CN116772741B - 一种变形检测系统及变形检测方法 - Google Patents
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- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
Abstract
本发明提供的一种变形检测系统及变形检测方法，其中，变形检测系统，包括：用于发射涡旋光束至待测对象的激光发射组件、用于接收待测对象反射出的涡旋光束，并至少分出第一涡旋子光束和第二涡旋子光束的分光组件、用于接收第一涡旋子光束，并检测第一涡旋子光束的质心位置的第一检测组件、用于接收并调制第二涡旋子光束成涡旋光栅的第一空间光调制器、用于接收涡旋光栅，并得到螺旋谱的第二检测组件和用于接收质心位置和螺旋谱，计算待测对象的变形量的数据处理模块。本发明提供的变形检测系统，分别得到质心的位置和螺旋谱，并基于质心的位置和螺旋谱，组合计算待测对象的变形量，能够提高待测对象的变形量的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及位移测量技术领域，具体而言，涉及一种变形检测系统及变形检测方法。
背景技术
激光器发出的高斯光束波前分布稳定、高相干性、质量纯净、光谱稳定可以在很多方面被应用。
在使用过程中，激光器发出的激光光束轴与各光学元件的中心孔径须对准，将待测对象反射过后的涡旋光束与平行光进行干涉，当待测对象移动后涡旋光束的相位发生了变化，最终的干涉结果也会发生变化，根据最终图像的变化即可得到物体的位移大小。因此，激光器可以应用于对房屋或桥梁等建筑物的变形检测。目前基于激光器对建筑物的变形检测技术，主要通过分析光束相位的变化进行测量，需要搭建干涉光路图，存在检测方式复杂且检测精度较低的问题。
发明内容
本发明的第一方面提供一种变形检测系统，用以解决现有技术中采用分析光束相位的变化进行变形检测，需要搭建干涉光路图，存在检测方式复杂且检测精度较低的技术问题。
本发明提供的一种变形检测系统，包括：
激光发射组件，用于发射涡旋光束至待测对象；
分光组件，用于接收所述待测对象反射出的涡旋光束，并至少分出第一涡旋子光束和第二涡旋子光束；
第一检测组件，用于接收所述第一涡旋子光束，并检测所述第一涡旋子光束的质心位置；
第一空间光调制器，用于接收并调制所述第二涡旋子光束成涡旋光栅；
第二检测组件，用于接收所述涡旋光栅，并得到螺旋谱；以及，
数据处理模块，用于接收所述质心位置和所述螺旋谱，计算所述待测对象的变形量。
本发明提供的变形检测系统，分别得到质心的位置和螺旋谱，并基于质心的位置和螺旋谱，组合计算待测对象的变形量，能够提高待测对象的变形量检测的精度。
进一步地，所述激光发射组件包括：激光器和第二空间光调制器，所述第二空间光调制器用于接收所述激光器发出的激光光束并转换为所述涡旋光束。
所述激光发射组件还包括准直器，所述准直器设于所述激光器和所述第二空间光调制器之间。
进一步地，第一检测组件包括CCD相机，用于接收所述第一涡旋子光束并检测所述第一涡旋子光束的质心位置；
和/或，所述第二检测组件包括面阵探测器，用于接收所述涡旋光栅并得到所述螺旋谱。
进一步地，所述分光组件包括分光镜，用于接收所述待测对象反射出的涡旋光束并分束生成第一涡旋子光束和第二涡旋子光束。
进一步地，所述变形检测系统还包括第一计算机和第二计算机，所述第一空间光调制器电连接于所述第一计算机，所述第二空间光调制器电连接于所述第二计算机。
本发明的第二方面提供一种变形检测方法，应用上述所述的变形检测系统检测所述待测对象的变形量，所述方法包括以下步骤：
控制所述激光发射组件发射所述涡旋光束至所述待测对象；
控制所述分光组件接收所述涡旋光束，并将所述涡旋光束进行分束生成第一涡旋子光束和第二涡旋子光束；
控制所述第一检测组件接收所述第一涡旋子光束，并检测所述第一涡旋子光束的质心位置；
控制所述第一空间光调制器接收并调制所述第二涡旋子光束成涡旋光栅；
控制所述第二检测组件接收所述涡旋光栅，并得到螺旋谱；
控制所述数据处理模块接收所述质心位置和所述螺旋谱，计算所述待测对象的变形量。
进一步地，所述计算所述待测对象的变形量，包括以下步骤：
基于所述螺旋谱，计算所述待测对象的第一变形量；
