CN115962729A - 一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统及方法，包括激光光源及光路、图像高速采集系统、激光多普勒测振系统。本发明利用高速相机和激光多普勒测振仪同步持续测量，高速相机记录参考端和物端干涉形成的图样，并筛选出受失相关影响较小的有效条纹图；激光多普勒测振仪测量由振动引起的刚体位移并将其作为相移；得到一系列初始状态相同并且相移已知的条纹图，将其用于物体变形前后的位相计算，得到高精度的物体变形信息。本发明不但可以避免振动过大引起的散斑失相关现象，也减小了振动引起的面内位移产生的误差，并且解决了相移不准确及振动位相和变形位相无法区分的问题。

Description

一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学测试技术领域，具体涉及一种非隔振条件下的高精度(纳米量级)离面变形测量系统及方法。

背景技术

干涉测量技术结合相移方法是目前公认测量分辨率最高的测量方法，被广泛应用于光学元件的面形检测、微变形测量、无损检测等领域。但是其测量分辨率会受限于本底噪声，在测量过程中，环境振动、大气湍流都会使物体产生未知的相移和倾斜变化，因此测量的结果也会产生较大误差。该方法通常只能在具有隔振设施的光学实验室条件下使用，应用场景有限。

光学干涉方法可以分为镜面干涉和漫反射面干涉。对于镜面干涉，当存在振动时，其测量误差的主要来源为条纹不稳定引起的相移误差。目前科研人员提出的随机相移算法、瞬时干涉法、同步相移干涉法在一定程度上可以减少振动引起的相移误差，其测量结果在某些条件下可以达到与隔振条件下的一致。但镜面干涉主要用于光学表面测量，而我们更关注可以进行物体变形测量的散斑干涉。对于散斑干涉变形测量，当有振动时，除了存在相移误差，还存在两个问题，第一，无法将振动引起的刚体位移和物体变形位移准确区分开。第二，当振动引起位移过大特别是面内位移过大时，会出现散斑失相关现象，导致条纹对比度大大下降，即使是剪切电子散斑干涉仪这种对振动不敏感的共光路干涉系统也无法避免这个问题。因此，搭建一套具有高精度测量特点，同时又能对振动干扰具有鲁棒性的散斑干涉测量系统面临着诸多技术难题，目前在国际上尚未见到相关测量系统的报道。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可以在非隔振条件下进行物体变形测量的装置及方法，解决振动过大引起的散斑失相关的问题，减小振动引起的面内位移产生的误差；解决振动环境下相移不准确及振动位相和变形位相无法区分的问题；解决振动环境下物体变形位相准确获取的问题。本发明可以实现振动环境下的高精度干涉变形测量，不存在振动引起的相移误差，并且计算过程简单，具有较高的计算效率。

实现本发明目的的技术解决方案：

第一方面，提供一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统，包括：激光光源及光路、图像高速采集系统和激光多普勒测振系统；

所述激光光源及光路，产生稳定光源的He-Ne激光发生器和基于迈克尔逊干涉原理搭建的光路；

所述光路中，被测物体(5)置于隔振平台(12)以外，激光器(1)、扩束器(2)、分光器(3)、参考镜(4)和高速相机(6)置于隔振平台(12)上；

激光器(1)发出稳定的点光源，经过扩束器(2)后点光源被扩束成为一组均匀的平行光，该平行光经过分光器(3)被分束为两个相同的光束，其中一束光束照射在被测物体(5)上，经过被测物体(5)表面漫反射后沿光路返回成为测量光束；另一束照射在参考镜(4)上，经过参考镜(4)表面反射后同样沿光路返回成为参考光束，参考光束和测量光束在高速相机(6)靶面上发生干涉形成与变形量相关的干涉图；

所述图像高速采集系统，为记录激光干涉图样的高速相机(6)；

所述激光多普勒测振系统(11)，用于测量被测物体(5)离面振动位移的激光多普勒测振仪，激光多普勒测振系统(11)包括第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)和第三激光多普勒测振仪(9)；所述第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)置于隔振平台(12)上，并且在空间上非共线；第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)的激光垂直入射到被测物体(5)的刚体部分，返回的激光通过频率解调，得到被测物体上测量点的离面位移。

