一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法技术

本发明专利技术公开了一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法，通过差分相位的自适应旋转模型，结合光矢量方法的方式高精度的重构复合材料内部的应变场分布；本发明专利技术采用自适应旋转模型与矢量法结合的算法，不存在使用最小二乘法时无法改善乘性噪声下的应变计算信噪比的问题；另外，本发明专利技术通过构建差分相位的自适应旋转模型，寻找到最优旋转角度，再结合光矢量法，在某种程度上降低了本身的横向不均匀性，解决了光矢量法在强噪声和复杂形变情形下，特别是横向变化异常不均匀，无法高精度构建低信噪比复合材料内部的应变场分布。建低信噪比复合材料内部的应变场分布。建低信噪比复合材料内部的应变场分布。

【技术实现步骤摘要】
一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法


[0001]本专利技术涉及光学相干弹性成像领域，特别涉及一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法。

技术介绍

[0002]已有的光学相干弹性成像应变计算方案有两种：最小二乘法以及光矢量方法。
[0003]其中，最小二乘法本质上相当于对带有噪声信号起到平滑滤波的作用，只能适用于加性噪声的抑制，而无法改善乘性噪声下的应变计算信噪比，该缺点使得最小二乘法在材料内部层析测量中，应用十分有限。相比于最小二乘法，光矢量方法巧妙利用矢量叠加的特点，通过加权和相位平滑，具备抑制加性和乘性噪声的能力；但是，光矢量方法在面向复合材料复杂形变情况时，光学相干弹性成像的差分相位会呈现横向不均匀特点；此时，光矢量方法中的沿水平方向平均会丢失相位信息，使得水平方向的应变成像分辨率低，精度差。
[0004]综上，在光学相干弹性的应变计算领域，仍然缺少一种能够在强噪声和复杂形变情形下的应变计算方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法，用以在差分包裹相位场信噪比低且变化非均匀条件下，准确计算应变场分布。
[0006]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，对复合材料分别构建形变前和形变后的层析干涉光场信号；基于所述层析干涉光场信号，构建差分干涉光场信号，并确定形变场对应的差分包裹相位场；
[0009]步骤2，将差分包裹相位场围绕其中心按照设定的步长进行逆时针旋转；
[0010]步骤3，对每个旋转角度对应的差分包裹相位场构造一个滑动窗口，在选定的滑动窗口内对差分干涉光场信号进行水平方向平均，得到经水平方向平均后的差分干涉光场信号；
[0011]步骤4，针对经水平方向平均后的差分干涉光场信号，基于复数的乘法运算法则，利用预设像素间隔的差分包裹相位进行两两相乘，构建深度方向的二阶差分干涉光场信号；
[0012]步骤5，对深度方向的二阶差分干涉光场信号沿深度方向平均以及归一化处理，得到经深度方向平均后的归一化二阶差分干涉光场信号；
[0013]步骤6，在深度方向平均后的归一化二阶差分干涉光场信号上，计算深度方向的应变场分布；
[0014]步骤7，利用步骤1至6相同的方法，其中将步骤3中的水平方向平均替换成深度方向平均，步骤5中的深度方向平均替换成水平方向平均，从而构建水平方向的应变场分布；
[0015]将水平方向和深度方向的应变场分布再进行顺时针旋转，得到与旋转前差分包裹
相位场位置相同的水平方向和深度方向的应变场分布；
[0016]步骤8，对旋转后的水平方向和深度方向的应变场分布分别进行水平方向和深度方向的积分，得到对应的水平方向和深度方向的解包裹差分相位场；
[0017]步骤9，对所述解包裹差分相位场进行相位包裹，得到水平方向和深度方向的差分包裹相位场；然后基于复数的乘法法则，得到恢复的差分包裹相位场；
[0018]步骤10，求解所述差分包裹相位场和差分包裹相位场之间的相关系数；
[0019]步骤11，根据上述步骤2至步骤9，在不同旋转角度下求得步骤9中的恢复完整的差分包裹相位场，再经过步骤10，即可得到对应的一组相关系数；
[0020]采用最小二乘拟合方法，得到旋转角度与相关系数之间的多项式函数；
[0021]步骤12，求解所述多项式函数得到最优解，再将其代入多项式函数，得到最优旋转角度；
[0022]步骤13，根据步骤12所得到的最优旋转角度，通过步骤3至步骤6得到复合材料深度方向的应变场分布，接着顺时针旋转，使得材料深度方向应变场分布位置恢复到旋转之前，此时便可得到材料复杂形变下的应变场分布。
[0023]进一步地，所述形变前和形变后的层析干涉光场信号，表示为：
[0024]a1(m，j)＝A1(m，j)
×
exp(iφ1(m，j))
[0025]a2(m，j)＝A2(m，j)
×
exp(iφ2(m，j))