基于所述质心位置，计算所述待测对象的第二变形量；
基于所述待测对象的第一变形量和所述待测对象的第二变形量，计算所述待测对象的变形量，满足公式：
；
其中，为所述待测对象的变形量、/>为所述待测对象的第一变形量、/>为所述待测对象的第二变形量以及/>为权重系数。
本发明提供的一种变形检测方法，采用加权平均法进行融合，基于第一函数关系和第二函数关系得到的待测对象的第一变形量和待测对象的第二变形量赋予不同的权重系数，然后进行相加，能够得出更加精确的变形量。
进一步地，所述计算所述待测对象的第一变形量，包括以下步骤：
计算所述螺旋谱的无量纲方差值，满足公式：
；
；
；
；
其中，为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态，/>为螺旋谱分布的平均值，/>为螺旋谱谐波的相对能量；/>为螺旋波上的能量，q为所有谐波分量对应的轨道角动量态；对应螺旋波上的能量；
为第m阶谐波的振幅；/>为柱坐标系，/>为光束的光场；
建立所述螺旋谱的无量纲方差值与所述待测对象的第一变形量/>的第一耦合函数，满足公式：
+/>；
其中，为螺旋谱的无量纲方差值，/>为待检测对象的第一变形量，为第一拟合系数，/>。
进一步地，所述计算所述待测对象的第二变形量，包括以下步骤：
计算所述质心位置，满足公式：
；
；
；
其中，为光束的光场，/>为直角坐标系；/>为光束质心在直角坐标系下的横坐标；/>为光束质心在直角坐标系下的纵坐标；/>为偏移涡旋光束的光强；k为载波数，/>为波长，/>为涡旋光传输距离，/>为柱坐标系下的方位角，/>为所述待测对象的变形量，/>为柱坐标下的坐标单位，/>为束腰半径，/>为拓扑荷数，/>为光照强度；/>为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态；
其中， ，/> ，/> ，/> ， ；/>为系统传输矩阵，A、B、C、D为4个矩阵分量；/>为物体位移角度；
计算所述质心位置的偏移量，满足公式：
；
建立所述质心位置的偏移量与所述待测对象的第二变形量/>的第二耦合函数，满足公式：
；
其中，为第三拟合系数。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种变形检测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种变形检测方法流程示意图；
图3（a）为本发明实施例所提供的一种正常分布的螺旋谱；
图3（b）为本发明实施例所提供的一种弥散分布的螺旋谱；
图4（a）为本发明实施例所提供未加入噪声的第一耦合函数和加入噪声的第一耦合函数的对比图；
图4（b）本发明实施例所提供未加入噪声的第二耦合函数与加入噪声的第二耦合函数的对比图；
图5（a）本发明实施例所提供的取值与待检测对象的变形量/>的关系图一；
图5（b）本发明实施例所提供的取值与待检测对象的变形量/>的关系图二；
附图标记说明：
1-激光发射组件；11-激光器；12-准直器；13-第二空间光调制器；14-涡旋光束；2-分光组件；21-第一涡旋子光束；22-第二涡旋子光束；3-第一检测组件；4-第一空间光调制器；41-涡旋光栅；5-第二检测组件；6-数据处理模块；7-被测对象；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图1-5对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例的第一方面提供的一种变形检测系统。参见附图1，该变形检测系统，包括：激光发射组件1、分光组件2、第一检测组件3、第一空间光调制器4、第二检测组件5和数据处理模块6；其中，激光发射组件1，用于发射涡旋光束14至待测对象7；分光组件2，用于接收待测对象7反射出的涡旋光束14，并至少分出第一涡旋子光束21和第二涡旋子光束22；第一检测组件3，用于接收第一涡旋子光束21，并检测第一涡旋子光束21的质心位置；第一空间光调制器4，用于接收并调制第二涡旋子光束22成涡旋光栅41；第二检测组件5，用于接收涡旋光栅41，并得到螺旋谱；以及，数据处理模块6，用于接收质心位置和螺旋谱，计算待测对象7的变形量。
