CN110132846A - 基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法 - Google Patents

基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法 Download PDF

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CN110132846A CN201910567992.9A CN201910567992A CN110132846A CN 110132846 A CN110132846 A CN 110132846A CN 201910567992 A CN201910567992 A CN 201910567992A CN 110132846 A CN110132846 A CN 110132846A
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钟诗民
闫佩正
包凤卿
吴双乐
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Abstract

本发明公开了一种基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统及测量方法，其特征是：激光器的出射光经扩束后照射测量面；测量面漫反射的光经两块分光棱镜后分成三束光；三束光分别通过反射镜、光阑、成像透镜和分光棱镜后同时成像到CCD相机上；本发明载波频率和剪切量独立可调，能够实现对被测物的缺陷进行多方向同步检测，是一种无损、全场、高效的测量系统。

Description

基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法，可从多个测量方向同时检测被测物的缺陷，尤其适用于航空航天中复合材料近表面缺陷的无损检测。
背景技术
目前，剪切散斑干涉技术由于其快速、全场、非接触、高精度、高灵敏度和实时检测等特点，已经成为较为常用的无损检测方法，它应用剪切成像来测量物体在应力作用下形变的一阶导数，通过试件表面的形变异常来揭示物体的内部缺陷。广泛应用于航空航天工程机械的无损检测中，例如飞行器部件,复合材料分离部位,蜂窝结构中的裂纹、分层、开裂和气孔等缺陷检测，以及汽车行业中空间构架结构和橡胶轮胎的检查当中。
但是剪切散斑干涉测量的形变一阶导数是沿剪切方向，仅能检测出对剪切方向敏感的缺陷，如果使用单方向剪切检测系统，至少需要在两个垂直方向上进行两次单独检测才能检测出含有多个缺陷方向的试样，否则将会遗漏掉只产生与剪切方向垂直的加载形变的缺陷，而且两次检测很难保证加载量的一致，如果采用多个单方向剪切散斑干涉系统同时测量被测物，这样会使增加测量过程的复杂程度，而且各个系统之间的测量信息难以精确匹配。这两种方式都会使使检测时间和成本显著提高，因此在无损检测领域，双方向或多方向剪切的同时检测变得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法，使用空间载波的方法并使载波频率和剪切量独立可调，以期实现对被测物的缺陷的多方向同步检测，使测量系统结构简单、测量方法便捷。
本发明的为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统的特点是：
以激光器为激光光源，所述激光器的出射光经扩束后照射在被测面，在所述被测面的表面形成漫反射光；
所述漫反射光经第一分光棱镜按5:5分束形成第一束光和第二束光，所述第二束光经第二分光棱镜按5:5分束形成第三束光和第四束光；
所述第一束光依次经第一反射镜、第一孔径光阑、第一成像透镜、第三分光棱镜和第四分光棱镜后成像在CCD相机的靶面上，形成第一幅图像；所述第三束光依次经第二反射镜、第二孔径光阑、第二成像透镜、第三分光棱镜和第四分光棱镜后成像在CCD相机的靶面上，形成第二幅图像；所述第四束光依次经第三反射镜、第三孔径光阑、第三成像透镜和第四分光棱镜后成像在CCD相机的靶面上，形成第三幅图像；所述第一幅图像、第二幅图像和第二幅图像在CCD相机的靶面上相互干涉，形成散斑干涉图；
通过调整所述第二反射镜使所述第二幅图像相对与所述第一幅图像产生X正方向的剪切；通过调整所述第三反射镜使所述第三幅图像相对于所述第一幅图像产生Y正方向的剪切；且所述第三幅图像产生相对于第二幅图像斜45度方向的剪切，所述剪切是指图像之间相互错位；利用所述第一幅图像、第二幅图像和第三幅图像在CCD相机的靶面上相互错位干涉，获得多方向剪切散斑干涉图。
本发明利用基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统实现被测物缺陷多方向检测的方法的特点是：
对所述被测面进行加载使所述被测面发生形变；通过采集分别获得所述CCD相机靶面上在被测面形变前后的多方向剪切散斑干涉图像；对所述多方向剪切散斑干涉图像进行傅里叶变换，获得所述多方向剪切散斑干涉图像的频谱；对所述频谱进行提取，分别获得含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分；
