【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及非接触式全场形变和位移监测，具体地，涉及一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统及方法。
技术介绍
1、非接触式位移测量方法是一种用于测量物体位移的技术。与传统的接触式测量方法相比，非接触式测量方法不需要与被测物体直接接触，可以在不影响被测物体的情况下进行测量，因此被广泛应用于各个领域。
2、非接触式全场形变和位移监测技术是实现力学测试分析、结构状态监测的重要手段。目前非接触式形变和位移监测技术主要有三种：数字图像相关技术(dic)、扫描激光多普勒测振技术(sldv)和基于微波雷达的位移测量技术。
3、与dic和sldv相比，基于微波雷达的位移测量可实现全场同步位移测量，消除视场与灵敏度之间的矛盾。其精度主要取决于微波的波长。在基于微波雷达的位移测量中，缺乏特征的目标需要安装人造的标记点，这会导致轻质结构的动态特性发生不可忽略的变化，且角反射器的尺寸大于加速度计的尺寸，使得对结构进行密集测量变得困难、繁琐。此外，与dic和sldv等其他非接触式位移测量技术相比，安装角反射器会导致空间分辨率大大降低；更糟糕的是，在大型结构中安装人工标记通常费时费力，而且在某些情况下(如精密结构表面)无法进行安装。
4、在公开号为cn201237497y的中国专利文献中，公开了一种非接触式位移测量仪，包括动尺、光学系统,传输线缆,数显屏,还包括有激光器,其中,激光器和光学系统安装在动尺的底部,传输线缆连接数显屏和动尺。在动尺相对运动的过程中,激光器发出的激光经扩束后照射到被测量对象表面,被测量对
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统。
2、根据本专利技术提供的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，包括：
3、微波散斑成像模块：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数；测量目标平面到成像孔径平面的距离，通过二维lfmcw孔径雷达获取目标点的三维回波，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像；
4、测点跟踪模块：计算主从散斑图像在成像平面的亚像素精度位移；
5、全场位移提取模块：根据亚像素精度位移匹配测点，选择对应测点进行干涉，计算目标点的全场离面位移。
6、优选的，所述微波散斑成像模块包括以下子模块：
7、成像计算模块：计算目标平面到成像孔径平面的参考距离z和二维lfmcw雷达孔径d大小；
8、二维直线滑台模块：装载单天线线性调频连续波lfmcw模块并运动；
9、单天线线性调频连续波lfmcw模块：发射lfmcw信号；
10、上位机模块：与其他模块相连接，根据散斑成像参数，控制二维直线滑台模块在平面内到达指定位置，接收lfmcw信号，获取目标点的三维回波，得到微波散斑图像；
11、所述二维直线滑台模块和单天线线性调频连续波lfmcw模块使用实孔径lfmcw天线阵列替代，或使用一维直线滑台和多发多收线性调频连续波mimo-lfmcw替代。
12、优选的，所述测点跟踪模块包括以下子模块：
13、二维相关系数计算模块：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数，提取主从散斑图像二维相关系数峰值的大小并改变主散斑图像的亚像素尺寸大小；
14、亚像素计算模块：在孔径平面建立空间坐标系，选择主从散斑图像二维相关系数x方向或y方向峰附近测点进行非线性回归；根据散斑图像的分辨率和主从散斑图像二维相关系数最大值进行散斑图像回归初值选择，得到目标点的面内亚像素精度位移。
15、优选的，所述目标表面形貌参数包括粗糙度δ和相关长度l；所述运动范围参数为目标表面法向量最大变化角度δθ，所述散斑图像质量阈值包括散斑对比度a0、主从散斑图像二维相关系数最大值a1和主从散斑图像二维相关系数次最大值a2；所述选择散斑成像参数的选择方法是在满足c(δ,l)≥a0的前提下，其中散斑对比度c的公式按照(j.w.goodman,speckle phenomena in optics:theory and applications.spie press,2020.)：
16、
17、式中，k为微波的波数，δ为目标的表面粗糙度；n为等效散射中心，表示为：
18、
19、式中，lx,ly分别是微波成像系统在x方向和y方向的分辨率，l是目标表面的相关长度；
20、
21、式中，d表示微波成像系统孔径，z表示测量目标平面和成像孔径平面的距离，sinc-1是sinc的反函数。
22、优选的，所述主从微波散斑图像的成像方法包括距离徙动算法、距离多普勒算法和后向投影算法。
23、优选的，所述非线性回归的回归函数为m(x，β)＝β(1)sinc[β(2)(x-β(3))]，式中x为回归所用坐标点的横坐标，β＝[β(1),β(2),β(3)]t为待回归参数，m(x，β)为回归模型；所述非线性回归的方法包括levenberg–marquardt方法，gauss-newton方法，powell’s dogleg方法。
24、优选的，所述散斑图像回归初值选择包括：
25、