需要说明的是，待测对象为建筑物。
需要说明的是，涡旋光束14在传播方向的中心光强为零，随着传播方向以及距离的变化，涡旋光束14的相位呈螺旋式分布，又称为螺旋光束。其中尤为重要的一点是其每个光子具有确定的轨道角动量。上述螺旋谱即为涡旋光束14的轨道角动量谱，通过对涡旋光束14进行轨道角动量分析，可以将涡旋光束14展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成轨道角动量谱，也称为螺旋谱。
需要说明的是，若待测对象7发生变形，涡旋光束14发射至待测对象7后，涡旋光束14发生偏移，偏移后的涡旋光束14经自由空间传输至分光组件2进行分束，生成第一涡旋子光束21和第二涡旋子光束22，第一涡旋子光束21直接照射至第一检测组件3上形成光场图，从光场图中得到第一涡旋子光束21的质心位置；第二涡旋子光束22经第一空间光调制器4成涡旋光栅41并照射至第二检测组件5上，得到螺旋谱，螺旋谱可通过Matlab仿真计算得到螺旋谱的无量纲方差值。当涡旋光束14发生偏移时，第一涡旋子光束21的质心位置也发生偏移和第二涡旋光束14的螺旋谱的无量纲方差值也会随其发生相应的变化，根据待测对象7的变形量与光束的质心位置的偏移量以及螺旋谱的无量纲方差值的耦合关系，可反推出待测对象7的变形量。
需要说明的是，由于在实际变形检测中，存在噪声，单一基于光束质心位置的偏移量确定待测对象7的变形量，或单一基于螺旋谱的无量纲方差值确定待测对象7的变形量，存在误差，待测对象77的变形量检测精度低。
因此，本发明实施例提供的变形检测系统，分别得到质心的位置和螺旋谱，并基于质心的位置和螺旋谱，组合计算待测对象7的变形量，能够提高待测对象7的变形量检测的精度。
本发明实施例，激光发射组件1包括：激光器11和第二空间光调制器13，第二空间光调制器13用于接收激光器11发出的激光光束并转换为涡旋光束14。
激光发射组件1还包括准直器12，准直器12设于激光器11和第二空间光调制器13之间。如此设置，减小激光光束的发散角，将激光器11发出的激光光束变成高斯光束。
本发明实施例，第一检测组件3包括CCD相机，用于接收第一涡旋子光束21并检测第一涡旋子光束21的质心位置。
本发明实施例，第二检测组件5包括面阵探测器，用于接收涡旋光栅41并得到螺旋谱。
本发明实施例，分光组件2包括分光镜，用于接收待测对象7反射出的涡旋光束14并分束生成第一涡旋子光束21和第二涡旋子光束22。
本发明实施例，变形检测系统还包括第一计算机和第二计算机，第一空间光调制器4电连接于第一计算机，第二空间光调制器13电连接于第二计算机。
本发明实施例的第二方面提供一种变形检测方法，应用上述的变形检测系统检测待测对象7的变形量，参见附图2，方法包括以下步骤：
步骤S100，控制激光发射组件1发射涡旋光束14至待测对象7；
步骤S102，控制分光组件2接收涡旋光束14，并将涡旋光束14进行分束生成第一涡旋子光束21和第二涡旋子光束22；
步骤S104，控制第一检测组件3接收第一涡旋子光束21，并检测第一涡旋子光束21的质心位置；
步骤S106，控制第一空间光调制器4接收并调制第二涡旋子光束22成涡旋光栅41；
步骤S108，控制第二检测组件5接收涡旋光栅41，并得到螺旋谱；
上述螺旋谱即为涡旋光束14的轨道角动量谱，通过对涡旋光束14进行轨道角动量分析，可以将涡旋光束14展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成轨道角动量谱，也称为螺旋谱。
步骤S110，控制数据处理模块6接收质心位置和螺旋谱，计算待测对象7的变形量。
本发明实施例，步骤S110，计算待测对象的变形量，包括以下步骤：
步骤S111，基于螺旋谱，计算待测对象的第一变形量；
步骤S114，基于质心位置，计算待测对象的第二变形量；
步骤S117，基于待测对象的第一变形量和待测对象的第二变形量，计算待测对象的变形量，满足公式：
；
其中，为待测对象的变形量、/>为待测对象的第一变形量、/>为待测对象的第二变形量以及/>为权重系数。
