CN112881297B - 一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/1702—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with opto-acoustic detection, e.g. for gases or analysing solids

Abstract

本发明公开了一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法。本系统包括脉冲激光源、探测激光源、两个凹透镜、两个凸透镜、四个平面反射镜、分束器、CCD相机、波束组合器、物镜和分色镜。本发明方法先利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，从而引起待测物体表面的形变位移扰动，然后以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，最后基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建，从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，从而为文物亚表面缺陷的检测提供一种新型原位无损非接触检测方案。

Description

一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法，应用于光学测量技术领域，尤其涉及文物的亚表面缺陷成像检测领域。
背景技术
文物表面之下一定深度范围的亚表面缺陷是引起文物潜在损伤风险的重要影响因素，此外多数文物均处于自然环境或不可触碰状态，因此为实现文物的监测与修复，对文物进行亚表面缺陷的原位、非接触、无损检测是非常迫切的需求。
对于文物亚表面缺陷的无损检测，由于文物的多样性，研究人员提出了很多测量方法，如超声波检测法、光学相干层析检测法、计算机断层扫描法、非线性光学检测法、X射线探测法、热成像法等等，从不同的技术角度对适合的文物进行检测，但对于原位检测的应用需求而言，存在一定的局限性，如对于文物表面及材质具有选择性，或动态性不足，或不适宜野外作业，或高分辨率下无法实现较大面积全场探测等。
在工业光学检测领域，以激光散斑干涉技术为代表的光学干涉测量方法，具有高灵敏性、全场性、无材质选择性，并可以对文物进行远距离的安全性检测。在文物内部缺陷检测，特别是原位检测中发挥了重要作用，但目前只能定性地分析亚表面缺陷的存在性，还无法实现文物内部深层结构缺陷的定量定位，而且易出现监测“盲区”，这个不足大大限制了这类技术的优点和应用范围。
光声成像技术是近年来迅速发展起来的一种基于光声效应的新型非入侵式无损成像检测方法。由于组织材料对穿透进来的光束具有强烈的散射作用，导致包括光学相干层析成像等在内的绝大多数纯光学成像的成像目标限制在物体的表层，此外超声波的强穿透性带来成像深度增加的同时却无法兼顾图像对比度，而光声成像技术有效避开了以上两种成像方式的短板，这种能够对分子和功能进行成像的方法结合了光学和超声成像的特点，兼备高空间分辨率和深穿透深度的优势。光声成像方法的主要优点在于该技术能够在混浊介质中提供光学吸收对比度，同时保持较高的时空分辨率，并可以根据超声波的检测带宽来调整成像深度和分辨空间细节之间的关系，探测深度甚至可以突破厘米级。
由于文物的珍贵性和脆弱性以及文物需要隔离保护的非接触性特点，若是不加以改进就直接用于文物检测则无法保证通用性、有效性和安全性。因为超声信号的检测需要将超声换能器与待测样本用耦合剂进行耦合来采集信号，也就是需要传感器与文物进行接触，而绝大部分文物在测量完各项数据以及安全性分析之前都不能进行外部触碰和涂抹耦合剂，所以传统的光声成像技术在文物检测的应用上也有其局限性。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法，实现复杂环境下的文物亚表面缺陷检测，特别是实现对内部缺陷的原位、非接触、无损检测，本发明基于光声互耦技术提出一种散斑干涉的亚表面缺陷原位检测方法，利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建，从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，从而为文物亚表面缺陷的检测提供一种新型原位无损检测方案。