将所述含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分分别进行反傅立叶变换，分别获得含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的复振幅，通过复振幅相位提取，分别得到含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息；
将被测面在变形前和变形后含有X方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面的离面形变含有X方向导数的相位差，从而得到被测面含有X方向的检测结果；
将被测面在变形前和变形后含有Y方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面的离面形变含有Y方向导数的相位差，从而得到被测面含有Y方向的检测结果；
将被测面在变形前和变形后含有斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面的离面形变含有斜45度方向导数的相位差，从而得到被测面含有斜45度方向的检测结果。
本发明实现被测物缺陷多方向检测的方法的特点也在于按如下步骤进行：
步骤1：由所述CCD相机靶面采集获得被测面形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：
I(x,y)＝(u1+u2+u3)(u1 *+u2 *+u3 *) (1)
其中：
u1为所述第一束光经第一反射镜(5)反射的反射光波前；
u2为所述第三束光经第二反射镜(11)反射的反射光波前；
u3为所述第四束光经所述第三反射镜(14)反射的反射光波前；
u1 *、u2 *、u3 *一一对应为u1、u2、u3的共轭；
步骤2：对所述形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到如式(2)表示的空间频谱FT[I(x,y)]:
其中:
A(fx,fy)是空间频谱中含有背景光的低频项频谱，设置所述低频项频谱A(fx,fy)位于频谱中心坐标(0,0)的周围区域上；
B(fx-fcx,fy)和C(fx+fcx,fy)是互为共轭的高频项频谱，其含有X方向剪切的相位信息；
D(fx,fy-fcy)和E(fx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有Y方向剪切的相位信息；
F(fx-fcx,fy-fcy)和G(fx+fcx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有斜45度方向剪切的相位信息；
fx和fy分别为空间频谱的横坐标和纵坐标；
fcx是因所述第二孔径光阑相对于第一孔径光阑有X方向错位引入的载波频率；
fcy是因所述第三孔径光阑相对于第一孔径光阑有Y方向错位引入的载波频率；
fcx和fcy分别为具有X方向的载波频率和具有Y方向的载波频率；
步骤3：设置滤波窗口提取含有相位信息的高频项：
利用滤波窗口C提取C(fx+fcx,fy)部分频谱作为包含X剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口C是以(fcx,0)为中心、以截止频率fu1为半径的圆；
利用滤波窗口E提取E(fx,fy+fcy)部分频谱作为包含Y剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口E是以(0,fcy)为中心、以截止频率fu2为半径的圆；
利用滤波窗口G提取G(fx+fcx,fy+fcy)部分频谱作为包含斜45度剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口G是以(fcx,fcy)为中心、以截止频率fu3为半径的圆；
步骤4：由式(3)进行计算，分别获得被测面形变前X方向剪切的相位被测面形变前Y方向剪切的相位以及被测面形变前斜45度方向剪切的相位
其中：
Im[]为取虚部运算、Re[]为取实部运算，IFT[]为反傅里叶变换；
步骤5：在被测面形变后采集获得多方向剪切散斑干涉图像，按照步骤1-步骤4的相同方式进行相位信息提取，分别获得被测面形变后X方向剪切变形后的相位被测面形变后Y方向剪切变形后的相位以及被测面形变后斜45度方向剪切变形后的相位
步骤6：由式(4)计算获得相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)：
以所述相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)一一对应表征在X方向、Y方向和斜45度方向剪切上的被测物缺陷，作为检测结果。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明使用多成像透镜和多孔径光阑实现空间载波，可从单幅散斑干涉图中提取多剪切方向的相位信息，实现对离面形变同时多方向的动态测量，不会使特定的方向性缺陷在单次测量中产生遗漏。
2、本发明使用一个激光器作为照明光源、一个CCD相机记录图像，使测量系统得到简化，降低了成本。