需要说明的是，为了得到准确数据,需要在无干扰情况下得到涡旋光束的原始质心以及螺旋谱，并得到相应的待测对象的第一变形量与螺旋谱的第一函数关系，以及待测对象的第二变形量与质心位置的第二函数关系。以第一耦合函数和第二耦合函数作为基准，在有噪声的情况下，质心的位置以及螺旋谱均会出现误差，基于第一函数关系和第二函数关系得到的待测对象的第一变形量和待测对象的第二变形量存在误差，需要通过加权平均法进行融合，其中，权重系数的值可以通过多次反复实验得到，通过此方法即可得到误差更小，精度更高的待测对象的变形量检测。
因此，本发明实施例提供的一种变形检测方法，采用加权平均法进行融合，基于第一函数关系和第二函数关系得到的待测对象的第一变形量和待测对象的第二变形量赋予不同的权重系数，然后进行相加，能够得出更加精确的变形量。
需要说明的是，任何一束涡旋光束，其振幅均可用螺旋谐波函数exp展开。光束展开成螺旋谐波函数exp/>的线性叠加，便形成轨道角动量谱，即螺旋谱，将任意光场分布按螺旋谱谐波展开，可以得到公式如下：
exp/>；
其中，；光束的能量可以表达为，螺旋波上的能量/>,则可以求得该螺旋谐波的相对能量为/>，也就是各谐波分量的权重因子，即得到螺旋谱。/>为柱坐标系，/>为光束的光场，/>为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态，/>为真空介电常数，/>为对应螺旋波上的能量。
图3所示为涡旋光束14的螺旋谱分布图，图3中的横轴为各谐波分量的拓扑荷数，即各谐波分量对应的轨道角动量态，纵轴P为各分量对应的相对能量。当第二涡旋子光束22的螺旋谱分布与图3（a）所示的螺旋谱分布相同时，待测对象未发生变形；当第二涡旋子光束22的螺旋谱分布如图3（b）所示时，涡旋光束（14）的轨道角动量分量会向相邻轨道角动量态扩散，即螺旋谱图出现弥散现象，待测对象发生了变形。
为了定量研究螺旋谱的变化情况，引入螺旋谱的无量纲方差值。
本发明实施例，计算待测对象的第一变形量，包括以下步骤：
步骤S112，计算螺旋谱的无量纲方差值，满足公式：
；
其中，为螺旋谱的无量纲方差值，/>为螺旋谱分布的平均值，对于一束对准的涡旋光束（14），/>。当螺旋谱发生弥散时，/>，而且弥散程度越大，/>值越大。
其中，为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态，/>为螺旋谱分布的平均值，/>为螺旋谱谐波的相对能量；/>为螺旋波上的能量，q为所有谐波分量对应的轨道角动量态；对应螺旋波上的能量；/>为第m阶谐波的振幅；/>为柱坐标系，/>为光束的光场。
步骤S113，通过数值模拟方法，建立螺旋谱的无量纲方差值与待测对象的第一变形量/>的第一耦合函数，满足公式：
+/>；
其中，为螺旋谱的无量纲方差值，/>为待检测对象的第一变形量，为第一拟合系数，/>
需要说明的是，为基于仿真得到的第一拟合系数，为基于仿真得到的第二拟合系数，为拟合次方系数，从0到n变化，/>为拟合后最接近实际值的次方数。
需要说明的是，根据第一耦合函数，反推出待测对象的第一变形量。
需要说明的是，在涡旋光束的传输中，其光速质心位置比光束形状受大气湍流和雨滴的影响程度小，因此，计算光束质心位置的准确度更高。
本发明实施例，步骤S114，计算待测对象的第二变形量，包括以下步骤：
步骤S115，计算质心位置，满足公式：
；
其中，为光束的光场，/>为直角坐标系；/>为光束质心在直角坐标系下的横坐标；/>为光束质心在直角坐标系下的纵坐标；/>为偏移涡旋光束的光强；满足公式：
；
；
其中，k为载波数，为波长，/>为涡旋光传输距离，/>为柱坐标系下的方位角，/>为待测对象的变形量，/>为柱坐标下的坐标单位，/>为束腰半径，/>为拓扑荷数，/>为光照强度；/>为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态；/>为自定义中间变量，简化公式且方便后续计算；
其中， ，/> ，/> ，/> ， ；/>为系统传输矩阵，A、B、C、D为4个矩阵分量；C 1、C 2、Q均为自定义中间变量，简化公式且方便后续计算；/>为物体位移角度；
步骤S116，计算质心位置的偏移量，满足公式：
；
步骤S117，通过数值模拟方法建立质心位置的偏移量与待测对象的第二变形量的第二耦合函数，满足公式：
；
其中，为第三拟合系数。
需要说明的是，根据第二耦合关系，反推出待测对象的第二变形量。
