CN113237430A - 一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统及测量方法 - Google Patents
一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统及测量方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统及测量方法,首先采用三种不同波长的激光器作为照明光源,三种光源分别经扩束镜同步照射到被测物表面上形成漫反射光;然后三种不同波长的漫反射光在分光棱镜中按5:5比例分成两束,两束反射光经平面镜、光阑、透镜在分光棱镜处形成干涉,利用彩色相机同步采集三通道剪切散斑干涉图;最后对剪切散斑干涉图进行傅里叶变换和反正切提取相位,然后对热加载前后的相位进行相减获得被测物多维应变信息。本发明只需加载前后各采集一幅图片就可实现多维应变同步测量,减小了环境扰动所产生的影响。
Description
技术领域
本发明属于激光无损检测和光学图像处理技术领域,尤其涉及一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统及测量方法,尤其适用于航空、航天、船舶、汽车等领域的薄壁结构件近表面缺陷的无损检测。
背景技术
薄壁结构件由于质量轻、耐冲击、高强度等优点广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等行业,例如飞机机翼、航天器中的太阳能帆板、汽车车轮、薄壁箱梁等。薄壁结构件在加工和服役过程中会产生裂纹、变形、应变、冲击损伤等缺陷,这些缺陷尺寸达到某一量值时,会导致构件性能显著下降,造成严重事故。为了减少损失,避免悲剧发生,保障薄壁构件服役安全性和可靠性,开展对薄壁构件服役安全性检测、预警、评估具有重要意义。
数字剪切散斑干涉技术是一种非接触式光学测量技术,能够对薄壁结构件的形变、疲劳裂纹、冲击损伤等缺陷进行检测,具有非接触、高效、快速、全场测量等优点。采用剪切散斑干涉技术对薄壁结构件进行无损检测过程中,薄壁结构件的缺陷在加载后会产生多维应变有必要对薄壁结构件进行多维应变同步测量,获取多维应变信息。常用的迈克尔逊剪切系统和马赫曾德剪切系统只能一维应变测量。为了避免漏检,采用单方向的剪切散斑干涉技术进行多次测量,然而多次测量过程中缺陷的应变难以保持一致。基于空间载波的双方向剪切散斑干涉系统(Wang Y,Gao X,Xie X,et al.Simultaneous dual directionalstrain measurement using spatial phase-shift digital shearography[J].Opticsand Lasers in Engineering,2016,87:197-203.),利用双方向的剪切量同时获取多维变形信息,然而该装置光学结构复杂程度高,且单次测量范围有限。基于迈克尔逊的双波长剪切散斑干涉系统(吴敏杨,马银行,程昊,等.基于彩色相机的双波长剪切散斑干涉法同步测量面内外位移导数[J].光学学报,2020,40(18):1812002.),实现悬臂铝梁面内和面外缺陷同步测量,然而该装置不具备动态测量功能。
发明内容
本发明针对现有剪切散斑干涉系统单次测量范围有限、不具备动态测量功能的问题,提出一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统及测量方法,以实现被测物三维应变同步测量,使系统具有动态测量功能、且能增大单次测量范围。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统,包括被测物,还包括:第一激光器,第二激光器,第三激光器,第一分光棱镜,第二分光棱镜,第一平面镜,第二平面镜,第一光阑,第二光阑,第一透镜,第二透镜,及包含红、黄、蓝三通道的彩色相机;其中,第一激光器、第二激光器、第三激光器分别对应发出红、黄、蓝三种光;第一激光器、第二激光器、第三激光器发出的光同步照射到被测物上,形成三种漫反射光;所述第一分光棱镜位于被测物正下方,将三种漫反射光按5:5比例分成平行于被测物的第一束漫反射光和垂直于被测物的第二束漫反射光;第一束漫反射光经第一平面镜、第一光阑、第一透镜形成第一束光,第二束漫反射光经第二平面镜、第二光阑、第二透镜形成第二束光;第一束与第二束光在第二分光棱镜形成干涉,利用彩色相机采集剪切散斑干涉图,获得被测物多维应变剪切散斑图。
一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,包括:
步骤1:利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载前被测物的剪切散斑干涉图;
步骤2:对热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换,分别计算热加载前三种不同波长的空间频谱;
步骤3:对所述空间频谱进行处理获取高频分量,分别对高频分量进行反傅里叶变换获得包含多维应变信息的热加载前测物的相位;
步骤4:对被测物进行热加载,使被测物在热加载后发生变形,利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载后被测物的剪切散斑干涉图;按照步骤2至步骤3方式对热加载后被测物的剪切散斑干涉图进行处理,得到热加载后被测物的相位;
步骤5:根据热加载前、后被测物的相位得出相位差,通过相位差获得被测物的多维应变信息,从而实现被测物多维应变同步测量。
进一步地,所述步骤1包括:
采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图定义如下:
I(x,y)=(u11+u12)·(u11 *+u12 *)+(u21+u22)·(u21 *+u22 *)+(u31+u32)·(u31 *+u32 *)