3、本发明使用多个互相错位的孔径光阑引入载波频率，使用反射镜调整剪切量，是剪切量和载波频率独立调整。
4、本发明使用傅里叶变换对散斑干涉图进行频域处理，并使用频域滤波直接提取被测信息，提高了信噪比，减少了计算量。
附图说明
图1为本发明系统构成示意图；
图中标号：1激光器，2被测面，3第一分光棱镜，4第二分光棱镜，5第一反射镜，6第一孔径光阑，7第一成像透镜，8第三分光棱镜，9第四分光棱镜，10为CCD相机，11第二反射镜，12第二孔径光阑，13第二成像透镜，14第三反射镜，15第三孔径光阑，16第三成像透镜。
具体实施方式
参见图1，本实施例中基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统是以激光器1为激光光源，激光器1的出射光经扩束后照射在被测面2，在被测面2的表面形成漫反射光。
漫反射光经第一分光棱镜3按5:5分束形成第一束光和第二束光，其中，第二束光经第二分光棱镜4按5:5分束形成第三束光和第四束光；第一束光依次经第一反射镜5、第一孔径光阑6、第一成像透镜7、第三分光棱镜8和第四分光棱镜9后成像在CCD相机10的靶面上，形成第一幅图像；第三束光依次经第二反射镜11、第二孔径光阑12、第二成像透镜13、第三分光棱镜8和第四分光棱镜9后成像在CCD相机10的靶面上，形成第二幅图像；第四束光依次经第三反射镜14、第三孔径光阑15、第三成像透镜16和第四分光棱镜9后成像在CCD相机10的靶面上，形成第三幅图像；第一幅图像、第二幅图像和第二幅图像在CCD相机10的靶面上相互干涉，形成散斑干涉图。
具体实施中，通过调整第二反射镜11使第二幅图像相对与第一幅图像产生X正方向的剪切；通过调整第三反射镜14使第三幅图像相对于第一幅图像产生Y正方向的剪切；且第三幅图像产生相对于第二幅图像斜45度方向的剪切，剪切是指图像之间相互错位；利用第一幅图像、第二幅图像和第三幅图像在CCD相机10的靶面上相互错位干涉，即第二幅图像与第一幅图像产生X正方向的剪切散斑干涉图，第三度图像与第一幅图像产生Y方向正方向的剪切散斑干涉图，第三幅图像与第二幅图像产生斜45度方向的剪切散斑干涉图，三组单方向的散斑干涉图叠加，获得多方向剪切散斑干涉图。
本实施例中，基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统实现被测物缺陷多方向检测的方法是：放置被测物，通过采集获得CCD相机10靶面上被测面2形变前的多方向剪切散斑干涉图像；对被测面2进行加载使被测面2发生形变，对于复合材料可以采用热加载或者真空加载，对于边缘固定的硬质材料可以采用顶针加载；通过采集获得CCD相机10靶面上被测面2形变后的多方向剪切散斑干涉图像；对采集到的两幅多方向剪切散斑干涉图像分别进行傅里叶变换，获得被测面2形变前和形变后的多方向剪切散斑干涉图像的频谱；对两幅频谱图包含X方向、Y方向和斜45度方向剪切相位信息的频谱区域分别进行提取，分别获得被测面2形变前和形变后的含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分。
将被测面2形变前和形变后的含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分分别进行反傅立叶变换，分别获得被测面2形变前和形变后的含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的复振幅，通过复振幅相位提取，分别得到被测面2形变前和形变后的含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息。
将被测面2在变形前和变形后含有X方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面2的离面形变含有X方向导数的相位差，从而得到被测面2含有X方向的检测结果。
将被测面2在变形前和变形后含有Y方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面2的离面形变含有Y方向导数的相位差，从而得到被测面2含有Y方向的检测结果。
将被测面2在变形前和变形后含有斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面2的离面形变含有斜45度方向导数的相位差，从而得到被测面2含有斜45度方向的检测结果。
具体实施中，实现被测物缺陷多方向检测的方法按照如下步骤进行：
步骤1：由CCD相机10靶面采集获得被测面2形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：
I(x,y)＝(u1+u2+u3)(u1 *+u2 *+u3 *) (1)
其中：
u1为第一束光经第一反射镜5反射的反射光波前；
u2为第三束光经第二反射镜11反射的反射光波前；
u3为第四束光经第三反射镜14反射的反射光波前；
u1 *、u2 *、u3 *一一对应为u1、u2、u3的共轭；
步骤2：对形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到如式(2)表示的空间频谱FT[I(x,y)]:
