CN116839512A - 飞机表面质量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机表面质量检测方法，采用非相干光源照明检测系统，利用DMD产生八幅具有相位差的正弦光栅条纹图投影到飞机待测表面，控制成像镜头由上自下扫描待测表面，扫描范围覆盖成像镜头整个焦深范围，每个扫描位置循环投影八幅条纹图，并通过CCD相机采集成像图像；然后利用八步相移算法处理采集的成像图像信息，得到每个像素点纵向调制度响应曲线，最后结合成像镜头移动步距实现深度映射从而得到待测区域的三维点云信息，在此基础上计算得到待测表面的表面粗糙度。与现有的测量方法相比，本发明测量过程实现方便，测量效率高且不会对待测表面造成损伤，可实现对飞机表面质量的精确测量。
Description
技术领域
本发明属于数字化检测技术领域，具体涉及一种飞机表面质量检测方法。
背景技术
超音速、隐身是新一代战机的重要特征，而飞机外形直接决定着飞机的气动性能及隐身性能；因此，超高速飞行状态及高隐身性需求对飞机外形制造、装配和检测技术及工艺提出了严苛的要求。外形检测作为飞机制造的最后一道工序，对制造与设计之间微小差异的检测能力，将直接影响飞机交付质量及使用质量。粗糙度作为飞机表面制造质量的关键评价指标，由于其尺寸微小导致现有的测量方法往往难以进行有效的测量。目前通过人工采用接触式测量仪器进行粗糙度检测，不仅测量效率较低，还存在容易划伤飞机表面的问题。
光学测量方法以其全视场、高效率、非接触等特点在评估粗糙度测量领域有极大的应用前景，主流的测量方法包括共聚焦扫描测量方法和激光光源类测量方法。其中，共聚焦扫描测量方法属于点测量，效率较低，难以满足飞机表面的测量需求；激光光源类测量方法在测量时由于散斑、条纹的问题，减弱了成像效果，导致调制度解析算法精度较低，从而影响测量的精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机表面质量检测方法，解决现有检测方法效率低、测量精度不高的问题。
本发明的目的还在于提供一种飞机表面质量检测系统。
本发明通过下述技术方案实现：
飞机表面质量检测方法，包括以下步骤：
S01、将光源经DMD调制处理产生具有设定相位差的多幅正弦光栅条纹图，并将条纹图投影到待测物体表面；
S02、采用CCD相机获取待测物体及条纹图图像，将成像镜头设置于待测物体上方；
S03、调节成像镜头高度，至待测物体及条纹图在CCD上的成像彻底模糊；
S04、在该位置处依次将各幅正弦光栅条纹图投射到待测物体表面，并通过CCD相机获取对应的成像图片；
S05、以设定步距向下调节成像镜头至下一个扫描位置，重复步骤S04；
S06、重复步骤S05，使成像镜头的运动范围覆盖整个焦深范围，直至待测物体及条纹图在CCD上的成像再次彻底模糊；
S07、根据获取的成像图片信息，得到像素点纵向调制度响应曲线；
S08、对纵向调制度响应曲线进行拟合处理；
S09、根据成像镜头纵向移动步距进行深度映射，获取待测物体对应区域的三维点云数据，计算得到飞机表面质量参数。
在一些实施例中，所述光源为非相干光源。采用非相干光源可避免相干光源容易引起散斑、条纹的为，增强正弦光栅条纹成像效果，保证调制度解析算法精度。
在一些实施例中，检测时将DMD调节至与待测物体处于光学共轭位置处，使物体表面和投影条纹在CCD上的成像同步清晰、模糊。
在一些实施例中，步骤S01中调节成像镜头高度至待测物体位于镜头焦深范围内，以方便快速寻找和定位目标检测区域，提高检测效率。
在一些实施例中，步骤S01中经DMD调制产生初始相位为0且具有π/4相位差的八幅正弦光栅条纹图。
在一些实施例中，步骤S07中，根据成像图片信息得到每个扫描位置条纹调制度的X-Y平面分布，提取单个像素点在每个扫描位置处的调制度值，得到像素点纵向调制度响应曲线。
在一些实施例中，步骤S07中，采用多步相移求解调制度算法处理成像图片信息，以得到每个扫描位置条纹调制度的X-Y平面分布。