所提出方法的光声耦合是双向耦合，即脉冲激光与超声波的耦合、超声波产生应变与连续激光的耦合。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统，包括脉冲激光源、凹透镜甲、凸透镜甲、平面反射镜甲、平面反射镜乙、分束器、凸透镜乙、凹透镜乙、探测激光源、平面反射镜丙、平面反射镜丁、CCD相机、波束组合器、物镜、分色镜；所述脉冲激光源向南发射光束光路经凹透镜甲和凸透镜甲后照射在一个与该光路成45°角安置的分色镜的左侧向西光路上安置待测样本，而右侧东向光路上经物镜和波束组合器后照射到CCD相机；所述探测激光源向西发射光束的光路；经凹透镜和凸透镜到达分束器，分束器的北向光束经相互平行安置的平面反射镜和平面反射镜而向北照射到波束组合器，而分束器向西光束经相互平行安置的平面反射镜乙和平面反射镜甲后照射到待测样本。
一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测方法，采用本发明基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统进行操作，操作步骤如下：
步骤1：将散斑干涉检测系统设置在阻尼光学平台上；
步骤2：开启阻尼光学平台的气浮减振系统、脉冲激光源和探测激光源；
步骤3：调整脉冲激光源的脉冲激光束参数，使得入射脉冲的持续时间要小于待测样本内部结构吸收能量后的热扩散时间，也即使得脉冲激光器的脉宽保持在10ns，同时保证单束脉冲能量值不超过破坏待测样本结构的最大极限值，最后设定好脉冲激光源的脉冲重复频率以匹配采样速率；
步骤4：调整位于脉冲激光源出射光束前面的凹透镜甲和凸透镜甲的位置和高度，使得经过扩束后准直平行的激光束能够经分色镜反射后入射到待测样本的表面；
步骤5：完成步骤4后，立即使用一块激光挡板暂时挡住从脉冲激光源所发出的激光束，也即让待测样本不要受到脉冲激励，暂时保持在未被激励的原始状态，并且一直保持该状态直到进行到步骤12的操作，即使在步骤4搭建脉冲激励光路时待测样本被激励，后续步骤6到步骤11的操作时间也足够待测样本恢复到未被激励的原始状态；
步骤6：调整好探测激光源的激光束出射位置，以及凹透镜乙和凸透镜乙的位置和高度，使得从探测激光源发出的激光束经扩束后准直平行穿过分束器；
步骤7：步骤5中所述的探测激光束被分束器分成两束激光，将其中一束激光作为物光，通过平面反射镜甲和平面反射镜乙的多次反射传输，并以入射角度θ直接照射到待测样本的表面上，并在待测物体表面发生散射，散射后物光传输经过物镜和波束组合器后形成的客观散斑成像在CCD相机的感光平面上；
步骤8：根据离面形变散斑测量的原理可知，光程差与相位变化
Figure BDA0002915576280000031
之间的关系为：
Figure BDA0002915576280000032
其中，Δs为待测样本的离面位移形变值，即沿着光轴方向的变形值，v为垂直于光轴方向的待测样本表面的面内位移形变值，λ为所用测量激光的波长；因为采用散斑干涉测量中的物体离面形变测量法，并且为了获得待测样本的离面位移形变值Δs，从而在物光入射角度θ等于0°时，求解得到光程差与相位变化
Figure BDA0002915576280000033
之间的关系式为：
Figure BDA0002915576280000034
于是在本步骤中需调节好平面反射镜甲和平面反射镜乙的位置，将步骤7中所述的入射角度θ调整为接近0°，以使得物光的入射方向能够与散射至CCD相机的传输方向近似平行，即物光能够垂直入射到待测样本表面，能够使得光程差Δl等于2倍的离面位移变形Δs；
步骤9：将步骤7中所述的分束器分离出的两束激光中的另一束激光作为参考光，通过平面反射镜丙和平面反射镜丁的多次反射调节传输光路，并经波束组合器入射到CCD相机的感光平面上，同时调整并设定好该束参考光的光程，使得步骤6中所述从待测样本的表面散射至物镜的物光能够和本步骤中所述的参考光同时传播至波束组合器，进而在CCD相机的靶面上相遇并发生干涉，产生散斑干涉图样；
步骤10：调整好CCD相机的位置和角度，使其能够对物光和参考光发生干涉后形成的散斑图进行精确以及稳定的采集和记录，并连接好图像采集卡以实现A/D转换，再经图像采集卡自带的数据连接线进行传输，从而可以将数字图像信号存储在计算机中；
