專利名稱：大剪切載頻電子散斑干涉位移場分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及載頻電子散斑干涉位移場的分離方法。
背景技術(shù)：
剪切電子散斑干涉技術(shù)具有光路簡單、自動(dòng)化程度高、防震的要求低、可直接測量位移的導(dǎo)數(shù)場等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域。利用大錯(cuò)位晶體棱鏡(Wollaston棱鏡)的剪切電子散斑干涉技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)散斑干涉的位移測量，具有系統(tǒng)簡單、不需要專門引入?yún)⒖脊猓瑮l紋質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。為高精度分析變形場的干涉條紋，常用相移法和載波法實(shí)現(xiàn)變形場的位相測量。與相移方法相比，干涉條紋空間調(diào)制的載波方法不需要精密的相移設(shè)備，對(duì)測量的環(huán)境要求低，具有適合動(dòng)態(tài)測量的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中有重要價(jià)值。由于光干涉計(jì)量都是基于干涉條紋來進(jìn)行位移場測量的，干涉條紋的質(zhì)量對(duì)測量結(jié)果的影響很大。特別是干涉條紋空間調(diào)制載波方法，更需要有高對(duì)比度條紋。全息干涉術(shù)和云紋干涉得到的干涉條紋對(duì)比度比較高，該方法在全息術(shù)及云紋干涉中應(yīng)用較多。該方法也被引入到電子散斑干涉中，但是散斑條紋的高噪聲，限制了該技術(shù)的發(fā)展。近年來，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，該方法又引起了人們的重視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有電子散斑干涉技術(shù)存在的不足，提供一種能夠快速、穩(wěn)定地測量物體變形場二維分量的大剪切載頻電子散斑干涉位移場分離的方法。
本發(fā)明大剪切載頻電子散斑干涉位移場分離方法為在剪切電子散斑干涉系統(tǒng)中，將被測物體旁邊放置一參考物，用對(duì)稱雙光束分別同時(shí)照明被測物體和參考物；通過大剪切棱鏡實(shí)現(xiàn)散斑干涉，將參考物偏轉(zhuǎn)引入載波調(diào)制條紋；根據(jù)物體變形的大小，適量偏轉(zhuǎn)參考物角度，以調(diào)節(jié)空間頻率，實(shí)現(xiàn)位移場的調(diào)制；被測物體加載后載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲變形；利用傅里葉變換法，分別解調(diào)得到包含離面和面內(nèi)位移信息的二幅位相圖；二相位圖解包絡(luò)后，進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算將面內(nèi)位移場與離面位移場分離。
本發(fā)明通過大剪切棱鏡實(shí)現(xiàn)散斑干涉，使得系統(tǒng)簡單；通過參考物的偏轉(zhuǎn)引入載波調(diào)制條紋，得到了高質(zhì)量的調(diào)制條紋，具有條紋對(duì)比度高的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)空間頻率與參考物偏轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系，很方便地得到位移場的調(diào)制。結(jié)合傅里葉變換方法，可以通過簡單的位相運(yùn)算將面內(nèi)位移場與離面位移場分離。本發(fā)明提出了大剪切載波調(diào)制分離位移場的方法，具有調(diào)制條紋質(zhì)量好，系統(tǒng)簡單，不需要參考光等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速、穩(wěn)定地測量物體變形場二維分量。


圖1為大剪切電子散斑干涉載頻調(diào)制光路示意圖。
圖2為加載前照明光11照明物體時(shí)的載波條紋圖。
圖3為加載后照明光11照明物體時(shí)的調(diào)制載波條紋圖。
圖4為加載前照明光12照明物體時(shí)的載波條紋圖。
圖5為加載后照明光12照射物體時(shí)受物體變形調(diào)制發(fā)生彎曲后的調(diào)制載波條紋圖。
圖6為照明光11照明時(shí)解調(diào)出的包絡(luò)位相圖。
圖7為照明光12照明時(shí)解調(diào)出的包絡(luò)位相圖。
圖8為分離出的水平位移分量u場的等位移分布圖。
圖9為分離出的離面位移分量w場的等位移分布圖。
