CN111578844B

CN111578844B - 高抗振性电子散斑干涉测量系统和方法

Info

Publication number: CN111578844B
Application number: CN202010415412.7A
Authority: CN
Inventors: 刘斌; 王虎; 邢瑞英; 孙晓飞; 王业腾; 王文博; 占明明; 刘轩; 鲁国林; 孙霖
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science; Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Current assignee: Shanghai University of Engineering Science; Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-10-19
Anticipated expiration: 2040-05-15
Also published as: CN111578844A

Abstract

提供一种高抗振性电子散斑干涉测量系统，其包括：迈克尔逊干涉仪，其包括相移镜和高速相机；压电陶瓷，用于前后移动所述相移镜；驱动器，用于驱动所述压电陶瓷；控制器，分别与所述驱动器和高速相机连接，用于发出同步的第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述高速相机采图，所述第二信号为正弦电压信号且用于驱动所述压电陶瓷；其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集A、B、C和D四个时刻的四幅散斑干涉图像获得对应的光强分布I_A、I_B、I_C、I_D，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；以及处理器，用于基于所述四幅散斑干涉图像计算被测物体离面位移和/或离面位移导数。

Description

高抗振性电子散斑干涉测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种高抗振性电子散斑干涉测量系统和方法，属于光电检测领域。

背景技术

电子散斑干涉技术(ESPI)作为一种精密光学测量技术，因其具有快速、全场、大面积等优势，近些年已经被广泛应用于各类光学干涉精密测量和无损检测领域。时间相移技术的引入，极大提高了电子散斑干涉技术的图像质量及测量精度，使得电子散斑干涉真正发展成为一种高精度光学测量手段。

现有具备时间相移功能的电子散斑干涉相移系统，对环境隔振的要求已大大降低。例如，中国专利200610147704.7就公开一种数字电子剪切散斑干涉仪，包括一激光器、一扩束机构、一剪切镜、一剪切镜驱动机构、一偏振片、一数字化成像装置以及一计算机，其中剪切镜可更换为大剪切镜或小剪切镜；剪切镜驱动机构包括一水平位移装置和一垂直位移装置，其分别通过步进电机驱动，使剪切镜及偏振片沿平行和垂直于反射光束的方向移动，步进电机转动受所述计算机输出的脉冲控制。

例如，中国专利201210086926.8就公开了一种高信噪比电子散斑干涉的实时相移方法，其利用压电相移器产生多步相移，摄像机同步采集多幅相移散斑图像，通过特殊的图像采集序列设计和快速算法，计算散斑干涉条纹的位相图，这些相移条纹图中包含了当前时刻代表物体变形的位相信息，可以通过位相解调出来。该方法可以在100-150毫秒内完成从原始图像采集到相移图像的计算和显示。

但是，现有的这些技术在工程现场进行动态测试时，其相位图质量和相位处理效果还是很受环境振动因素的影响，特别是当周围环境中有振动噪声存在时，基本无法进行位移或位移导数的精确测量。造成这一问题的主要原因，是由于现有的相位处理方法普遍采用步进阶跃式控制方法(例如利用压电相移器产生多步相移)，该方法极大限制了压电陶瓷的动态响应及相机的采图帧率，导致测量速度较慢，通常完成一次相位测量至少需要100ms的时间。在此测量期间，环境振动、空气扰动都会引起相移过程中采集的散斑图像相位差的偏差，从而导致相位测量结果不准确，甚至会导致测量工作无法进行。因此，现有的电子散斑干涉测量系统通常要求在较为稳定的环境中工作，而在工程现场等一般环境中的测量工作很难实施。

鉴于上述，本发明旨在提供一种高抗振性电子散斑干涉测量系统和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种高抗振性电子散斑干涉测量系统。该高抗振性电子散斑干涉测量系统包括：

迈克尔逊干涉仪，其包括相移镜和高速相机；

压电陶瓷，用于前后移动所述相移镜；

驱动器，用于驱动所述压电陶瓷；

控制器，分别与所述驱动器和高速相机连接，用于发出同步的第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述高速相机采图，所述第二信号为正弦电压信号且用于驱动所述压电陶瓷；其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集A、B、C和D四个时刻的四幅散斑干涉图像获得对应的光强分布I_A、I_B、I_C、I_D，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；以及