步骤11：由于之前的步骤5操作，待测样本仍然处在未被激发的原始状态，因此在完成步骤10中CCD相机的位置调整后，就记录下CCD相机采集到的待测样本未被激发时原始状态下表面的光强分布；
步骤12：撤去步骤5中所述的激光挡板，采用一次光脉冲激发、二次等间隔激光散斑图像记录的时序匹配方法记录下光强分布，并且在每个激发脉冲之前和之后，待测样本表面的散斑干涉图都需要分别记录下来；
步骤13：在上述步骤12中获得按时序记录采集好的待测样本表面的光强分布后，进而通过空间相移法求解出每一束激发脉冲激励待测样本后表面每个位置处所产生的相位变化
Figure BDA0002915576280000041
的包裹相位，该相位变化
Figure BDA0002915576280000042
是由于待测样本内部产生的超声波传播至表面引起了表面形变扰动所导致的；
步骤14：通过相位解包裹算法求解出真实的相位变化
Figure BDA0002915576280000043
在所述步骤13中，在得到相位变化
Figure BDA0002915576280000044
后，通过步骤8中所述公式(9)即求解出每一束激发脉冲激励待测样本后表面每个位置处所产生的形变位移Δs，即：
Figure BDA0002915576280000045
在所述步骤14中，由于待测样本内部的缺陷部分与周围的正常部分相比，所产生的超声波的振幅及频率特性会区别于后者产生的超声波特性，这种区别也会体现在表面的形变位移图上，进而通过重建算法以及超声波在待测样本内的传播速度可以重建出内部声源的位置和深度，也即重建出待测样本亚表面处的缺陷的位置和深度，从而实现对文物的亚表面缺陷无损成像检测。
优选地，本发明基于光声互耦技术的新型散斑干涉检测方法，使用连续激光作为探测光源辐照待测物体表面，同时该束激光被分成两束激光，一束激光作为物光波光直接照射到待测物体表面，另一束激光作为参考光，即在散斑场中引入参考光，使散斑场与参考光发生干涉；本发明使用脉冲激光作为激发光源辐照待测物体表面，该脉冲激光束在待测物体内部发生散射并与物体内部组织发生相互作用而被吸收，从而待测物的内部组织由于受到脉冲激光束能量的热激励而产生超声波并向四周扩散出去；本发明使用CCD相机记录由参考光与从待测物体粗糙表面反射回来的物光干涉形成的散斑图案，并对时域散斑图进行连续采样；本发明采用时序匹配记录方法对散斑图进行解析，从中提取不断变化的面形，通过重建算法反演定位出待测物体内部的缺陷信息，实现层析重建。
优选地，本发明从光声耦合诱导文物亚表面缺陷信息到表面的传播过程中，获得典型结构缺陷基于超声传导原理在脉冲激励下的力学特性，并获得在表面上所表现的时-空力学特性表征，建立结构缺陷特征与超声传导到表面所引起的面形变化分布之间的关系模型；建立并求解超声信号在文物内部传播的传输方程和衰减方程，然后基于数字散斑干涉测量原理将缺陷信息通过超声传导载波到表面散斑干涉场的变形相位中。
优选地，本发明在亚表面缺陷载波信号的采样与记录上，采用一次光脉冲激发、二次等间隔激光散斑图像记录的时序匹配方法，通过散斑图干涉技术获得高速记录下各层的位相分布；同时根据声波在物体中的传播速度和层析分辨率，计算出散斑干涉系统中光电探测器的开关时间和采集时序，并基于压缩传感反演方法实现信息层析重建。
优选地，本发明的调Q脉冲激光器采用AO-U-532型脉冲激光器。
优选地，本发明的CCD相机采用DFK37AUX273型号及其配套数据连接线。
优选地，本发明的半导体CW激光器采用MGL-III-532型CW激光器。
本发明原理：
当脉冲激光激励作用于物体时，由于光声效应，物体内部吸收体会吸收散射传播而来的光子能量从而产生超声波，由于超声波扩散传播至物体表面，使得内部吸收体与不接触的表面能够相互作用而引起表面变形。如果物体内部由于缺陷导致材料成份不均匀，则内部缺陷处所吸收的光子能量会与周围均匀成份也即背景成份所吸收的能量有所不同，进而产生不同特性的超声波，而该束超声波所引起的表面局部变形就会与周围变形量有所区分开来，因此可以通过本项目所提出的激光散斑干涉非接触检测方法来测量这种表面位移变形，最后通过分析物体表面面形的变化，可以间接的获取到文物内部缺陷的信息。