圖中1、可變分光鏡，2、反射鏡2，3、攝像機(jī)，4、透鏡，5、偏振片，6、大剪切棱鏡，7、擴(kuò)束鏡1，8、擴(kuò)束鏡2，9、反射鏡1，10、反射鏡3，11、照明光1，12、照明光2，13、被測物體，14、參考物。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例大剪切電子散斑干涉載頻調(diào)制光路如圖1所示。激光束經(jīng)過分光成為二束經(jīng)過可變分光鏡1、反射鏡9和擴(kuò)束鏡7，成為照明光11；經(jīng)過可變分光鏡1、反射鏡2、反射鏡10和擴(kuò)束鏡8，成為照明光12。調(diào)節(jié)可變分光鏡1，可使照明光11和照明光12等光強(qiáng)。被測物體13旁邊固定放置一參考物14，照明光11和照明光12均能同時(shí)照明二物體。當(dāng)照明光11或者照明光12照明物體時(shí)，物體的漫反射光經(jīng)過大剪切棱鏡6、偏振片5，再經(jīng)透鏡4進(jìn)入攝像機(jī)3。
正入射的光束進(jìn)入棱鏡6，棱鏡6產(chǎn)生兩個(gè)錯(cuò)位的像。將棱鏡6和偏振片5置于攝像機(jī)3的鏡頭前面(見圖1)，若棱鏡6的錯(cuò)位角很大，則物體自身由于錯(cuò)位而在攝像機(jī)3靶面形成的二個(gè)像可完全分離，而與放在物體旁邊的參考物14的一個(gè)像相疊加。當(dāng)入射光同時(shí)照射在被測物體13和參考物14上，用大錯(cuò)位棱鏡6可以使攝像機(jī)3同時(shí)接受物光和參考光的信息，但物光和參考光的偏振方向相互垂直，為使這兩束振動(dòng)方向不同的偏振光干涉，在錯(cuò)位棱鏡6后還要布置一偏振片5，其偏振方向與錯(cuò)位棱鏡的兩光軸成45°。這樣使物光和參考光信息在攝像機(jī)3的靶面上實(shí)現(xiàn)同軸偏振相干，而且光強(qiáng)幾乎相等，從而有好的干涉結(jié)果。
物體變形前由二光束分別照明，分別采集一幅物體未加載的原始散斑圖像存入計(jì)算機(jī)中。隨后，對(duì)應(yīng)二光束分別照明采集物體在其他狀態(tài)的圖像，并每一幅圖像與第一幅圖像相減，相減后的結(jié)果實(shí)時(shí)地顯示在監(jiān)視器上。期間參考物偏轉(zhuǎn)可引入載波條紋，當(dāng)物體有變形時(shí)，載波條紋受物體的變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲。
干涉條紋場經(jīng)線性調(diào)制后，變成密集的、含有變形信息的載波條紋。受調(diào)制的載波條紋可表述為I(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos[Δφ(x，y)+2πf0x](1)其中，a(x，y)為背景光強(qiáng)，b(x，y)為條紋幅值，b(x，y)/a(x，y)常稱為條紋對(duì)比度，Δφ(x，y)為物體變形引起的位相變化，即待求位相，它們都是空間位置的函數(shù)。式中f0是參考物偏轉(zhuǎn)引入的沿x軸方向的空間頻率。由理論推導(dǎo)可知
f0=Δα(1+cosθ)λ---(2)]]>其中，λ是所用激光的波長，θ是照明光與物體表面法線的夾角，Δα為參考物轉(zhuǎn)動(dòng)的微小角度。
由(1)式可知，受調(diào)制的干涉條紋的相移量不隨時(shí)間變化，而是隨空間變化。載波條紋在x方向上的光強(qiáng)表達(dá)式(1)可表示為I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(j2πf0x)+c*(x，y)exp(-j2πf0x)(3)其中，j代表虛部單位，*表示復(fù)數(shù)的共軛。c(x，y)用復(fù)數(shù)形式來表示，為c(x,y)=12b(x,y)exp[jΔφ(x,y)]---(4)]]>在x軸方向?qū)鈴?qiáng)I(x，y)進(jìn)行傅立葉變換可以得到H(fx，y)＝A(fx，y)+C(fx-f0，y)+C*(fx+f0，y)(5)其中，A(fx，y)是由背景光強(qiáng)和低頻噪聲變換得到的。用適當(dāng)?shù)臑V波器將A(fx，y)和C*(fx+f0，y)濾掉，得到C(fx-f0，y)后將其移到原點(diǎn)變?yōu)镃(fx，y)，再做傅立葉逆變換得到c(x，y)，可得到相位分布Δφ(x,y)=tan-1Im[c(x,y)]Re[c(x,y)]---(6)]]>其中，Re和Im表示取復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。由式(6)得到的是主值在[-π，π]內(nèi)的變化的包絡(luò)位相，需要解包絡(luò)運(yùn)算才能將其連續(xù)化。
當(dāng)照明光11和照明光12分別照明物體時(shí)，光波相位變化與物體變形關(guān)系為ΔφA(x,y)=2πλ[w(1+cosθ)+usinθ]---(7)]]>ΔφB(x,y)=2πλ[w(1+cosθ)-usinθ]---(8)]]>其中w是物體變形沿z軸方向上的離面位移，u是物體變形沿x軸方向上的面內(nèi)位移。可見，測量得到的是混合場。
將式(7)與式(8)相加和相減，可得離面位移場和面內(nèi)位移場。