式中:I(x,y)为热加载前被测物的剪切散斑干涉图,x为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的横坐标,y为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的纵坐标;u11和u12分别为彩色相机R通道采集的红色物光和参考光;u21和u22分别为彩色相机G通道采集的绿色物光和参考光;u31和u32分别为彩色相机B通道采集的蓝色物光和参考光;u*与u互为共轭。
进一步地,所述步骤2包括:
步骤2.1:对采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换:
F(I)=FR+FG+FB
FR=F[(u11+u12)·(u11 *+u12 *)]
FG=F[(u21+u22)·(u21 *+u22 *)]
FB=F[(u31+u32)·(u31 *+u32 *)]
式中:F[·]为傅里叶变换,FR为彩色相机R通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FG为彩色相机G通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FB为彩色相机B通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;
步骤2.2:计算傅里叶变换后的剪切散斑图的空间频谱:
U=F(u)
式中:U为不同通道物光和参考光的傅里叶变换;U11和U12分别为u11和u12的傅里叶变换,U21和U22分别为u21和u22的傅里叶变换,U31和U32分别为u31和u32的傅里叶变换;表示卷积运算;FR为彩色相机R通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FG为彩色相机G通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FB为彩色相机B通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换。
进一步地,所述步骤3包括:
步骤3.1:分析空间频谱:
步骤3.2:利用载波提取空间频谱的高频分量:
式中:FR1、FG1、FB1分别为R、G、B三个通道采集的包含相位信息的高频分量;
步骤3.3:对提取的高频谱分量进行反傅里叶变换:
IR1=F-1[FR1]
IG1=F-1[FG1]
IB1=F-1[FB1]
式中:IR1、IG1、IB1分别为R、G、B三个通道提取的高频谱分量的反傅里叶变换;F-1[]表示反傅里叶变换;
步骤3.4:利用反正切法计算包含多维应变信息的热加载前测物的相位:
进一步地,所述步骤5包括:
步骤5.1:计算热加载前、后被测物的相位差:
式中:分别为获得的热加载变形前被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;分别为获得的热加载变形后被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;Δ1、Δ2、Δ3分别为被测物热加载前、后红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位差;
步骤5.2:根据相位差计算多维应变信息:
式中:Δ1、Δ2、Δ3分别为被测物热加载前、后红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位差;δx为剪切量;λi分别为红、黄、蓝三种光源的波长,其中i对应为1、2、3;α为入射光与观察方向的夹角,分别为被测物在第一激光器、第二激光器和第三激光器三种光源的入射方向的应变。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:
1.本发明在马赫曾德的剪切散斑干涉系统基础上,采用三种不同波长激光器对被测物进行多方向照明,利用彩色相机的红、绿、蓝三个颜色通道同步采集剪切散斑干涉图,获取物体多维应变信息。该技术具有多维应变同步测量的优点,且具有动态测量功能;
2.传统马赫曾德系统剪切量和载频不能相互独立控制,本发明中提出基于光阑错位的剪切散斑干涉测量法,可以实现载频和剪切量相互独立控制,提高单次测量范围。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统的结构示意图;
图2为本发明实施例一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统彩色相机不同通道采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图;
图3为本发明实施例一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法的流程图之一;
图4为本发明实施例一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法的流程图之二。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明:
如图1所示,一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统,包括被测物,还包括:第一激光器,第二激光器,第三激光器,第一分光棱镜,第二分光棱镜,第一平面镜,第二平面镜,第一光阑,第二光阑,第一透镜,第二透镜,及包含红、黄、蓝三通道的彩色相机;其中,第一激光器、第二激光器、第三激光器分别对应发出红、黄、蓝三种光;第一激光器、第二激光器、第三激光器发出的光同步照射到被测物上,形成三种漫反射光;所述第一分光棱镜位于被测物正下方,将三种漫反射光按5:5比例分成平行于被测物的第一束漫反射光和垂直于被测物的第二束漫反射光;第一束漫反射光经第一平面镜、第一光阑、第一透镜形成第一束光,第二束漫反射光经第二平面镜、第二光阑、第二透镜形成第二束光;第一束与第二束光在第二分光棱镜形成干涉,利用彩色相机采集剪切散斑干涉图,获得被测物多维应变剪切散斑图。