激励诱导产生光声信号的物理过程可以描述为光吸收体的热膨胀过程。短脉冲激光照射到被测样本时，一部分光能量被物体内部吸收体吸收转化为热能量，而所选用的激光脉宽非常短，一般为10ns左右，其峰值功率很高，单束激光脉冲的能量平均可达到50mJ左右，因此在满足激光脉冲的持续时间远远小于样本内部吸收体中沉积能量的热扩散时间的条件下，热散射效应可以忽略，从而内部吸收体绝热膨胀，产生超声波。总体过程包括待测样本内部的吸收体吸收光能量→吸收体绝热膨胀→热膨胀产生光声信号。在这个过程中，材料的光吸收系数、热传导系数、弹性系数和热膨胀系数等对激发的光声信号有一定影响。
当被测样本吸收电磁辐射能量之后，被吸收的能量可以转化为热能并致使物体内部温度的上升；与此同时，温度的上升将导致热膨胀及物体内声压的产生。当然，持续的热膨胀并不会激发声波，因此辐射源应当是时变信号。通常用来激发光声信号的电磁波有两种类型：一种是脉冲电磁信号，另一种是强度受周期调制的连续电磁波。虽然两种信号源都可以激发光声信号，但是目前来看，大多数的应用场合使用的是脉冲电磁信号，这是因为光声信号与照射电磁波时域函数的导数呈正比，故使用脉冲电磁信号作为激发源的系统可获得更大的信噪比。
与电磁波相反，物体内部所激发的压力波可以穿透样本材料向声源周围传播，其折射和散射相比于激光要低得多，并且可以在样本的表面被检测到。进而通过层析成像，可以进行三维重建吸收结构的位置和形状。对于超声波的检测，有两种方法。一种是传统的光声成像所采用的使用压电换能器直接检测物体表面上所传导出来的超声波，需要用于阻抗匹配的声接触和使用超声耦合剂。另一种方法是测量由内部声源处传播而来的压力波与待测样本表面的相互作用引起的表面变形，即一种干涉非接触检测方法。由于文物的珍贵性和脆弱性，本发明则是基于散斑干涉的原理采用非接触的方法来间接检测超声波。
本发明所采用的散斑检测技术的关键系统框架是由参考光和物光这两束光所构成的，由光源发出的一束激光会被分束镜分成两束激光，其中一束激光直接照射到待检测目标物体上，在其粗糙表面上被反射，并经光束传导，最后被CCD相机接收，这束光波即为物光波，其复振幅为：
Figure BDA0002915576280000061
其中AO(x，y；t)为物光波振幅,
Figure BDA0002915576280000062
为物光波相位。
另外一束经光束传导直接被CCD相机接收的光束即为参考光波，其复振幅为：
Figure BDA0002915576280000063
其中AR(x，y；t)为参考光波振幅,
Figure BDA0002915576280000064
为参考光波相位。
物光波与参考光波在光路系统中经光束传导后，会在CCD相机接收靶面上相互叠加形成散斑图，并且合成后的光强为：
I1(x，y；t)＝|AO(x，y；t)+AR(x，y；t)|2 (3)
经数学推导可进一步得光强I1(x，y，t)为：
Figure BDA0002915576280000065
其中AO 2(x，y；t)+AR 2(x，y；t)表示背景强度，AO(x，y；t)AR(x，y；t)所代表的含义是调制强度，而
Figure BDA0002915576280000071
则表示随机散斑场的相位差。
经过脉冲激光器的辐照后，待测物体内部由于吸收激光能量而产生向四周扩散的超声波，当超声波由内向外传播至待测物体表面引起表面位移形变后，表面各点的物光波振幅AO(x，y；t)基本不变，而相位
Figure BDA0002915576280000072
将变为
Figure BDA0002915576280000073
即
Figure BDA0002915576280000074
同时，参考光波振幅AR(x，y；t)和相位
Figure BDA0002915576280000075
依旧保持不变，则待测物体表面产生位移形变后的合成光强为：
Figure BDA0002915576280000076
本发明采用数字散斑干涉测量中的物体离面形变测量法，当待测物体表面某点(x，y)由于内部传播而来的超声波的扰动而产生微小的离面位移变形Δs后，则所引起的相位变化
Figure BDA0002915576280000077
与由离面位移变形Δs所引起的光程差Δl之间的关系为：
Figure BDA0002915576280000078
式子中的λ为所用测量激光的波长，然后通过空间相移法来求解出
Figure BDA0002915576280000079