[0026]其中，a1(m，j)表示形变前的层析干涉光场信号，a2(m，j)表示形变后的层析干涉光场信号，(m，j)表示干涉光场空间图像像素坐标，i为虚数单位，exp表示指数运算，A1(m，j)表示形变前干涉频谱幅值，φ1(m，j)表示复合材料形变前的相位场，A2(m，j)表示形变后干涉频谱幅值，φ2(m，j)表示复合材料形变后相位场；
[0027]采用复数乘法准则构建差分干涉光场信号：
[0028]a2(m，j)a1(m，j)
★
≡b(m，j)＝B(m，j)exp[i
·
Φ(m，j)][0029]上式中，
★
表示共轭运算，b(m，j)表示差分干涉光场信号，B(m，j)＝A2(m，j)A1(m，j)表示幅值信息，Φ(m，j)表示差分干涉光场信号的相位场；
[0030]形变场对应的差分包裹相位场为：Δφ(m，j)＝Arg{exp[i
·
Φ(m，j)]}，其中Arg表示对复数求相位。
[0031]进一步地，旋转的角度为θ，θ＝θ0+Δθ，当旋转角度旋转到360
°
时停止；其中，θ的范围控制在0
°
～360
°
之间，θ0是起始角度，Δθ是连续旋转角度θ之间的间隔。
[0032]进一步地，所述经水平方向平均后的差分干涉光场信号表示为：
[0033][0034]式中，N
X
、N
z
表示滑动窗口的水平方向、深度方向的宽度，B(j)表示水平方向平均后的差分干涉光场信号幅值，表示水平方向平均后的差分干涉光场信号幅相位，m，j表示差分干涉光场空间图像像素横坐标、纵坐标。
[0035]进一步地，所述深度方向的二阶差分干涉光场信号，表示为：
[0036][0037]其中，B(j+1)、氛示j+1处的水平方向平均后的差分干涉光场信号、水平方向平均后的差分干涉光场信号幅值以及水平方向平均后的差分干涉光场信号幅
相位。
[0038]进一步地，所述深度方向的应变场分布表示为：
[0039][0040]式中，表示深度方向平均后的归一化二阶差分干涉光场信号的相位，d表示像素间的距离，比例的相关系数其中λ0表示激光器中心波长，n表示复合材料折射率。
[0041]进一步地，所述恢复的差分包裹相位场氛示为：
[0042][0043][0044]式中，
★
表示求共轭运算，Arg{}表示求复数的相位。
[0045]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术特点：
[0046]本专利技术方案能够通过差分相位的自适应旋转模型，结合光矢量方法的方式高精度的重构复合材料内部的应变场分布；由于本专利技术采用的是自适本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对复合材料分别构建形变前和形变后的层析干涉光场信号；基于所述层析干涉光场信号，构建差分干涉光场信号，并确定形变场对应的差分包裹相位场；步骤2，将差分包裹相位场围绕其中心按照设定的步长进行逆时针旋转；步骤3，对每个旋转角度对应的差分包裹相位场构造一个滑动窗口，在选定的滑动窗口内对差分干涉光场信号进行水平方向平均，得到经水平方向平均后的差分干涉光场信号；步骤4，针对经水平方向平均后的差分干涉光场信号，基于复数的乘法运算法则，利用预设像素间隔的差分包裹相位进行两两相乘，构建深度方向的二阶差分干涉光场信号；步骤5，对深度方向的二阶差分干涉光场信号沿深度方向平均以及归一化处理，得到经深度方向平均后的归一化二阶差分干涉光场信号；步骤6，在深度方向平均后的归一化二阶差分干涉光场信号上，计算深度方向的应变场分布；步骤7，利用步骤1至6相同的方法，其中将步骤3中的水平方向平均替换成深度方向平均，步骤5中的深度方向平均替换成水平方向平均，从而构建水平方向的应变场分布；将水平方向和深度方向的应变场分布再进行顺时针旋转，得到与旋转前差分包裹相位场位置相同的水平方向和深度方向的应变场分布；步骤8，对旋转后的水平方向和深度方向的应变场分布分别进行水平方向和深度方向的积分，得到对应的水平方向和深度方向的解包裹差分相位场；步骤9，对所述解包裹差分相位场进行相位包裹，得到水平方向和深度方向的差分包裹相位场；然后基于复数的乘法法则，得到恢复的差分包裹相位场；步骤10，求解所述差分包裹相位场和差分包裹相位场之间的相关系数；步骤11，根据上述步骤2至步骤9，在不同旋转角度下求得步骤9中的恢复完整的差分包裹相位场，再经过步骤10，即可得到对应的一组相关系数；采用最小二乘拟合方法，得到旋转角度与相关系数之间的多项式函数；步骤12，求解所述多项式函数得到最优解，再将其代入多项式函数，得到最优旋转角度；步骤13，根据步骤12所得到的最优旋转角度，通过步骤3至步骤6得到复合材料深度方向的应变场分布，接着顺时针旋转，使得材料深度方向应变场分布位置恢复到旋转之前，此时便可得到材料复杂形变下的应变场分布。2.根据权利要求1所述的面向光学相干弹性成像的应变自适应计算方法，其特征在于，所述形变前和形变后的层析干涉光场信号，表示为：a1(m，j)＝A1(m，j)
×
exp(iφ1(m，j))a2(m，j)＝A2(m，j)
×
exp(iφ2(m，j))其中，a1(m，j)表示形变前的层析干涉光场信号，a2(...

【专利技术属性】
技术研发人员：白玉磊，张康洋，董博，何昭水，谢胜利，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：