作为一种可实施方式,第一激光器、第二激光器、第三激光器发出光的波长分别为671nm、532nm、457nm;数字相机采用日本日立生产的彩色相机,其分辨率为1624×1236;选用预制缺陷的铝蒙皮薄板作为被测物体。具体地,彩色相机采集的不同通道的剪切散斑干涉图如图2所示,其中(a)、(b)、(c)依次对应彩色相机的R、G、B通道。
值得说明的是,本发明对第一激光器、第二激光器、第三激光器及彩色相机的型号不做具体限制,只要能完成上述功能即可。
基于上述测量系统,如图3、图4所示,本发明还公开一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,包括:
步骤S101:利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载前被测物的剪切散斑干涉图;
步骤S102:对热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换,分别计算热加载前三种不同波长的空间频谱;
步骤S103:对所述空间频谱进行处理获取高频分量,分别对高频分量进行反傅里叶变换获得包含多维应变信息的热加载前测物的相位;
步骤S104:对被测物进行热加载,使被测物在热加载后发生变形,利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载后被测物的剪切散斑干涉图;按照步骤S102至步骤S103方式对热加载后被测物的剪切散斑干涉图进行处理,得到热加载后被测物的相位;
步骤S105:根据热加载前、后被测物的相位得出相位差,通过相位差获得被测物的多维应变信息,从而实现被测物多维应变同步测量。
进一步地,所述步骤S101包括:
采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图定义如下:
I(x,y)=(u11+u12)·(u11 *+u12 *)+(u21+u22)·(u21 *+u22 *)+(u31+u32)·(u31 *+u32 *)
式中:I(x,y)为热加载前被测物的剪切散斑干涉图,x为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的横坐标,y为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的纵坐标;u11和u12分别为彩色相机R通道采集的红色物光和参考光;u21和u22分别为彩色相机G通道采集的绿色物光和参考光;u31和u32分别为彩色相机B通道采集的蓝色物光和参考光;u11 *和u11互为共轭,u12 *和u12互为共轭,u21 *和u21互为共轭,u22 *和u22互为共轭,u31 *和u31互为共轭,u32 *和u32互为共轭。
进一步地,所述步骤S102包括:
步骤S102.1:对采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换:
F(I)=FR+FG+FB
FR=F[(u11+u12)·(u11 *+u12 *)]
FG=F[(u21+u22)·(u21 *+u22 *)]
FB=F[(u31+u32)·(u31 *+u32 *)]
式中:F[·]为傅里叶变换,FR为彩色相机R通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FG为彩色相机G通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FB为彩色相机B通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;
步骤S102.2:计算傅里叶变换后的剪切散斑图的空间频谱:
U=F(u)
式中:U为不同通道物光和参考光的傅里叶变换,如U11和U12分别为u11和u12的傅里叶变换,U21和U22分别为u21和u22的傅里叶变换,U31和U32分别为u31和u32的傅里叶变换;表示卷积运算;FR为彩色相机R通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FG为彩色相机G通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FB为彩色相机B通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换。
进一步地,所述步骤S103包括:
对傅里叶变换后的空间频谱进行分析,提取包含相位信息的高频分量,对提取的高频分量进行反傅里叶变换获得复数分量,利用反正切法计算复数的相位,即包含被测物缺陷的包裹相位。该步骤的详细操作为:
步骤S103.1:分析空间频谱:
步骤S103.2:利用载波提取空间频谱的高频分量:
式中:FR1、FG1、FB1分别为R、G、B三个通道采集的包含相位信息的高频分量;
步骤S103.3:对提取的高频谱分量进行反傅里叶变换:
IR1=F-1[FR1]
IG1=F-1[FG1]
IB1=F-1[FB1]
式中:IR1、IG1、IB1分别为R、G、B三个通道提取的高频谱分量的反傅里叶变换;F-1[]表示反傅里叶变换。
步骤S103.4:利用反正切计算包含多维应变信息的热加载前测物的相位:
进一步地,所述步骤S105包括:
步骤S105.1:计算热加载前、后被测物的相位差:
式中:分别为获得的热加载变形前被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;分别为获得的热加载变形后被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;Δ1、Δ2、Δ3分别为被测物热加载前、后红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位差;
步骤S105.2:根据相位差计算多维应变信息:
式中:Δ1、Δ2、Δ3分别为被测物热加载前、后红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位差;δx为剪切量;λi分别为红、黄、蓝三种光源的波长,其中i对应为1、2、3;α为入射光与观察方向的夹角,分别为被测物在第一激光器、第二激光器和第三激光器三种光源的入射方向的应变。