在一些实施例中，步骤S08中，采用改进重心法对纵向调制度响应曲线进行拟合处理，通过增加峰值附近点的权重来定位峰值位置。在得到单个像素点纵向调制度响应曲线后，采用改进重心法进行峰值定位能够更加精确地拟合峰值，并不会增加时间复杂度。
另一方面，本发明中还提供一种飞机表面质量检测系统，包括：
DMD，所述DMD用于对光源进行调制处理产生具有相位差的多幅正弦光栅条纹图；
成像镜头，所述成像镜头用于对待测物体表面进行成像和扫描，所述成像镜头被配置为能够以设定的步距调节其与待测物体之间的距离；
CCD相机，所述CCD相机用于获取待测物体及待测物体表面条纹图的成像图像；
检测镜组，所述检测镜组包括Tube透镜和分光镜；
DMD调制产生的正弦光栅条纹图依次经Tube透镜和分光镜后被投影到待测物体表面，待测物体及待测物体表面条纹图依次经成像镜头和分光镜后被CCD相机获取。
在一些实施例中，所述光源为非相干光源。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
采用非相干光源照明检测系统，利用DMD产生八幅具有π/4相位差的正弦光栅条纹图投影到飞机待测表面，控制成像镜头由上自下扫描待测表面，扫描范围覆盖成像镜头整个焦深范围，每个扫描位置循环投影八幅条纹图，并通过CCD相机采集成像图像；然后利用八步相移算法处理采集的成像图像信息，得到每个像素点纵向调制度响应曲线，最后结合成像镜头移动步距实现深度映射从而得到待测区域的三维点云信息，在此基础上即可计算得到待测表面的表面粗糙度，实现对飞机表面质量的检测和评价。
与现有的测量方法相比，本发明采用非接触测量方式，测量过程实现方便，测量效率高且不会对待测表面造成损伤；采用非相干光源照明测量系统进行测量，可避免相干光源容易引入散斑、条纹的问题，可增强在测量过程中正弦光栅条纹成像效果，保证检测方法调制度解析计算的精度，可实现对飞机表面质量的精确测量。
该检测方法中整个扫描过程在每一纵向扫描位置循环投影相移条纹图，并采用CCD同时记录成像，利用相移算法求解条纹调制度，以此获取的图像信息进行计算，具有高精度、高适应性的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明飞机表面质量检测方法所采用的检测系统结构示意图。
图2为飞机表面微观状态下表面形貌示意图。
图3为本发明飞机表面质量检测方法流程示意图。
其中：1、DMD数字微镜阵列，2、Tube透镜，3、CCD相机，4、分光镜，5、成像镜头，6、待测物体。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本申请具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部内容。在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
基于现有检测方法存在的问题，本实施中采用非相干光源照明检测系统对飞机表面进行检测，其中用于实现该检测方法的飞机表面质量检测系统，包括：
DMD，DMD用于对光源进行调制处理产生具有相位差的多幅正弦光栅条纹图；
成像镜头，成像镜头用于对待测物体表面进行成像和扫描，成像镜头被配置为能够以设定的步距调节其与待测物体之间的距离；
CCD相机，CCD相机用于获取待测物体及待测物体表面条纹图的成像图像；
检测镜组，所述检测镜组包括Tube透镜和分光镜；
DMD调制产生的正弦光栅条纹图依次经Tube透镜和分光镜后被投影到待测物体表面，待测物体及待测物体表面条纹图依次经成像镜头和分光镜后被CCD相机获取。
具体地，参照图1，该检测系统包括DMD数字微镜阵列1、Tube透镜2、CCD相机3、分光镜4和成像镜头5；DMD数字微镜阵列1用于产生测量所需的正弦光栅条纹，CCD相机2用于获取测量过程中的成像图像，成像镜头3用于对飞机表面待测区域成像和扫描；检测系统的光路如图1所示，DMD数字微镜阵列产生的正弦光栅条纹图像分别经Tube透镜、分光镜后投影到待测物体6表面。