进一步，所述高速相机(6)根据实际地面振动的振幅和频率设置为高频采集，高频在1000-10000Hz之间，以记录下振动环境中高条纹对比度的条纹图。

进一步，所述激光多普勒测振系统(11)和高速相机(6)的帧率设为一致，同步进行采集。

第二方面，本发明提供一种非隔振条件下的高精度离面变形测量方法，利用高速相机(6)和激光多普勒测振系统(11)同步持续测量，获取被测物体(5)变形前后一系列已知相移的条纹图，进一步计算得到被测物体(5)变形信息，实现步骤如下：

步骤1、标定出高速相机(6)和第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)的空间位置，将高速相机(6)和激光多普勒测振系统(11)定义在同一空间坐标系下；

步骤2、由高速相机(6)记录下一幅干涉图作为参考散斑图I₀，并将该时刻被测物体的位置作为初始参考位置，调节参考镜(4)引入空间载频；

步骤3、将第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)和高速相机(6)的帧率设置为相同，同步触发，并在被测物体(5)变形过程中高速连续记录，其中，将连续采集到的散斑图序列I_n′和参考散斑图I₀相减，最终得到一系列相关条纹图序列I_n ^t和对应的被测物体(5)上三点的离面振动位移数据。其中由于被测物体处于振动环境，得到的条纹图序列既包含被测物体处于初始参考位置附近，未发生散斑失相关现象时获得的条纹对比度高、计算误差小的条纹图，也包含被测物体远离初始参考位置，发生散斑失相关现象时获得的条纹模糊、计算误差大甚至是条纹消失、无法进行计算的条纹图；

步骤4、根据实际获得条纹图的背景光强和调制幅度，设置条纹对比度阈值，并根据所述条纹对比度阈值分别在变形前后两时刻的条纹图中筛选出条纹对比度高、计算误差小的N帧条纹图，其中N≥3；

步骤5、将振动引起的位移看作刚体位移，在步骤3中的三点的离面振动位移数据中找到与步骤4中筛选出的条纹图所对应时刻的数据，利用该数据拟合对应的各个时刻被测物体(5)平面的离面振动位移，直接将该所述离面振动位移转换用作相移，得到步骤4中筛选出的条纹图所对应的相移；

步骤6、根据步骤4筛选出的条纹图和根据步骤5得到的与条纹图对应的相移，在对条纹图进行滤波去噪后，结合最小二乘解位相法分别计算被测物体(5)变形前后的位相分布，获得被测物体(5)的变形信息。

进一步，所述步骤5实现具体为：

拟合的对应的各个时刻被测物体(5)平面离面振动位移表达式为：

z^t＝k₁x+k₂y+k₃，

其中，(x,y)为被测物体(5)平面坐标，z^t为t时刻被测物体(5)上各点的离面振动位移，k₁，k₂，k₃为根据三个测量点(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)拟合得到的参数，离面振动位移和与相移的转换表达式为：

其中，δ_n ^t(x,y)t时刻为被测物体(5)平面上每一点的相移大小，λ为激光波长。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对于传统的电子散斑干涉方法，通常采用普通工业相机，当振动引起散斑失相关现象后，普通工业相机只能记录到条纹模糊甚至是条纹消失的干涉图，使计算无法进一步进行。本发明采用高速相机进行采集，当被测物体处于非隔振平台、有振动存在时，高速相机可以记录被测物体处于不同振动位置的干涉条纹图，由于振动是往复的，只要物体能回到平衡位置，且相机帧率足够，就总能记录到条纹对比度高、计算误差小的干涉图，选取这些干涉图进行计算，可以避开散斑失相关的问题，并且这些干涉图的面内位移可以忽略不计，因此本发明使得即使在振动环境中也可以进行高精度的干涉变形测量。

(2)对于传统的移相干涉术，通常采用相移器引入相移，并假设第一个干涉图没有相移。但是，相移器往往并不精确，传统获取精确相移的算法往往需要复杂的理论计算；当存在振动时，也不能保证变形前后的物体具有相同的初始位置，即变形前后干涉图中与变形有关的位相初始状态并不相同，因此不可避免地会存在位相误差。在本发明中，不需要精密的相移装置，振动引起的被测物体的刚体位移被视为相移，可以直接由激光多普勒测振仪得到，因此避免了相移器不精确带来的相移误差，大大简化了求解精确相移的计算过程，提高了计算效率；并且由于激光多普勒测振仪在变形过程中连续记录，所以所有相移都相对于相同的初始点，因此，所有干涉图中与变形有关的位相初始状态都是一致的，振动位相和变形位相可以很容易地分离，从而减少了振动引起的位相误差，实现在振动环境下的高精度干涉变形测量。

