相移数字散斑干涉计量系统.docxVIP

文章编号:1000-1158(2000)03-0167-06相移数字散斑干涉计量系统郑文(广州大学维修工程技术学部,广州510091)摘要:本文建立了一套相移激光数字散斑干涉自动测量系统,运用一系列的图象处理方法,实现了高精度的自动测量,显著地提高了数字散斑干涉计量技术的可靠性、实用性及自动化程度。该计量系统被应用于变形、振动等参数的测量中,取得了较为理想的结果。关键词:散斑;干涉计量;相移;图像处理中图分类号:TH744.3文献标识码:A1前言数字散斑干涉计量是一种高灵敏度的光电检测技术,它能够对粗糙物体表面的位移、变形、振动及形状进行全场、非接触测量,是无损探伤、实验模态分析、实验力学分析以及各种精密测量的理想工具,在许多行业中有着广泛的应用前景。但是,由于探测器分辨率低、条纹颗粒感强、信噪比低等原因,信息自动识别比较困难,使得该技术在测量精度、速度上受到一定限制,特别是在进行定量分析时有较大局限性。在散斑干涉计量中引入相移技术及数字图像处理技术1～3,较好地解决了散斑干涉条纹图的自动识别问题。由于相位测量只与被测点的光强变化有关,不受周围其它点的影响,故测量结果不受背景光强起伏、干涉条纹图边缘等的影响,在条纹对比度很低的情况下仍能获得良好的结果。相移技术的采用,将常规散斑干涉计量的测量精度提高了一个数量级。本文在廉价的微机及图象处理系统的基础上,研制了一套相移激光数字散斑干涉自动测量系统。运用多种图象处理及变换方法来实现高精度的自动测量,并将该计量系统应用于粗糙物体表面的变形、振动等参数的测量中。2计量原理在相移数字散斑干涉计量中,常用的测量方法有两种:一种是相位相减法,即利用相移技术分别求解变形前后散斑干涉场的相位分布,通过相减产生二次相位条纹,实现变化信息的测量;另一种是相关条纹法,它利用变形前后干涉场的强度相减得到不同相移量下的二次相关条纹,并对各种相移量下的相关条纹图进行平滑滤波处理及相位计算,从中提取变化信息。考虑收稿日期:1999-03-27;修回日期:1999-06-29168计量学报2000年7月到运算的数据量、图像处理的难易程度、测量的可靠性等因素,本文选用相关条纹法来计算相位。通过对这种算法的分析可知,在等间距、满周期(360°)采样情况下,干涉条纹的相位计算最准确,并且具有最强的抗干扰能力;考虑到相位漂移、分析速度等因素,这里选用最少的采样次数4即N=3,相移量分别为0°,120°,240°。假设Ib1、Ib2、Ib3分别为物面初始状态下记录下来的不同相移量的散斑场,Ia为变化后的物面的散斑场,则相移相关条纹图可表示为Ii(x,y)=[Ia(x,y)-Ibi(x,y)]2=I0(x,y){1+mcos[φ(x,y)+βi}i=1,2,3式中,I0为条纹图背景光强,m为条纹对比度,φ为被测相位,β为引入的相移量。条纹图中每一点的相位值为φ=arctg(3B/A)A=2I1-I2-I3B=I3-I2通过相位φ可以进一步计算出物体的变形场或其它参数。3测量系统相移数字散斑干涉计量系统主要由光学单元、相移器及其控制单元、图像处理单元等构成。粗糙物体表面形成的散斑场经CCD摄像机以数字图像的形式记录下来;相位测量时,分别记录物体变形前的三幅相移散斑图,记录一幅变形后的散斑图;变形后的散斑图分别与变形前三幅图相减,得到三幅相移散斑干涉条纹图;经过平滑滤波处理后,将三幅条纹图进行图像计算,就得到了表示物面变形大小的相位条纹;对相位条纹进行滤波、去包裹等后处理,即得到物体表面的变形场;变形场可以以数据或三维图形的形式输出。311光学系统相移数字散斑干涉计量的光学系统与一般电子散斑干涉的布置相同,有平滑参考波面、散斑参考波面、双光束等三种布置形式。相移引入方法非常简单,无需改变原光路,只需将相移器加入参考光或一照明光束中。312图象处理系统提取相位信息时,需要对多幅图象进行数字处理、计算、变换等,这里采用一套通用的图象处理系统来实现。系统基本配置如图1所示,由微机、CA2M540D图象采集卡、MTV21801CB高灵敏度CCD摄像机、打印机及图象监视器等组成。干涉图经CCD变为视频信号,由图像卡中高速A/D转换成数字量,存放于帧存储器中。帧存中的数据可以通过其中的显示逻辑电路重新变成模拟量,以视频速率实现实时显示。图像卡中有2×512×512×8bit的存储空间,分为八块,其中每块(64K)能以映射方式作为计算机内存使用,并由控制寄存器实现自动切换。卡中的四个查找表可由用户编写,能方便、迅速地实现各种变换、处理。使用时,图像卡直接插入微机扩展槽中。313相移器及其标定相移干涉计量中,需要均匀地改变两相干波面的相对相位,达到相移的目的。本文采用单片压电陶瓷PZT作为移动元件,它的结构简单,体积小,使用方便灵活,响应速度