DMD数字微镜阵列(Digtial Micromirror Devices,DMD)，是一种基于半导体制造技术，由高速数字式光反射开关阵列组成的器件，通过控制微镜片绕固定轴(轭)的旋转和时域响应(决定光线的反射角度和停滞时间)来决定成像图形和其特性。
Tube透镜通常用于在显微镜镜体内与物镜相配使用，两者结合起来可对物镜的像差进行完善的校正，而且物镜的视域相当宽阔。
图2为飞机表面微观状态下表面形貌示意图，从图中可以看出，在宏观状态下表现为平面的区域，在微观状态下的粗糙度表现明显。
测量系统采用非相干光源可解决相干光源容易引入散斑、条纹的问题，可增强测量过程中正弦光栅条纹成像效果，保证调制度解析计算精度，从而提高测量精度。
参照图3，采用该测量系统对飞机表面进行质量检测的步骤如下：
S00、调节DMD、CCD相机与Tube透镜之间的距离，DMD到Tube透镜的距离与CCD靶面距Tube透镜的距离相同，使DMD与待测物体处于光学共轭位置处，在该位置状态下能够保证物体表面和投影条纹在CCD的成像能够同步清晰和模糊；
S01、将光源经DMD调制处理产生初始相位为0且具有π/4相位差的八幅正弦光栅条纹图，并通过光路系统投影到待测物体表面；
S02、采用CCD相机获取待测物体及条纹图图像，将成像镜头设置于待测物体上方，并调节成像镜头高度至待测物体位于镜头焦深范围内，并使待测物体在CCD上的成像清晰可见，以方便快速寻找和定位待检测的目标区域，提高检测效率；
S03、向上调节成像镜头高度，直至待测物体及条纹图在CCD上的成像彻底模糊不清，即将其位置调整到使待测物体正好处于焦深范围外或焦深范围的临界位置处；
S04、在该位置处依次将DMD产生的八幅正弦光栅条纹图投影到待测物体表面，且每投影一幅条纹图，通过CCD相机同步拍摄一幅成像图片；
其中，正弦光栅条纹投影到物体表面时，在某一纵向扫描位置z处，其X-Y平面光强分布可表示为：
其中，I0表示背景光强，M(x,y；z)为包含待测物体深度信息的调制度信息，f0表示投影光栅归一化频率，表示相位信息。
由式(1)可知，光强方程中包含I0、M及三个未知量，多步相移技术是通过获取多幅光强图得到多组光强方程进而求解未知数来实现调制度解调。因此，在每个扫描位置需至少投影L(此时L＝8)幅具有一定相位差的正弦光栅条纹图，对所有L幅成像图片计算，得到X-Y平面光强分布，表示为：
式中，i代表条纹图序号，其它参数的含义与式(1)中相同；
S05、以一个设定的步距向下调节成像镜头至下一扫描位置，重复步骤S04；这里步距的设置根据焦深的范围以及所需要扫描测量的次数而定；
S06、重复步骤S05，使成像镜头的运动范围覆盖整个焦深范围，直至待测物体及条纹图在CCD上的成像再次彻底模糊，即将其位置再次调整到使待测物体正好处于焦深范围外或焦深范围的临界位置处；该过程中通过将成像镜头朝一个方向逐步调节，使成像镜头的运动遍历整个镜头的焦深范围；
S07、采用八步相移求解调制度算法处理成像图片信息，得到每个扫描位置条纹调制度的X-Y平面分布，进一步提取单个像素点在每个扫描位置处的调制度值得到像素点纵向调制度响应曲线；
联立光强方程组，即可求解调制度信息，表示为：
S08、采用改进重心法对纵向调制度响应曲线进行拟合处理，实现峰值定位；
在得到调制度曲线后需要进行目标位置提取，这里采用改进重心法进行拟合处理，改进重心法在重心法的基础上增大了峰值附近点在计算公式中的权重，从而能够更好地定位峰值位置，相对减少远离中心位置处值的影响，在不增加时间复杂度的情况下可更精确地提取目标位置，表示为：
其中，M表示调制度值，zmax表示所求解峰值位置，T表示针对调制度序列分割的阈值。采用M(i)-T处理可消除背景光强所引入的调制度误差，采用平方处理可增大峰值附近点在计算公式中的权重，以达到更好的拟合效果。