处理器，用于基于所述四幅散斑干涉图像计算被测物体离面位移和/或离面位移导数。

根据本发明又一方面，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期T。

根据本发明又一方面，所述4t小于T/4、T/8、T/10、T/20或T/30。

根据本发明又一方面，所述I_A、I_B、I_C、I_D两两之间的相位差为π/2，表示如下：

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

根据本发明又一方面，高速相机采集两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[I_A0，I_B0，I_C0，I_D0]；[I_A1，I_B1，I_C1，I_D1]…[I_Ai，I_Bi，I_Ci，I_Di]}，i为自然数；

第一组四幅散斑图像的[I_A0，I_B0，I_C0，I_D0]用于计算出被测物体的初始随机相位

第i组四幅散斑图像的[I_Ai，I_Bi，I_Ci，I_Di]用于计算出对应被测物体变形的相位

i为自然数，

根据本发明又一方面，通过对

和

进行均值滤波消除噪声，分别得到

和

即可得到被测物体各个时刻因变形引起的相位差

根据本发明又一方面，被测物体的离面位移

根据本发明又一方面，离面位移导数

其中δ为剪切量数值。

根据本发明又一方面，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

控制器发出同步的第一信号和第二信号；

根据所述第一信号控制高速相机采图，根据所述第二信号驱动压电陶瓷以前后移动相移镜，第二信号为正弦电压信号，其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集A、B、C和D四个时刻的四幅散斑干涉图像获得对应的光强分布I_A、I_B、I_C、I_D，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；

基于所述四幅散斑干涉图像计算被测物体离面位移和/或离面位移导数。

根据本发明又一方面，所述4t小于T/4、T/8、T/10、T/20或T/30；优选地，所述I_A、I_B、I_C、I_D两两之间的相位差为π/2，表示如下：

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

i为自然数，

根据本发明又一方面，通过对

和

进行均值滤波消除噪声，分别得到

和

即可得到被测物体各个时刻因变形引起的相位差

根据本发明又一方面，被测物体的离面位移

根据本发明又一方面，离面位移导数

其中δ为剪切量数值。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

首先，该系统可在工程现场进行电子散斑干涉动态离面位移或离面位移导数的精密测量；

其次，相比于现有技术中的步进控制压电陶瓷(相移器)，可以大大缩短四幅相移图的采集时间，例如可以达到2.5ms，甚至更快，这小于一般的空气扰动和环境振动周期(10ms以上)，因此，该系统可显著降低电子散斑干涉技术对空气扰动和环境振动敏感性；

第三，相机触发信号的频率是PZT相移驱动信号的数倍或十几倍以上，且PZT相移驱动信号为正弦信号(代替现有技术中的步进控制信号)，因此易于得到理想的压电性能曲线，可确保电子散斑干涉动态位移或位移导数的精密测量。

附图说明

为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：

图1为根据本发明一种优选实施例的高抗振性电子散斑干涉测量系统的结构示意图；

图2为根据本发明一种优选实施例的高速相机和压电陶瓷相移器的同步控制示意图；

图3为利用本发明高抗振性电子散斑干涉测量系统获得的测量结果图。

具体实施例

现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。

在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。

实施例1

参见图1-2，图1为根据本发明一种优选实施例的高抗振性电子散斑干涉测量系统的结构示意图；图2为根据本发明一种优选实施例的高速相机和压电陶瓷相移器的同步控制示意图。该高抗振性电子散斑干涉测量系统包括：

迈克尔逊干涉仪，其包括相移镜和高速相机；

压电陶瓷，用于前后移动所述相移镜；

驱动器，用于驱动所述压电陶瓷；

需要说明的是，迈克尔逊干涉仪为现有技术，其通常还包括激光器、分光镜和剪切镜。参见图1，激光器发射的激光入射到试件表面后，反射至分光镜，经分光镜分光后一路光透射至相移镜，然后依次经过相移镜、分光镜反射后入射至高速相机，另一路反射至剪切镜，然后经过剪切镜反射和分光镜透射后入射至高速相机。