26、式中，βx,βy分别表示散斑图像x轴和y轴像素位移的回归初值，γ1表示主从散斑图像的相关系数峰值，(xγ1,yγ1)表示峰值γ1的像素坐标，dx,dy表示x，y方向的成像系统孔径大小。
27、优选的，所述非线性回归的结果与亚像素精度位移的关系为：
28、
29、式中，δx,δy分别表示x方向和y方向的亚像素偏移估计结果，βx(3),βy(3)表示待回归参数β＝[β(1),β(2),β(3)]t的第三个元素。
30、优选的，所述全场离面位移测量方法为：
31、
32、其中，k为微波的波数，φ{·}表示取复数相位，a1(x1,y1)表示运动前主散斑图像，(x1,y1)表示待测点在运动前的主散斑图像a1(x1,y1)的像素坐标；表示运动后主散斑图像，(x1+△x，y1+△y)表示待测点在运动后的主散斑图像的像素坐标。
33、根据本专利技术提供的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量方法，包括：
34、步骤s1：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数，通过二维孔径雷达获取目标点的三维回波；
35、步骤s2：测量目标平面到成像孔径平面的距离，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像；
36、步骤s3：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数；
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【技术保护点】
1.一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述微波散斑成像模块包括以下子模块：
3.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述测点跟踪模块包括以下子模块：
4.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述目标表面形貌参数包括粗糙度δ和相关长度l；所述运动范围参数为目标表面法向量最大变化角度Δθ，所述散斑图像质量阈值包括散斑对比度a0、主从散斑图像二维相关系数最大值a1和主从散斑图像二维相关系数次最大值a2；所述选择散斑成像参数的选择方法是在满足C(δ,l)≥a0的前提下，其中散斑对比度C的公式按照(J.W.Goodman,SpecklePhenomena in Optics:Theory and Applications.SPIE Press,2020.)：
5.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述主从
6.根据权利要求3所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述非线性回归的回归函数为M(x，β)＝β(1)sinc[β(2)(x-β(3))]，式中x为回归所用坐标点的横坐标，β＝[β(1),β(2),β(3)]T为待回归参数，M(x，β)为回归模型；所述非线性回归的方法包括Levenberg-Marquardt方法，Gauss-Newton方法，Powell’s Dog Leg方法。
7.根据权利要求3所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述散斑图像回归初值选择包括：
8.根据权利要求3所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述非线性回归的结果与亚像素精度位移的关系为：
9.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述全场离面位移测量方法为：
10.一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述微波散斑成像模块包括以下子模块：
3.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述测点跟踪模块包括以下子模块：
4.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于，所述目标表面形貌参数包括粗糙度δ和相关长度l；所述运动范围参数为目标表面法向量最大变化角度δθ，所述散斑图像质量阈值包括散斑对比度a0、主从散斑图像二维相关系数最大值a1和主从散斑图像二维相关系数次最大值a2；所述选择散斑成像参数的选择方法是在满足c(δ,l)≥a0的前提下，其中散斑对比度c的公式按照(j.w.goodman,specklephenomena in optics:theory and applications.spie press,2020.)：
5.根据权利要求1所述的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭志科，吴高阳，熊玉勇，孟光，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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