其中，为光束的光场，/>为直角坐标系；/>为光束质心在直角坐标系下的横坐标；/>为光束质心在直角坐标系下的纵坐标；/>为偏移涡旋光束（14）的光强；
；
其中，，/>，/>，/>，，/>为系统传输矩阵，/>为四个矩阵分量，当/>时为自由空间的传输矩阵；k为载波数，/>为波长，/>为涡旋光传输距离，/>为柱坐标系下的方位角，/>为待测对象的变形量，/>为物体位移的角度，/>为束腰半径，/>为拓扑荷数，/>为光照强度；/>为系统传输矩阵，A、B、C、D为4个矩阵分量；C 1、C 2、Q均为自定义中间变量，简化公式且方便后续计算。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明进行更加详细的描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例一
令，/>，l=2，x、y的范围为-10/>到10/>，对步骤S112中的公式进行数值模拟，得到螺旋谱的无量纲方差值/>与待检测对象的第一变形量/>的第一耦合函数；
；
对步骤S115中的公式进行数值模拟，得到光束质心的偏移量与待检测对象的第二变形量/>的第二耦合函数；
；
表1 实验相关参数表
参见附图4（a）和图4（b），图4（a）所示为未加入噪声的第一耦合函数和加入噪声的第一耦合函数的对比图；图4（b）所示为未加入噪声的第二耦合函数与加入噪声的第二耦合函数的对比图。从图4（a）可以看出螺旋谱的无量纲方差与待检测对象的第一变形量/>之间呈单调关系，从图4（b）可以看出光束质心的偏移量/>与待测对象的第二变形量/>之间为线性关系。由于在实际测量中，会存在噪声，为了与实际情况接近，数值模拟中加入噪声，可以发现图像发生变化，说明在实际测量时会存在误差。
举例说明，参见表1，未加入噪声，待检测对象的变形量=8.4mm时，代入上述公式，可求得螺旋谱的无量纲方差值/>≈1；可求得光束质心位置的偏移量/>=0.0042mm；
加入噪声后，取光束质心的偏移量=0.0042mm；螺旋谱的无量纲方差值/>≈1，由图4（a）和图4（b），分别可得到，待检测对象的第一变形量/> '=8.2mm；待检测对象的第二变形量/> '=9mm，由此可得，基于螺旋谱无量纲方差确定的检测对象的第一变形量的误差为(/> '-d)/d=2.381%；基于光束质心的偏移量确定的检测对象的第二变形量的误差为(/> '-d)/d= 7.143%。
由图4（a）和图4（b）可知，待检测对象的变形量=0.0084m，加入噪声后，基于螺旋谱无量纲方差确定的检测对象的第一变形量为/> '=8.2mm；基于光束质心的偏移量确定的检测对象的第二变形量/> '=9mm；代入公式:/>,参见附图5（a），可知，最佳权重系数/>=0.75，待检测对象的变形量/>等于实际变形量，误差接近0。
同理，参见表1，未加入噪声，待检测对象的变形量=1.01mm时，代入上述，可求得螺旋谱的无量纲方差值/>≈0.09；可求得光束质心的偏移量/>=0.0005mm；
加入噪声后，取光束质心的偏移量=0.0005mm；螺旋谱的无量纲方差值/>≈0.09，由图4（a）和图4（b），分别可得到，待检测对象的第一变形量/> '=0.98mm；待检测对象的第二变形量/> '=1.1mm，由此可得，基于螺旋谱无量纲方差确定的待检测对象的第一变形量的误差为(/> '-d)/d=2.97%；基于光束质心的偏移量确定的待检测对象的第二变形量的误差为( '-d)/d=8.91%。
由图4（a）和图4（b）可知，待检测对象的变形量=1.01mm，加入噪声后，基于螺旋谱无量纲方差确定的检测对象的第一变形量为/> '=0.98mm；基于光束质心的偏移量确定的检测对象的第二变形量/> '=1.1mm；代入公式:/>,参见附图5（b），可知，最佳权重系数/>=0.75，待检测对象的变形量/>等于实际变形量，误差接近0。
由上述实验可知，数据融合后，待检测对象的变形量的误差远小于基于螺旋谱无量纲方差确定的待检测对象的第一变形量的误差，以及基于光束质心的偏移量确定的待检测对象的第二变形量的误差，甚至是无误差，因此，将螺旋谱无量纲方差确定的待检测对象的第一变形量与光束质心的偏移量确定的待检测对象的第二变形量进行数据融合，能够有效提高待检测对象的变形量的测量精度。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (10)
