光滑的条纹图。
通过温度加载的方法获得的材料内部位移场测量结果如图3所示。对比实验结果可以看出，采用基于加窗傅里叶变换的信号解调方法一方面能够获得信噪比较高的结果，另一方面也能清晰的分辨被测对象的截面轮廓。
能够获得最好的实验效果。

Claims (3)

1.一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置，其特征在于，其由宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、计算机(14)和CCD相机(13)组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置，其特征在于，宽带光源(1)发出的光经过准直透镜(2)的作用后，被柱面镜(3)聚焦于狭缝(4)上；经过狭缝(4)的光在准直透镜(5)的作用下进入分光棱镜(6)，并被分为两束，其中一束光在物镜(7)的作用下聚焦于参考平面(8)上，另一束经过物镜(9)聚焦于被测样件(10)上；来自参考平面(8)和被测样件(10)的反射光进过分光棱镜(6)后入射到反射式衍射光栅(11)上，经过衍射光栅(11)后的光谱在镜头(12)的作用下成像于CCD相机(13)上，并将成像后的光谱传入计算机(14)当中。
3.一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量方法，其用于如权利要求2所述的基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[1]在初始时刻，对被测物体采集一干涉图像，它的表达式如下：
其中(x,y)是图像的空间坐标，是包裹相位图；
[2]通过卷积运算计算出条纹图的频谱Sf(u,v,ε,η)，可以得到每个像素的频率信息，表达式如下：
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其中‘*’号表示共轭复数，(u,v)表示窗口尺寸，(ε,η)表示频域坐标，
gu,v,ε,η(x,y)是加窗傅里叶基函数，表达式如下：
gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)
g(x,y)是归一化的高斯窗函数，表达式如下：
其中σx和σy分别是高斯窗函数g(x,y)在x和y方向的标准差；
[3]由于噪声的随机性和不连贯性，它在整个频谱域的系数很小,通过设定阈值可以去除噪声，得到去噪的频谱函数
其中thr是设定的阈值；
[4]对去除噪声的频谱进行反傅里叶变换得到光滑的条纹图
<mrow> <mover> <mi>f</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mi>&amp;infin;</mi> </mrow> <mi>&amp;infin;</mi> </msubsup> <mover> <mi>S</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>u</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>&amp;epsiv;</mi> <mi>d</mi> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>d</mi> <mi>u</mi> <mi>d</mi> <mi>v</mi> <mo>.</mo> </mrow> 1
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