ΔφA(x,y)+ΔφB(x,y)=4πλw(1+cosθ)---(9)]]>ΔφA(x,y)-ΔφB(x,y)=4πλusinθ---(10)]]>
由式(9)和式(10)可見，只要分別求出照明光11和照明光12照射時(shí)物體變形的位相變化，然后對(duì)這二幅位相場進(jìn)行簡單的加減運(yùn)算，就可以將離面位移場與面內(nèi)位移場分離開來。
用圖1所示光路，對(duì)簡支梁進(jìn)行位移場的測量與分離，兩光束的入射角為49.4°，在防震臺(tái)上進(jìn)行。簡支梁長為150mm，高度為19.50mm，厚度為18.50mm，有機(jī)玻璃制成，材料的彈性模量為E＝3.4×109Pa，泊松比為v＝0.34。加載的跨距為71.00mm，差載加載量約75N。在簡支梁表面涂銀粉以增強(qiáng)反射率。
物體變形前二光束分別照明，分別采集一幅物體未加載的原始散斑圖像存入計(jì)算機(jī)中，隨后采集的圖像分別與第一幅圖像相減，相減后呈現(xiàn)的散斑相關(guān)條紋顯示在監(jiān)視器上。首先旋轉(zhuǎn)參考物引入載波條紋，然后物體加載，載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲。
圖2為加載前照明光11照射物體時(shí)得到的載波條紋，圖3為加載后照明光11照射物體時(shí)受物體變形的調(diào)制發(fā)生彎曲后的調(diào)制載波條紋。圖4為加載前照明光12照射物體時(shí)的載波條紋，圖5為加載后照明光12照射物體時(shí)受物體變形調(diào)制發(fā)生彎曲后的調(diào)制載波條紋圖。分別利用傅立葉變換法解調(diào)出物體變形位相，圖6和圖7分別為照明光11和照明光12照明時(shí)解調(diào)出的包絡(luò)位相圖。對(duì)圖6和圖7分別進(jìn)行解包絡(luò)得到連續(xù)的位相圖，二連續(xù)位相圖相加、減后可分離出水平位移分量位相圖和離面位移位相圖。根據(jù)式(9)和式(10)，將分離出的位移場相位轉(zhuǎn)換成定量的位移場分布，圖8為分離出的水平位移分量u場的等位移分布圖，圖9為分離出的離面位移分量w場的等位移分布圖。其中，水平方向所示長度為簡支梁的跨度(71.0mm)，豎直方向?yàn)楹喼Я旱母叨?19.5mm)，位移分量的單位為微米。
由結(jié)果可見，利用大剪切電子散斑干涉系統(tǒng)，偏轉(zhuǎn)參考物的方法引入的載波條紋對(duì)比度高，能夠有效的調(diào)制物體的變形場。結(jié)合傅里葉變換方法，該系統(tǒng)能夠有效的分離混合場。
權(quán)利要求
1.一種大剪切載頻電子散斑干涉位移場分離方法，其特征是該方法為在剪切電子散斑干涉系統(tǒng)中，將被測物體旁邊放置一參考物，用對(duì)稱雙光束分別同時(shí)照明被測物體和參考物；通過大剪切棱鏡實(shí)現(xiàn)散斑干涉，將參考物偏轉(zhuǎn)引入載波調(diào)制條紋；根據(jù)物體變形的大小，適量偏轉(zhuǎn)參考物角度，以調(diào)節(jié)空間頻率，實(shí)現(xiàn)位移場的調(diào)制；被測物體加載后載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲變形；利用傅里葉變換法，分別解調(diào)得到包含離面和面內(nèi)位移信息的二幅位相圖；二相位圖解包絡(luò)后，進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算將面內(nèi)位移場與離面位移場分離。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種大剪切載頻電子散斑干涉位移場分離方法。該分離方法為在剪切電子散斑干涉系統(tǒng)中，將被測物體旁邊放置一參考物，用對(duì)稱雙光束分別同時(shí)照明被測物體和參考物；通過大剪切棱鏡實(shí)現(xiàn)散斑干涉，將參考物偏轉(zhuǎn)引入載波調(diào)制條紋；根據(jù)物體變形的大小，適量偏轉(zhuǎn)參考物角度，以調(diào)節(jié)空間頻率，實(shí)現(xiàn)位移場的調(diào)制；被測物體加載后載波條紋受物體變形的調(diào)制而發(fā)生彎曲變形；利用傅里葉變換法，分別解調(diào)得到包含離面和面內(nèi)位移信息的二幅位相圖；二相位圖解包絡(luò)后，進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算將面內(nèi)位移場與離面位移場分離。本發(fā)明具有調(diào)制條紋質(zhì)量好，系統(tǒng)簡單，不需要參考光等優(yōu)點(diǎn)，能夠快速、穩(wěn)定地測量物體變形場二維分量。
文檔編號(hào)G01B11/16GK1971207SQ20061007034
公開日2007年5月30日 申請(qǐng)日期2006年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月28日
發(fā)明者孫平 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)