1.一种变形检测系统，其特征在于，包括：
激光发射组件（1），用于发射涡旋光束（14）至待测对象（7）；
分光组件（2），用于接收所述待测对象（7）反射出的涡旋光束（14），并至少分出第一涡旋子光束（21）和第二涡旋子光束（22）；
第一检测组件（3），用于接收所述第一涡旋子光束（21），并检测所述第一涡旋子光束（21）的质心位置；
第一空间光调制器（4），用于接收并调制所述第二涡旋子光束（22）成涡旋光栅（41）；
第二检测组件（5），用于接收所述涡旋光栅（41），并得到螺旋谱；以及，
数据处理模块（6），用于接收所述质心位置和所述螺旋谱，计算所述待测对象（7）的变形量。
2.根据权利要求1所述的变形检测系统，其特征在于，所述激光发射组件（1）包括：激光器（11）和第二空间光调制器（13），所述第二空间光调制器（13）用于接收所述激光器（11）发出的激光光束并转换为所述涡旋光束（14）。
3.根据权利要求2所述的变形检测系统，其特征在于，所述激光发射组件（1）还包括准直器（12），所述准直器（12）设于所述激光器（11）和所述第二空间光调制器（13）之间。
4.根据权利要求1所述的变形检测系统，其特征在于，第一检测组件（3）包括CCD相机，用于接收所述第一涡旋子光束（21）并检测所述第一涡旋子光束（21）的质心位置；
和/或，所述第二检测组件（5）包括面阵探测器，用于接收所述涡旋光栅（41）并得到所述螺旋谱。
5.根据权利要求1所述的变形检测系统，其特征在于，所述分光组件（2）包括分光镜，用于接收所述待测对象（7）反射出的涡旋光束（14）并分束生成第一涡旋子光束（21）和第二涡旋子光束（22）。
6.根据权利要求2所述的变形检测系统，其特征在于，所述变形检测系统还包括第一计算机和第二计算机，所述第一空间光调制器（4）电连接于所述第一计算机，所述第二空间光调制器（13）电连接于所述第二计算机。
7.一种变形检测方法，其特征在于，应用权利要求1-6任一项所述的变形检测系统检测所述待测对象的变形量，所述方法包括以下步骤：
控制所述激光发射组件（1）发射所述涡旋光束（14）至所述待测对象；
控制所述分光组件（2）接收所述涡旋光束（14），并将所述涡旋光束（14）进行分束生成第一涡旋子光束（21）和第二涡旋子光束（22）；
控制所述第一检测组件（3）接收所述第一涡旋子光束（21），并检测所述第一涡旋子光束（21）的质心位置；
控制所述第一空间光调制器（4）接收并调制所述第二涡旋子光束（22）成涡旋光栅（41）；
控制所述第二检测组件（5）接收所述涡旋光栅（41），并得到螺旋谱；
控制所述数据处理模块（6）接收所述质心位置和所述螺旋谱，计算所述待测对象的变形量。
8.根据所述权利要求7所述的变形检测方法，其特征在于，所述计算所述待测对象的变形量，包括以下步骤：
基于所述螺旋谱，计算所述待测对象的第一变形量；
基于所述质心位置，计算所述待测对象的第二变形量；
基于所述待测对象的第一变形量和所述待测对象的第二变形量，计算所述待测对象的变形量，满足公式：
；
其中，为所述待测对象的变形量、/>为所述待测对象的第一变形量、/>为所述待测对象的第二变形量以及/>为权重系数。
9.根据所述权利要求8所述的变形检测方法，其特征在于，所述计算所述待测对象的第一变形量，包括以下步骤：
计算所述螺旋谱的无量纲方差值，满足公式：
；
；
；
；
其中，为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态，/>为螺旋谱分布的平均值，/>为螺旋谱谐波的相对能量；/>为螺旋波上的能量，q为所有谐波分量对应的轨道角动量态；/>对应螺旋波上的能量；
为第m阶谐波的振幅；/>为柱坐标系，/>为光束的光场；
建立所述螺旋谱的无量纲方差值与所述待测对象的第一变形量/>的第一耦合函数，满足公式：
+/>；
其中，为螺旋谱的无量纲方差值，/>为待检测对象的第一变形量，/>为第一拟合系数，/>为第二拟合系数。
10.根据所述权利要求8所述的变形检测方法，其特征在于，所述计算所述待测对象的第二变形量，包括以下步骤：