(3)光路搭建简单，操作容易，它可以有效的应用于复杂振动环境下的变形测量，为干涉方法在实际工程应用创造了新的可能。

附图说明

图1为本发明非隔振条件下测量物体变形的散斑干涉装置光路结构示意图；

图2为本发明实施例中被测物体平面示意图；

图3为本发明实施例中被测物体置于隔振平台上利用传统方法计算的变形位相分布图；

图4为本发明实施例中被测物体未置于隔振平台上利用本发明方案计算的变形位相分布图；

图5为本发明实施例中两种方案的残余误差图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种非隔振条件下的高精度离面变形测量装置包括：激光光源及光路、图像高速采集系统、激光多普勒测振系统。

所述激光光源及光路为迈克尔逊式散斑干涉测量系统10，He-Ne激光器发出稳定的点光源，经过扩束器2后点光源被扩束成为一组均匀的平行光，该平行光经过分光器3被分束为两个相同的光束，其中一束光束照射在被测物体5上，经过被测物体5表面漫反射后沿光路返回成为测量光束；另一束照射在参考平面镜4上，经过参考平面镜4表面反射后同样沿光路返回成为参考光束。参考光束和测量光束在高速相机6靶面上发生干涉形成与变形量相关的干涉图。

进一步地，被测物体5置于隔振平台12以外。

进一步地，激光器1、扩束器2、分光器3、参考镜4、高速相机6置于隔振平台12上。

所述图像高速采集系统为高速相机6。

所述激光多普勒测振系统11包括第一激光多普勒测振仪7、第二激光多普勒测振仪8、第三激光多普勒测振仪9；

进一步地，第一激光多普勒测振仪7、第二激光多普勒测振仪8、第三激光多普勒测振仪9置于隔振平台12上，并且在空间上非共线；第一激光多普勒测振仪7、第二激光多普勒测振仪8、第三激光多普勒测振仪9的激光垂直入射到被测物体5的刚体部分，返回的激光通过频率解调，得到被测物体上测量点的离面位移。

进一步地，所述高速相机6根据实际地面振动的振幅和频率设置为高频采集，高频在1000-10000Hz之间，以记录下振动环境中高条纹对比度的条纹图。

进一步地，所述激光多普勒测振系统11和高速相机6的帧率设为一致，同步进行采集。

本发明的一种非隔振条件下的高精度离面变形测量方法包括以下步骤：

步骤1、在进行变形测量实验之前，标定出高速相机6和第一激光多普勒测振仪7、第二激光多普勒测振仪8、第三激光多普勒测振仪9的空间位置，并将高速相机6和激光多普勒测振系统11定义在同一空间坐标系下；

步骤2、由高速相机6记录下一幅干涉图作为参考散斑图I₀，并将该时刻被测物体的位置作为初始参考位置，为了便于观察和计算，调节参考镜4引入空间载频。

步骤3、根据实际的振动频率及振幅选择合适的帧率，并将第一激光多普勒测振仪7、第二激光多普勒测振仪8、第三激光多普勒测振仪9和高速相机6的帧率设置为相同，同步触发，并在被测物体变形过程中高速连续记录，其中，将连续采集到的散斑图序列I_n′和参考散斑图I₀相减，最终得到一系列相关条纹图序列I_n ^t和对应的被测物体上三点的离面振动位移数据。在振动条件下，散斑干涉系统特别容易发生散斑失相关的问题，部分条纹图由于受到散斑失相关的影响，条纹对比度较差(特别是面内位移较大的条纹图)，但由于振动是往复的，位于初始参考位置附近的条纹图具有理想的条纹对比度，且此时的条纹图位相受面内位移的影响较小，当设置的高速相机帧率足够大时，就可以记录到这些可以用于计算的条纹图。因此得到的条纹图序列I_n ^t既包含被测物体处于初始参考位置附近，未发生散斑失相关现象时获得的条纹对比度高、计算误差小的条纹图，也包含被测物体远离初始参考位置，发生散斑失相关现象时获得的条纹模糊、计算误差大甚至是条纹消失、无法进行计算的条纹图；