进而求解出Δl，再利用Δl与Δs的几何关系可以得到离面位移变形Δs，后面接着利用采集到的数据进行计算以及通过相应算法，可以求解出与待测物体表面面形及位移变形信息相关的连续相位分布情况和变化特征，并对由光声诱导激发待测物体表面产生位移变形前后的表面面形特征变化进行对比分析，从而定位出位于待测物体亚表面处缺陷的位置，再通过后续重建算法实现缺陷的层析成像。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.与电磁波相比，本发明激励诱导产生的超声波在物体内部传播时，其折射和散射要低得多，并且在物体的表面产生含有内部信息的位移变形；激光散斑干涉技术能获得物体受到激励后的在时间轴上的连续物面变化信息；
2.本发明以激光散斑耦合超声信息的方法，克服了光声成像方法中需要涂抹耦合剂或需要近距离探测的问题，解决了文物安全性探测的问题；
3.本发明具有散斑干涉测量的全场性、无材质选择性等特点；
4.本发明通过测量方法得到的是结构或缺陷等在表面的间接反映，如果存在结构差异或缺陷，即使很细微的差别，在变形条纹图上是有较明显的反应，因为条纹间距对应的变化量级是1/2波长，如果532nm的绿激光为光源时，并考虑系统的位相分辨率，变化的分辨可达到nm级别。所以当光激发适当时，很小尺度，如微米量级的缺陷在变形图上的变形条纹拓展可以占据多个像素，是空间可分辨的，因此理论上是可以探测到微米尺度的微小结构的。
附图说明
图1是本发明所提出的基于光声互耦技术的新型散斑干涉检测方法的结构示意图。
图2是本发明测量过程中待测样本收到脉冲激励前的物光波光程差与待测样本表面发生位移形变后的光程差之间的关系示意图。
图3是本发明所用方法的测量机理示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统，包括脉冲激光源1、凹透镜甲2、凸透镜甲3、平面反射镜甲5、平面反射镜乙6、分束器7、凸透镜乙8、凹透镜乙9、探测激光源10、平面反射镜丙11、平面反射镜丁12、CCD相机13、波束组合器14、物镜15、分色镜16；所述脉冲激光源1向南发射光束光路经凹透镜甲2和凸透镜甲3后照射在一个与该光路成45°角安置的分色镜16的左侧向西光路上安置待测样本4，而右侧东向光路上经物镜15和波束组合器14后照射到CCD相机13；所述探测激光源10向西发射光束的光路；经凹透镜9和凸透镜8到达分束器7，分束器7的北向光束经相互平行安置的平面反射镜11和平面反射镜12而向北照射到波束组合器14，而分束器7向西光束经相互平行安置的平面反射镜乙6和平面反射镜甲5后照射到待测样本4。
本实施例系统包括脉冲激光源、探测激光源、两个凹透镜、两个凸透镜、四个平面反射镜、分束器、CCD相机、波束组合器、物镜和分色镜。本发明方法先利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，从而引起待测物体表面的形变位移扰动，然后以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，最后基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建，从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，从而为文物亚表面缺陷的检测提供一种新型原位无损非接触检测方案。本实施例系统能实现复杂环境下的文物亚表面缺陷检测，特别是实现对内部缺陷的原位、非接触、无损检测。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测方法，采用实施例一所述的基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统进行操作，操作步骤如下：
步骤1：将散斑干涉检测系统设置在阻尼光学平台上；本步骤将实施例一所有仪器和器件以及待测样本按照附图1所示放置于阻尼光学平台系统上，同时初步搭好该测量系统的光路；
步骤2：开启阻尼光学平台的气浮减振系统、脉冲激光源1和探测激光源10；
步骤3：调整脉冲激光源1的脉冲激光束参数，使得入射脉冲的持续时间小于待测样本内部结构吸收能量后的热扩散时间，也即使得脉冲激光器的脉宽保持在10ns，同时保证单束脉冲能量值不超过破坏待测样本结构的最大极限值，最后设定好脉冲激光源1的脉冲重复频率以匹配采样速率；