S09、根据成像镜头纵向移动步距进行深度映射，获取待测物体对应区域的三维点云数据；
其中，深度映射公式可表示为：
h(x，y)＝zmax*ΔZ……(5)
其中，ΔZ为成像镜头纵向移动步距，为系统已知值；
基于三维点云数据即可对待测区域指定线、面的粗糙度进行计算，实现对飞机表面质量的检测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.飞机表面质量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01、将光源经DMD调制处理产生具有设定相位差的多幅正弦光栅条纹图，并将条纹图投影到待测物体表面；
S02、采用CCD相机获取待测物体及条纹图图像，将成像镜头设置于待测物体上方；
S03、调节成像镜头高度，至待测物体及条纹图在CCD上的成像彻底模糊；
S04、在该位置处依次将各幅正弦光栅条纹图投射到待测物体表面，并通过CCD相机获取对应的成像图片；
S05、以设定步距向下调节成像镜头至下一个扫描位置，重复步骤S04；
S06、重复步骤S05，使成像镜头的运动范围覆盖整个焦深范围，直至待测物体及条纹图在CCD上的成像再次彻底模糊；
S07、根据获取的成像图片信息，得到像素点纵向调制度响应曲线；
S08、对纵向调制度响应曲线进行拟合处理；
S09、根据成像镜头纵向移动步距进行深度映射，获取待测物体对应区域的三维点云数据，计算得到飞机表面质量参数。
2.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，所述光源为非相干光源。
3.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，检测时将DMD调节至与待测物体处于光学共轭位置处。
4.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，步骤S01中调节成像镜头高度至待测物体位于镜头焦深范围内。
5.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，步骤S01中经DMD调制产生初始相位为0且具有π/4相位差的八幅正弦光栅条纹图。
6.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，步骤S07中，根据成像图片信息得到每个扫描位置条纹调制度的X-Y平面分布，提取单个像素点在每个扫描位置处的调制度值，得到像素点纵向调制度响应曲线。
7.根据权利要求6所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，步骤S07中，采用多步相移求解调制度算法处理成像图片信息，以得到每个扫描位置条纹调制度的X-Y平面分布。
8.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，步骤S08中，采用改进重心法对纵向调制度响应曲线进行拟合处理，通过增加峰值附近点的权重来定位峰值位置。
9.根据权利要求1所述的飞机表面质量检测方法，其特征在于，该检测方法所采用的检测系统包括：
DMD，DMD用于对光源进行调制处理产生具有相位差的多幅正弦光栅条纹图；
成像镜头，成像镜头用于对待测物体表面进行成像和扫描，成像镜头被配置为能够以设定的步距调节其与待测物体之间的距离；
CCD相机，CCD相机用于获取待测物体及待测物体表面条纹图的成像图像；
检测镜组，所述检测镜组包括Tube透镜和分光镜；
DMD调制产生的正弦光栅条纹图依次经Tube透镜和分光镜后被投影到待测物体表面，待测物体及待测物体表面条纹图依次经成像镜头和分光镜后被CCD相机获取。
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