步骤4、根据实际获得条纹图的背景光强和调制幅度，设置条纹对比度阈值，并根据所述条纹对比度阈值分别在变形前后两时刻的条纹图中筛选出条纹对比度高、计算误差小的N帧(N≥3)条纹图(认为在极短时刻内物体没有发生变形，N帧条纹图的位相变化仅由振动引起)。

步骤5、将振动引起的位移看作刚体位移，由于高速相机和激光多普勒测振仪是同步记录的，在步骤3中的三点的离面振动位移数据中一定可以找到与步骤4中筛选出的条纹图所对应时刻的离面振动位移数据，利用该数据拟合对应的各个时刻被测物体5平面的离面振动位移，直接将该所述离面振动位移转化用作相移，得到与步骤4中筛选出的条纹图所对应的相移。拟合的对应的各个时刻被测物体平面离面振动位移表达式为：

z^t＝k₁x+k₂y+k₃，

其中，(x,y)为被测物体平面坐标，z^t为t时刻被测物体上各点的离面振动位移，k₁，k₂，k₃为根据三个测量点(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)拟合得到的参数。各个时刻相移的大小可以用下式转换得到：

其中，δ_n ^t(x,y)为t时刻被测物体平面上每一点的相移大小，λ为激光波长。

步骤6、根据步骤4筛选出的条纹图和根据步骤5得到的与条纹图对应的相移，进行条纹图滤波去噪后，利用最小二乘解位相法分别计算被测物体变形前后的位相分布，进一步获得被测物体的变形信息。具体如下：

条纹图的光强可以表示为：

式中，(x,y)为被测物体平面图像坐标，A(x,y)和B(x,y)分别为干涉图的背景光强和干涉强度调制项，

为与变形有关的待测位相，对于本实施例来说，即为被测物体变形前后的位相分布

δ_n ^t(x,y)为t时刻的相移。

当N≥3且条纹图光强I_n ^t(x,y)和相移δ_n ^t(x,y)已知时，

可以通过最小二乘解位相法得到，所述变形信息由

表征。其中由于被测物体变形前后的位相

初始状态相同，获得被测物体的变形信息

不存在振动位相误差，具有很高的精确度。

实施例

本实施例中，采用的激光器的波长为632.8nm，采用的成像器件是富煌君达公司的高速相机，型号为X213_ISP，像素分辨率为1280*1024pixels，单位像素尺寸为14.6um,设置的RIO大小为180*180pixels,采样率为1000Hz，分别在变形前后0.1s内筛选出10帧条纹图来进行计算，激光多普勒测振系统采用的是Holobright公司的FNV-R4D-VD1，测量精度可达到纳米级别，三个激光多普勒测振仪的激光点的分布如图2所示，采样率与高速相机采样率相同。

为了验证非隔振条件下的高精度离面变形测量方法，进行了对比试验。对被测物体进行同样的中心加载，分别使用传统的四步相移求解位相法和非隔振条件下的高精度离面变形测量方法的计算被测物置于隔振台和置于隔振台之外时的变形情况，并将两者结果对比，求其残余误差。

图3即为在隔振条件下使用传统方法计算的变形位相图，其中横纵坐标的单位为像素(pixel)，高度坐标的单位为波长(λ)，计算得到该变形的PV值为0.4496λ，图4为在物体剧烈振动条件下使用非隔振条件下的高精度离面变形测量方法计算的变形位相图，其单位与图3相同，它的PV值为0.4594λ。从图3和图4的数值结果和位相分布来看，这两种方法计算的变形结果基本一致，图5为这两种方法的计算误差图，其单位与图3、图4相同，其误差的PV值和RMS分别为0.1112λ和0.0116λ。对比实验表明，本发明方法鲁棒性较好，可以在非隔振条件下进行高精度的散斑干涉变形测量，有效解决了环境振动和气流扰动带来的测量误差，这是传统时间移相与空间载波法无法实现的。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统，其特征在于，包括：激光光源及光路、图像高速采集系统和激光多普勒测振系统；

所述激光光源及光路，产生稳定光源的He-Ne激光发生器和基于迈克尔逊干涉原理搭建的光路；

所述光路中，被测物体(5)置于隔振平台(12)以外，激光器(1)、扩束器(2)、分光器(3)、参考镜(4)和高速相机(6)置于隔振平台(12)上；

激光器(1)发出稳定的点光源，经过扩束器(2)后点光源被扩束成为一组均匀的平行光，该平行光经过分光器(3)被分束为两个相同的光束，其中一束光束照射在被测物体(5)上，经过被测物体(5)表面漫反射后沿光路返回成为测量光束；另一束照射在参考镜(4)上，经过参考镜(4)表面反射后同样沿光路返回成为参考光束，参考光束和测量光束在高速相机(6)靶面上发生干涉形成与变形量相关的干涉图；