步骤4：调整位于脉冲激光源1出射光束前面的凹透镜甲2和凸透镜甲3的位置和高度，使得经过扩束后准直平行的激光束能够经分色镜16反射后入射到待测样本4的表面；
步骤5：完成步骤4后，立即使用一块激光挡板暂时挡住从脉冲激光源1所发出的激光束，也即让待测样本4不要受到脉冲激励，暂时保持在未被激励的原始状态，并且一直保持该状态直到进行到步骤12的操作，即使在步骤4搭建脉冲激励光路时待测样本4被激励，后续步骤6到步骤11的操作时间也足够待测样本4恢复到未被激励的原始状态；
步骤6：调整好探测激光源10的激光束出射位置，以及凹透镜乙9和凸透镜乙8的位置和高度，使得从探测激光源10发出的激光束经扩束后准直平行穿过分束器7；
步骤7：步骤5中所述的探测激光束被分束器7分成两束激光，将其中一束激光作为物光，通过平面反射镜甲5和平面反射镜乙6的多次反射传输，并以入射角度θ直接照射到待测样本4的表面上，并在待测物体4表面发生散射，散射后物光传输经过物镜15和波束组合器14后形成的客观散斑成像在CCD相机13的感光平面上；
步骤8：根据离面形变散斑测量的原理可知，光程差与相位变化
Figure BDA0002915576280000091
之间的关系为：
Figure BDA0002915576280000092
其中，Δs为待测样本4的离面位移形变值，即沿着光轴方向的变形值，v为垂直于光轴方向的待测样本表面的面内位移形变值，λ为所用测量激光的波长；因为采用散斑干涉测量中的物体离面形变测量法，并且为了获得待测样本4的离面位移形变值Δs，从而在物光入射角度θ等于0°时，求解得到光程差与相位变化
Figure BDA0002915576280000101
之间的关系式为：
Figure BDA0002915576280000102
于是在本步骤中需调节好平面反射镜甲5和平面反射镜乙6的位置，将步骤7中所述的入射角度θ调整为接近0°，以使得物光的入射方向能够与散射至CCD相机13的传输方向近似平行，即物光能够垂直入射到待测样本4表面，能够使得光程差Δl等于2倍的离面位移变形Δs；
步骤9：将步骤7中所述的分束器7分离出的两束激光中的另一束激光作为参考光，通过平面反射镜丙11和平面反射镜丁12的多次反射调节传输光路，并经波束组合器14入射到CCD相机13的感光平面上，同时调整并设定好该束参考光的光程，使得步骤6中所述从待测样本4的表面散射至物镜15的物光能够和本步骤中所述的参考光同时传播至波束组合器13，进而在CCD相机13的靶面上相遇并发生干涉，产生散斑干涉图样；
步骤10：调整好CCD相机13的位置和角度，使其能够对物光和参考光发生干涉后形成的散斑图进行精确以及稳定的采集和记录，并连接好图像采集卡以实现A/D转换，再经图像采集卡自带的数据连接线进行传输，从而可以将数字图像信号存储在计算机中；
步骤11：由于之前的步骤5操作，待测样本4仍然处在未被激发的原始状态，因此在完成步骤10中CCD相机13的位置调整后，就记录下CCD相机13采集到的待测样本4未被激发时原始状态下表面的光强分布；
步骤12：撤去步骤5中所述的激光挡板，采用一次光脉冲激发、二次等间隔激光散斑图像记录的时序匹配方法记录下光强分布，并且在每个激发脉冲之前和之后，待测样本表面4的散斑干涉图都需要分别记录下来；
步骤13：在上述步骤12中获得按时序记录采集好的待测样本表面的光强分布后，进而通过空间相移法求解出每一束激发脉冲激励待测样本4后表面每个位置处所产生的相位变化
Figure BDA0002915576280000103
的包裹相位，该相位变化
Figure BDA0002915576280000104
是由于待测样本内部产生的超声波传播至表面引起了表面形变扰动所导致的；
步骤14：通过相位解包裹算法求解出真实的相位变化
Figure BDA0002915576280000105
在所述步骤13中，在得到相位变化
Figure BDA0002915576280000106
后，通过步骤8中所述公式9即求解出每一束激发脉冲激励待测样本4后表面每个位置处所产生的形变位移Δs，即：
Figure BDA0002915576280000111