其中:
A(fx,fy)是空间频谱中含有背景光的低频项频谱，设置低频项频谱A(fx,fy)位于频谱中心坐标(0,0)的周围区域上；
B(fx-fcx,fy)和C(fx+fcx,fy)是互为共轭的高频项频谱，其含有X方向剪切的相位信息；
D(fx,fy-fcy)和E(fx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有Y方向剪切的相位信息；
F(fx-fcx,fy-fcy)和G(fx+fcx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有斜45度方向剪切的相位信息；
fx和fy分别为空间频谱的横坐标和纵坐标；
fcx是因第二孔径光阑相对于第一孔径光阑有X方向错位引入的载波频率；
fcy是因第三孔径光阑相对于第一孔径光阑有Y方向错位引入的载波频率；
fcx和fcy分别为具有X方向的载波频率和具有Y方向的载波频率；
步骤3：设置滤波窗口提取含有相位信息的高频项：
利用滤波窗口C提取C(fx+fcx,fy)部分频谱作为包含X剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口C是以(fcx,0)为中心、以截止频率fu1为半径的圆；
利用滤波窗口E提取E(fx,fy+fcy)部分频谱作为包含Y剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口E是以(0,fcy)为中心、以截止频率fu2为半径的圆；
利用滤波窗口G提取G(fx+fcx,fy+fcy)部分频谱作为包含斜45度剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口G是以(fcx,fcy)为中心、以截止频率fu3为半径的圆；
步骤4：由式(3)进行计算，分别获得被测面形变前X方向剪切的相位被测面形变前Y方向剪切的相位以及被测面形变前斜45度方向剪切的相位
其中：
Im[]为取虚部运算、Re[]为取实部运算，IFT[]为反傅里叶变换；
步骤5：在被测面(2)形变后采集获得多方向剪切散斑干涉图像，按照步骤1-步骤4的相同方式进行相位信息提取，分别获得被测面形变后X方向剪切变形后的相位被测面形变后Y方向剪切变形后的相位以及被测面形变后斜45度方向剪切变形后的相位
步骤6：由式(4)计算获得相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)：
以相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)一一对应表征在X方向、Y方向和斜45度方向剪切上的被测物缺陷，作为检测结果。
相位差即形变相位图一般含有较大的噪声，会影响后续的计算，为此需要进行滤波处理，可选用的滤波方法有均值滤波法、中值滤波法、正余弦滤波法等；当形变量超过半个波长时，相位图就会存在相位跳变，导致相位值不连续，为了得到真实的相位值，需要进行解包裹运算。解包裹运算后可以得到被测物形变的连续形变相位，从连续形变相位中可以提取获得被测物的形变量大小。

Claims (3)

1.一种基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统，其特征是：
以激光器(1)为激光光源，所述激光器(1)的出射光经扩束后照射在被测面(2)，在所述被测面(2)的表面形成漫反射光；
所述漫反射光经第一分光棱镜(3)按5:5分束形成第一束光和第二束光，所述第二束光经第二分光棱镜(4)按5:5分束形成第三束光和第四束光；
所述第一束光依次经第一反射镜(5)、第一孔径光阑(6)、第一成像透镜(7)、第三分光棱镜(8)和第四分光棱镜(9)后成像在CCD相机(10)的靶面上，形成第一幅图像；所述第三束光依次经第二反射镜(11)、第二孔径光阑(12)、第二成像透镜(13)、第三分光棱镜(8)和第四分光棱镜(9)后成像在CCD相机(10)的靶面上，形成第二幅图像；所述第四束光依次经第三反射镜(14)、第三孔径光阑(15)、第三成像透镜(16)和第四分光棱镜(9)后成像在CCD相机(10)的靶面上，形成第三幅图像；所述第一幅图像、第二幅图像和第二幅图像在CCD相机(10)的靶面上相互干涉，形成散斑干涉图；
通过调整所述第二反射镜(11)使所述第二幅图像相对与所述第一幅图像产生X正方向的剪切；通过调整所述第三反射镜(14)使所述第三幅图像相对于所述第一幅图像产生Y正方向的剪切；且所述第三幅图像产生相对于第二幅图像斜45度方向的剪切，所述剪切是指图像之间相互错位；利用所述第一幅图像、第二幅图像和第三幅图像在CCD相机(10)的靶面上相互错位干涉，获得多方向剪切散斑干涉图。
2.利用权利要求1所述的基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉测量系统实现被测物缺陷多方向检测的方法，其特征是：