所述图像高速采集系统，为记录激光干涉图样的高速相机(6)；

所述激光多普勒测振系统(11)，用于测量被测物体(5)离面振动位移的激光多普勒测振仪，激光多普勒测振系统(11)包括第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)和第三激光多普勒测振仪(9)；所述第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)置于隔振平台(12)上，并且在空间上非共线；第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)的激光垂直入射到被测物体(5)的刚体部分，返回的激光通过频率解调，得到被测物体上测量点的离面位移。

2.根据权利要求1所述的一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统，其特征在于：所述高速相机(6)根据实际地面振动的振幅和频率设置为高频采集，高频在1000-10000Hz之间，以记录下振动环境中高条纹对比度的条纹图。

3.根据权利要求1所述的一种非隔振条件下的高精度离面变形测量系统，其特征在于：所述激光多普勒测振系统(11)和高速相机(6)的帧率设为一致，同步进行采集。

4.一种非隔振条件下的高精度离面变形测量方法，其特征在于：利用高速相机(6)和激光多普勒测振系统(11)同步持续测量，获取被测物体(5)变形前后一系列已知相移的条纹图，进一步计算得到被测物体(5)变形信息，实现步骤如下：

步骤1、标定出高速相机(6)和第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)的空间位置，将高速相机(6)和激光多普勒测振系统(11)定义在同一空间坐标系下；

步骤2、由高速相机(6)记录下一幅干涉图作为参考散斑图I₀，并将该时刻被测物体的位置作为初始参考位置，调节参考镜(4)引入空间载频；

步骤3、将第一激光多普勒测振仪(7)、第二激光多普勒测振仪(8)、第三激光多普勒测振仪(9)和高速相机(6)的帧率设置为相同，同步触发，并在被测物体(5)变形过程中高速连续记录，其中，将连续采集到的散斑图序列I_n′和参考散斑图I₀相减，最终得到一系列相关条纹图序列I_n ^t和对应的被测物体(5)上三点的离面振动位移数据。其中由于被测物体处于振动环境，得到的条纹图序列既包含被测物体处于初始参考位置附近，未发生散斑失相关现象时获得的条纹对比度高、计算误差小的条纹图，也包含被测物体远离初始参考位置，发生散斑失相关现象时获得的条纹模糊、计算误差大甚至是条纹消失、无法进行计算的条纹图；

步骤4、根据实际获得条纹图的背景光强和调制幅度，设置条纹对比度阈值，并根据所述条纹对比度阈值分别在变形前后两时刻的条纹图中筛选出条纹对比度高、计算误差小的N帧条纹图，其中N≥3；

步骤5、将振动引起的位移看作刚体位移，在步骤3中的三点的离面振动位移数据中找到与步骤4中筛选出的条纹图所对应时刻的数据，利用该数据拟合对应的各个时刻被测物体(5)平面的离面振动位移，直接将该所述离面振动位移转换用作相移，得到步骤4中筛选出的条纹图所对应的相移；

步骤6、根据步骤4筛选出的条纹图和根据步骤5得到的与条纹图对应的相移，在对条纹图进行滤波去噪后，结合最小二乘解位相法分别计算被测物体(5)变形前后的位相分布，获得被测物体(5)的变形信息。

5.根据权利要求4所述的非隔振条件下的高精度离面变形测量方法，其特征在于，所述步骤5实现具体为：

拟合的对应的各个时刻被测物体(5)平面离面振动位移表达式为：

z^t＝k₁x+k₂y+k₃，

其中，(x,y)为被测物体(5)平面坐标，z^t为t时刻被测物体(5)上各点的离面振动位移，k₁，k₂，k₃为根据三个测量点(x₁,y₁,z₁),(x₂,y₂,z₂),(x₃,y₃,z₃)拟合得到的参数，离面振动位移和与相移的转换表达式为：

其中，δ_n ^t(x,y)t时刻为被测物体(5)平面上每一点的相移大小，λ为激光波长。

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