在所述步骤14中，由于待测样本4内部的缺陷部分与周围的正常部分相比，所产生的超声波的振幅及频率特性会区别于后者产生的超声波特性，这种区别也会体现在表面的形变位移图上，进而通过重建算法以及超声波在待测样本4内的传播速度可以重建出内部声源的位置和深度，也即重建出待测样本4亚表面处的缺陷的位置和深度，从而实现对文物的亚表面缺陷无损成像检测。
本实施例方法实现复杂环境下的文物亚表面缺陷检测，特别是实现对内部缺陷的原位、非接触、无损检测，本实施例基于光声互耦技术提出一种散斑干涉的亚表面缺陷原位检测方法，利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建，从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，从而为文物亚表面缺陷的检测提供一种新型原位无损检测方案。所提出方法的光声耦合是双向耦合，即脉冲激光与超声波的耦合、超声波产生应变与连续激光的耦合。本实施例方法先利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，从而引起待测物体表面的形变位移扰动，然后以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，最后基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建，从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，从而为文物亚表面缺陷的检测提供一种新型原位无损非接触检测方案。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统，包括脉冲激光源(1)、凹透镜甲(2)、凸透镜甲(3)、平面反射镜甲(5)、平面反射镜乙(6)、分束器(7)、凸透镜乙(8)、凹透镜乙(9)、探测激光源(10)、平面反射镜丙(11)、平面反射镜丁(12)、CCD相机(13)、波束组合器(14)、物镜(15)、分色镜(16)，其特征在于：所述脉冲激光源(1)向南发射光束光路经凹透镜甲(2)和凸透镜甲(3)后照射在一个与该光路成45°角安置的分色镜(16)的左侧向西光路上安置待测样本(4)，而右侧东向光路上经物镜(15)和波束组合器(14)后照射到CCD相机(13)；所述探测激光源(10)向西发射光束的光路；经凹透镜(9)和凸透镜(8)到达分束器(7)，分束器(7)的北向光束经相互平行安置的平面反射镜(11)和平面反射镜(12)而向北照射到波束组合器(14)，而分束器(7)向西光束经相互平行安置的平面反射镜乙(6)和平面反射镜甲(5)后照射到待测样本(4)；利用所述基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统实施散斑干涉的亚表面缺陷原位检测方法，利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，然后基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建。
2.一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测方法，采用根据权利要求1所述的基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统进行操作，其特征在于，操作步骤如下：
步骤1：将散斑干涉检测系统设置在阻尼光学平台上；
步骤2：开启阻尼光学平台的气浮减振系统、脉冲激光源(1)和探测激光源(10)；
步骤3：调整脉冲激光源(1)的脉冲激光束参数，使得入射脉冲的持续时间要小于待测样本内部结构吸收能量后的热扩散时间，也即使得脉冲激光器的脉宽保持在10ns，同时保证单束脉冲能量值不超过破坏待测样本结构的最大极限值，最后设定好脉冲激光源(1)的脉冲重复频率以匹配采样速率；
步骤4：调整位于脉冲激光源(1)出射光束前面的凹透镜甲(2)和凸透镜甲(3)的位置和高度，使得经过扩束后准直平行的激光束能够经分色镜(16)反射后入射到待测样本(4)的表面；
步骤5：完成步骤4后，立即使用一块激光挡板暂时挡住从脉冲激光源(1)所发出的激光束，也即让待测样本(4)不要受到脉冲激励，暂时保持在未被激励的原始状态，并且一直保持该状态直到进行到步骤12的操作，即使在步骤4搭建脉冲激励光路时待测样本(4)被激励，后续步骤6到步骤11的操作时间也足够待测样本(4)恢复到未被激励的原始状态；