对所述被测面(2)进行加载使所述被测面(2)发生形变；通过采集分别获得所述CCD相机(10)靶面上在被测面(2)形变前后的多方向剪切散斑干涉图像；对所述多方向剪切散斑干涉图像进行傅里叶变换，获得所述多方向剪切散斑干涉图像的频谱；对所述频谱进行提取，分别获得含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分；
将所述含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光复振幅的频谱部分分别进行反傅立叶变换，分别获得含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的复振幅，通过复振幅相位提取，分别得到含有X方向、Y方向和斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息；
将被测面(2)在变形前和变形后含有X方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面(2)的离面形变含有X方向导数的相位差，从而得到被测面(2)含有X方向的检测结果；
将被测面(2)在变形前和变形后含有Y方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面(2)的离面形变含有Y方向导数的相位差，从而得到被测面(2)含有Y方向的检测结果；
将被测面(2)在变形前和变形后含有斜45度方向剪切的漫反射光的相位信息相减，得到表征被测面(2)的离面形变含有斜45度方向导数的相位差，从而得到被测面(2)含有斜45度方向的检测结果。
3.根据权利要求2所述的实现被测物缺陷多方向检测的方法，其特征是按照如下步骤进行：
步骤1：由所述CCD相机(10)靶面采集获得被测面(2)形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)：
I(x,y)＝(u1+u2+u3)(u1 *+u2 *+u3 *) (1)
其中：
u1为所述第一束光经第一反射镜(5)反射的反射光波前；
u2为所述第三束光经第二反射镜(11)反射的反射光波前；
u3为所述第四束光经所述第三反射镜(14)反射的反射光波前；
u1 *、u2 *、u3 *一一对应为u1、u2、u3的共轭；
步骤2：对所述形变前多方向剪切散斑干涉图像的强度I(x,y)进行傅里叶变换得到如式(2)表示的空间频谱FT[I(x,y)]:
其中:
A(fx,fy)是空间频谱中含有背景光的低频项频谱，设置所述低频项频谱A(fx,fy)位于频谱中心坐标(0,0)的周围区域上；
B(fx-fcx,fy)和C(fx+fcx,fy)是互为共轭的高频项频谱，其含有X方向剪切的相位信息；
D(fx,fy-fcy)和E(fx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有Y方向剪切的相位信息；
F(fx-fcx,fy-fcy)和G(fx+fcx,fy+fcy)是互为共轭的高频项频谱，其含有斜45度方向剪切的相位信息；
fx和fy分别为空间频谱的横坐标和纵坐标；
fcx是因所述第二孔径光阑相对于第一孔径光阑有X方向错位引入的载波频率；
fcy是因所述第三孔径光阑相对于第一孔径光阑有Y方向错位引入的载波频率；
fcx和fcy分别为具有X方向的载波频率和具有Y方向的载波频率；
步骤3：设置滤波窗口提取含有相位信息的高频项：
利用滤波窗口C提取C(fx+fcx,fy)部分频谱作为包含X剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口C是以(fcx,0)为中心、以截止频率fu1为半径的圆；
利用滤波窗口E提取E(fx,fy+fcy)部分频谱作为包含Y剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口E是以(0,fcy)为中心、以截止频率fc2为半径的圆；
利用滤波窗口G提取G(fx+fcx,fy+fcy)部分频谱作为包含斜45度剪切方向的相位信息的频谱，设置滤波窗口G是以(fcx,fcy)为中心、以截止频率fu3为半径的圆；
步骤4：由式(3)进行计算，分别获得被测面形变前X方向剪切的相位被测面形变前Y方向剪切的相位以及被测面形变前斜45度方向剪切的相位
其中：
Im[]为取虚部运算、Re[]为取实部运算，IFT[]为反傅里叶变换；
步骤5：在被测面(2)形变后采集获得多方向剪切散斑干涉图像，按照步骤1-步骤4的相同方式进行相位信息提取，分别获得被测面形变后X方向剪切变形后的相位被测面形变后Y方向剪切变形后的相位以及被测面形变后斜45度方向剪切变形后的相位
步骤6：由式(4)计算获得相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)：
以所述相位差Δx(x,y)、Δy(x,y)和Δxy(x,y)一一对应表征在X方向、Y方向和斜45度方向剪切上的被测物缺陷，作为检测结果。
CN201910567992.9A 2019-06-27 2019-06-27 基于马赫曾德光路的多方向剪切散斑干涉系统及测量方法 Pending CN110132846A (zh)

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