计算所述质心位置，满足公式：
；
；
；
其中，为光束的光场，/>为直角坐标系；/>为光束质心在直角坐标系下的横坐标；/>为光束质心在直角坐标系下的纵坐标；/>为偏移涡旋光束的光强；k为载波数，/>为波长，/>为涡旋光传输距离，/>为柱坐标系下的方位角，/>为所述待测对象的变形量，为柱坐标下的坐标单位，/>为束腰半径，/>为拓扑荷数，/>为光照强度；/>为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态；
其中， ，/> ，/> ，/> ， ；/>为系统传输矩阵，A、B、C、D为4个矩阵分量；/>为物体位移角度；
计算所述质心位置的偏移量，满足公式：
；
建立所述质心位置的偏移量与所述待测对象的第二变形量/>的第二耦合函数，满足公式：
；
其中，为第三拟合系数。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111336930A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-06-26 | 河海大学常州校区 | 基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置 |
| CN112857206A (zh) * | 2019-11-28 | 2021-05-28 | 余姚舜宇智能光学技术有限公司 | 激光干涉仪及其光学系统、检测方法以及弯沉检测设备 |
| CN114858073A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-08-05 | 北京建筑大学 | 变形检测系统及变形检测方法 |
| CN114894097A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-08-12 | 北京建筑大学 | 利用涡旋光变形测量物体位移的方法、装置及系统 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160146600A1 (en) * | 2013-11-22 | 2016-05-26 | Shervin Taghavi Larigani | Novel technique of displacement and rotation measurement |
| US10670391B2 (en) * | 2018-10-26 | 2020-06-02 | Northrop Grumman Systems Corporation | Confocal optical protractor |
-
2023
- 2023-08-25 CN CN202311080986.3A patent/CN116772741B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112857206A (zh) * | 2019-11-28 | 2021-05-28 | 余姚舜宇智能光学技术有限公司 | 激光干涉仪及其光学系统、检测方法以及弯沉检测设备 |
| CN111336930A (zh) * | 2020-04-17 | 2020-06-26 | 河海大学常州校区 | 基于涡旋光和金属包覆波导的二次古斯汉欣位移产生装置 |
| CN114858073A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-08-05 | 北京建筑大学 | 变形检测系统及变形检测方法 |
| CN114894097A (zh) * | 2022-03-31 | 2022-08-12 | 北京建筑大学 | 利用涡旋光变形测量物体位移的方法、装置及系统 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 光学涡旋产生与变形测量;史凯;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;全文 * |
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