步骤6：调整好探测激光源(10)的探测激光束的出射位置，以及凹透镜乙(9)和凸透镜乙(8)的位置和高度，使得从探测激光源(10)发出的探测激光束经扩束后准直平行穿过分束器(7)；
步骤7：步骤6中所述的探测激光束被分束器(7)分成两束激光，将其中一束激光作为物光，通过平面反射镜甲(5)和平面反射镜乙(6)的多次反射传输，并以入射角度θ直接照射到待测样本(4)的表面上，并在待测物体(4)表面发生散射，散射后物光传输经过物镜(15)和波束组合器(14)后形成的客观散斑成像在CCD相机(13)的感光平面上；
步骤8：根据离面形变散斑测量的原理可知，光程差与相位变化
Figure FDA0003809291520000021
之间的关系为：
Figure FDA0003809291520000022
其中，Δs为待测样本(4)的离面位移形变值，即沿着光轴方向的变形值，v为垂直于光轴方向的待测样本表面的面内位移形变值，λ为所用测量激光的波长；因为采用散斑干涉测量中的物体离面形变测量法，并且为了获得待测样本(4)的离面位移形变值Δs，从而在物光入射角度θ等于0°时，求解得到光程差与相位变化
Figure FDA0003809291520000023
之间的关系式为：
Figure FDA0003809291520000024
于是在本步骤中需调节好平面反射镜甲(5)和平面反射镜乙(6)的位置，将步骤7中所述的入射角度θ调整为接近0°，以使得物光的入射方向能够与散射至CCD相机(13)的传输方向近似平行，即物光能够垂直入射到待测样本(4)表面，能够使得光程差Δl等于2倍的离面位移变形Δs；
步骤9：将步骤7中所述的分束器(7)分离出的两束激光中的另一束激光作为参考光，通过平面反射镜丙(11)和平面反射镜丁(12)的多次反射调节传输光路，并经波束组合器(14)入射到CCD相机(13)的感光平面上，同时调整并设定好该束参考光的光程，使得步骤7中所述从待测样本(4)的表面散射至物镜(15)的物光能够和本步骤中所述的参考光同时传播至波束组合器(13)，进而在CCD相机(13)的靶面上相遇并发生干涉，产生散斑干涉图样；
步骤10：调整好CCD相机(13)的位置和角度，使其能够对物光和参考光发生干涉后形成的散斑图进行精确以及稳定的采集和记录，并连接好图像采集卡以实现A/D转换，再经图像采集卡自带的数据连接线进行传输，从而将数字图像信号存储在计算机中；
步骤11：由于之前的步骤5操作，待测样本(4)仍然处在未被激发的原始状态，因此在完成步骤10中CCD相机(13)的位置调整后，就记录下CCD相机(13)采集到的待测样本(4)未被激发时原始状态下表面的光强分布；
步骤12：撤去步骤5中所述的激光挡板，采用一次光脉冲激发、二次等间隔激光散斑图像记录的时序匹配方法记录下光强分布，并且在每个激发脉冲之前和之后，待测样本表面(4)的散斑干涉图都需要分别记录下来；
步骤13：在上述步骤12中获得按时序记录采集好的待测样本表面的光强分布后，进而通过空间相移法求解出每一束激发脉冲激励待测样本(4)后表面每个位置处所产生的相位变化
Figure FDA0003809291520000031
的包裹相位，该相位变化
Figure FDA0003809291520000032
是由于待测样本内部产生的超声波传播至表面引起了表面形变扰动所导致的；
步骤14：通过相位解包裹算法求解出真实的相位变化
Figure FDA0003809291520000033
在所述步骤13中，在得到相位变化
Figure FDA0003809291520000034
后，通过步骤8中所述公式(9)即求解出每一束激发脉冲激励待测样本(4)后表面每个位置处所产生的形变位移Δs，即：
Figure FDA0003809291520000035
在所述步骤14中，由于待测样本(4)内部的缺陷部分与周围的正常部分相比，所产生的超声波的振幅及频率特性会区别于后者产生的超声波特性，这种区别也会体现在表面的形变位移图上，进而通过重建算法以及超声波在待测样本(4)内的传播速度重建出内部声源的位置和深度，也即重建出待测样本(4)亚表面处的缺陷的位置和深度，从而实现对文物的亚表面缺陷无损成像检测。
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