可以理解的是，通过与第一信号同步的所述正弦电压信号控制压电陶瓷带动相移镜移动，可以实现高频动态响应，易于得到理想的压电性能曲线，解决了现有技术中的步进控制引起的无法高频动态响应的问题。

优选地，本发明的高速相机，例如为1.6kHz的高速相机，但本发明并不限于此，只要能够实现采集四幅散斑干涉图像的时间小于空气扰动或环境振动的周期即可。例如，可为大于1.6kHz的高速相机，例如2kHz的高速相机等等。本发明的处理器可以为CPU，计算机等等具有数据处理功能的各种部件。

根据本发明又一种优选实施方式，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期T。可以理解的是，这可以减小或防止空气的扰动或环境的振动对测量的干扰。

根据本发明又一种优选实施方式，所述4t小于T/4、T/8、T/10、T/20或T/30。通过研究表明，这可以进一步防止空气的扰动和/或环境的振动对测量的干扰，同时，可以相对地降低系统的成本。

根据本发明又一种优选实施方式，所述I_A、I_B、I_C、I_D两两之间的相位差为π/2，表示如下：

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

根据本发明又一种优选实施方式，高速相机采集两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[I_A0，I_B0，I_C0，I_D0]；[I_A1，I_B1，I_C1，I_D1]…[I_Ai，I_Bi，I_Ci，I_Di]}，i为自然数；

i为自然数，

根据本发明又一种优选实施方式，通过对

和

进行均值滤波消除噪声，分别得到

和

即可得到被测物体各个时刻因变形引起的相位差

根据本发明又一种优选实施方式，被测物体的离面位移

根据本发明又一种优选实施方式，离面位移导数

其中δ为剪切量数值。

根据本发明又一种优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉测量方法，其特征在于包括以下步骤：

控制器发出同步的第一信号和第二信号；

根据本发明又一种优选实施方式，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期T。

根据本发明又一种优选实施方式，所述4t小于T/4、T/8、T/10、T/20或T/30；优选地，所述I_A、I_B、I_C、I_D两两之间的相位差为π/2，表示如下：

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

i为自然数，

根据本发明又一种优选实施方式，通过对

和

进行均值滤波消除噪声，分别得到

和

即可得到被测物体各个时刻因变形引起的相位差

根据本发明又一种优选实施方式，被测物体的离面位移

根据本发明又一种优选实施方式，离面位移导数

其中δ为剪切量数值。

根据本发明又一种优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉测量方法，可包括以下步骤：

1)通过控制器(该控制器例如包括信号发生器)持续同步发出两组连续电压信号，分别控制高速相机和压电陶瓷；

2)步骤1)中信号发生器其中一路信号为方波电压触发信号，用来控制高速相机采图，方波信号的周期为t，也即高速相机的序列采图周期为t；

3)步骤1)中信号发生器另一路信号为周期例如16t(本发明并不限于此，只要能够实现步骤4)的采图要求即可)的正弦电压信号，该电压信号通过压电陶瓷电压放大电路放大后，用来驱动迈克尔逊干涉光路中的压电陶瓷(PZT)相移镜运动，使得干涉光路中的一束光产生给定光程差；

4)参见图2，采用四步时间相移法进行相位处理，在步骤3)中正弦电压信号上升段的中间4t时间内，以等时间间隔t采集四幅散斑图像；

5)通过调制正弦电压的峰值，使得步骤4)中正弦电压信号上升段的中间4t时间内，压电陶瓷相移镜的行程为3λ/8，也即迈克尔逊干涉光路其中一束光的光程差为3λ/4。研究表明，在正弦曲线上升段的中部电压近似于线性上升，步骤4)中采集的四幅散斑图像两两之间的相位差也就正好为π/2，表示如下；

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

6)根据步骤5)连续采集并保存被测物体变形过程中的序列散斑图像{[I_A0，I_B0，I_C0，I_D0]；[I_A1，I_B1，I_C1，I_D1]…[I_Ai，I_Bi，I_Ci，I_Di](i＝1，2...}。