综上,本发明在马赫曾德的剪切散斑干涉系统基础上,采用三种不同波长激光器对被测物进行多方向照明,利用彩色相机的红、绿、蓝三个颜色通道同步采集剪切散斑干涉图,获取物体多维应变信息。该技术具有多维应变同步测量的优点,且具有动态测量功能;传统马赫曾德系统剪切量和载频不能相互独立控制,本发明中提出基于光阑错位的剪切散斑干涉测量法,可以实现载频和剪切量相互独立控制,提高单次测量范围。
以上所示仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量系统,包括被测物,其特征在于,还包括:第一激光器,第二激光器,第三激光器,第一分光棱镜,第二分光棱镜,第一平面镜,第二平面镜,第一光阑,第二光阑,第一透镜,第二透镜,及包含红、黄、蓝三通道的彩色相机;其中,第一激光器、第二激光器、第三激光器分别对应发出红、黄、蓝三种光;第一激光器、第二激光器、第三激光器发出的光同步照射到被测物上,形成三种漫反射光;所述第一分光棱镜位于被测物正下方,将三种漫反射光按5:5比例分成平行于被测物的第一束漫反射光和垂直于被测物的第二束漫反射光;第一束漫反射光经第一平面镜、第一光阑、第一透镜形成第一束光,第二束漫反射光经第二平面镜、第二光阑、第二透镜形成第二束光;第一束与第二束光在第二分光棱镜形成干涉,利用彩色相机采集剪切散斑干涉图,获得被测物多维应变剪切散斑图。
2.基于权利要求1所述测量系统的一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,其特征在于,包括:
步骤1:利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载前被测物的剪切散斑干涉图;
步骤2:对热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换,分别计算热加载前三种不同波长的空间频谱;
步骤3:对所述空间频谱进行处理获取高频分量,分别对高频分量进行反傅里叶变换获得包含多维应变信息的热加载前测物的相位;
步骤4:对被测物进行热加载,使被测物在热加载后发生变形,利用包含红、黄、蓝三通道的彩色相机采集热加载后被测物的剪切散斑干涉图;按照步骤2至步骤3方式对热加载后被测物的剪切散斑干涉图进行处理,得到热加载后被测物的相位;
步骤5:根据热加载前、后被测物的相位得出相位差,通过相位差获得被测物的多维应变信息,从而实现被测物多维应变同步测量。
3.根据权利要求2所述的一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,其特征在于,所述步骤1包括:
采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图定义如下:
I(x,y)=(u11+u12)·(u11 *+u12 *)+(u21+u22)·(u21 *+u22 *)+(u31+u32)·(u31 *+u32 *)
式中:I(x,y)为热加载前被测物的剪切散斑干涉图,x为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的横坐标,y为热加载前被测物的剪切散斑干涉图中点的纵坐标;u11和u12分别为彩色相机R通道采集的红色物光和参考光;u21和u22分别为彩色相机G通道采集的绿色物光和参考光;u31和u32分别为彩色相机B通道采集的蓝色物光和参考光;u*与u互为共轭。
4.根据权利要求3所述的一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,其特征在于,所述步骤2包括:
步骤2.1:对采集的热加载前被测物的剪切散斑干涉图进行傅里叶变换:
F(I)=FR+FG+FB
FR=F[(u11+u12)·(u11 *+u12 *)]
FG=F[(u21+u22)·(u21 *+u22 *)]
FB=F[(u31+u32)·(u31 *+u32 *)]
式中:F[·]为傅里叶变换,FR为彩色相机R通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FG为彩色相机G通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;FB为彩色相机B通道剪切散斑干涉图的傅里叶变换;
步骤2.2:计算傅里叶变换后的剪切散斑图的空间频谱:
U=F(u)
5.根据权利要求4所述的一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,其特征在于,所述步骤3包括:
步骤3.1:分析空间频谱:
步骤3.2:利用载波提取空间频谱的高频分量:
式中:FR1、FG1、FB1分别为R、G、B三个通道采集的包含相位信息的高频分量;
步骤3.3:对提取的高频谱分量进行反傅里叶变换:
IR1=F-1[FR1]
IG1=F-1[FG1]
IB1=F-1[FB1]
式中:IR1、IG1、IB1分别为R、G、B三个通道提取的高频谱分量的反傅里叶变换;F-1[]表示反傅里叶变换;
步骤3.4:利用反正切法计算包含多维应变信息的热加载前测物的相位:
6.根据权利要求2所述的一种基于彩色相机的剪切散斑干涉多维应变同步测量方法,其特征在于,所述步骤5包括:
步骤5.1:计算热加载前、后被测物的相位差:
式中:分别为获得的热加载变形前被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;分别为获得的热加载变形后被测物红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位;Δ1、Δ2、Δ3分别为被测物热加载前、后红、黄、蓝三种光源的入射方向的相位差;
步骤5.2:根据相位差计算多维应变信息:
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