7)运用四步相移法进行相位计算，初始阶段采集的四幅散斑图计算出被测物体的初始随机相位

后续每个相移周期(16t)内可计算出对应物体变形的相位

(i＝1，2，3……)，表示如下：

8)根据步骤7)中计算的初始相位

和

再通过均值滤波消除噪声，即可得到物体各个时刻因为变形引起的相位差

从而实现被测物体离面位移w或离面位移导数

的精密测量，被测物体的离面位移

离面位移导数

其中δ为剪切量数值。

可以理解的是，该实施方式中，利用控制器同步控制高速相机的序列采图和高频响应压电陶瓷相移发生器的驱动电压，再通过时间相移中的四步相移法进行相位处理，可在工程现场进行电子散斑干涉动态位移或位移导数的精密测量。例如选用采图帧率为1.6kHz的高速数字相机，完成四幅相移图的采集时间仅为2.5ms，该时间间隔内空气的扰动以及环境的振动基本可以忽略，因为一般的空气扰动和环境振动频率通常在100Hz内，对应周期为10ms以上，该时间远大于本发明方法完成一次相位测量的时间。另外，相机触发信号的频率是PZT驱动信号的16倍，则PZT相移驱动信号频率为100Hz，且其电压为正弦信号，因此易于得到理想的压电性能曲线，可确保电子散斑干涉动态位移或位移导数的精密测量。

根据本发明又一种优选实施方式，参见图3，作为示例，其示出了本发明动态电子散斑干涉测量方法中工程现场内部预制缺陷的橡胶金属粘接结构在热辐射下的动态离面位移导数相位测量结果。

根据本发明又一种优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉测量方法，以电子剪切散斑干涉测量为例，并在工程现场测量橡胶金属粘接结构在热辐射加载下的离面位移导数，结合图1-3，该实施例具体描述如下：

1)通过信号发生器持续发出两组同步的连续电压信号，分别控制高速相机的序列采图和高频响应时间相移系统的驱动电压，电子剪切散斑干涉的光路示意图见图1，压电陶瓷在PZT驱动器所提供电压的驱动下，推动相移镜前后移动，改变迈克尔逊干涉仪中一束光的光程，从而引入所需的定相位差。

2)信号发生器发出的其中一路电压信号为方波电压触发信号，用来控制高速相机采图，方波信号的上升沿触发相机采图。选用采图帧率为1.6kHz的高速相机，则该方波信号的周期t为0.625ms，如图2所示。

3)信号发生器发出的另一路电压信号为周期16t(也即10ms)的正弦电压信号(见图2)，该电压信号的电压幅值被PZT驱动器放大后，提供给驱动迈克尔逊干涉光路中的压电陶瓷(PZT)用来推动相移镜移动。

4)本发明采用四步时间相移法进行相位处理，在步骤3)中正弦电压信号上升段的中间4t(2.5ms)时间内，等时间间隔采集A、B、C和D四个时刻的四幅散斑干涉图像，见图2。

5)通过调制正弦电压的峰值，使得步骤4)中正弦电压信号上升段的中间4t(2.5ms)时间内，压电陶瓷推动相移镜的位移行程为3λ/8(选用绿色激光器，λ＝512nm)，也即迈克尔逊干涉光路中，经过相移镜反射的光束会产生3λ/4的光程差，见图2。研究表明在正弦曲线上升段的中间区域电压随时间近似于线性上升，步骤4)中采集的四幅散斑图像两两之间的相位差就正好为π/2，表示如下；

其中，I₀为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，

为散斑图的随机相位值。

6)根据步骤5)连续采集并保存被测物体变形过程中的序列散斑图像{[I_A0，I_B0，I_C0，I_D0]；[I_A1，I_B1，I_C1，I_D1]…[I_Ai，I_Bi，I_Ci，I_Di](i＝0，1，2...)}。

后续每个相移周期(10ms)内可计算出对应物体变形的相位

(i＝1，2，3……)，表示如下：

8)根据步骤7)中计算的初始相位

和

进而可根据

精确求解被测物体变形前后的离面位移导数。图3为橡胶金属粘接结构由于变形引起的离面位移导数对应的相位差图像。

与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：

首先，该系统可在工程现场进行电子散斑干涉动态位移或位移导数的精密测量；

虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。