一种高精度数字散斑相关测量方法，利用由连续波激光器、准直扩束器、会聚透镜、CCD相机和计算机构成的测量装置进行测量，首先对CCD相机记录的被测物体发生面内位移前、后的散斑图像进行滤波，得到光强的复信号分布，解析出相位分布后进行插值得到具有亚像素精度的相位分布矩阵；利用相位涡旋拓扑电荷数±1替换原相位值，其他点用0来替换，构造了两个稀疏矩阵；最后，对这两个稀疏矩阵进行相关运算，得到被测物体的面内位移信息。本方法能同时实现高计算效率和高测量精度，并且具有光路简洁、简单易行的特点，适合于光电无损检测领域的实时、在线检测。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种应用于光电无损检测等领域的测量物体面内位移的数字散斑相关测量方法，具体的说是。
技术介绍
激光散斑是指当激光照射在粗糙物体表面上时，漫反射光在反射空间相互干涉后形成的明暗相间的斑点。散斑携带了被测物体信息，通过对散斑场的分析可以得到被测物体的变化信息。数字散斑相关测量方法是二十世纪80年代后逐步发展起来的，用于测量物体面内位移的非接触式光学测量方法。它具有光路简单、全场测量、非接触及对测量环境要求低等优点；因而在无损检测领域得到了广泛的应用。在数字散斑相关测量方法中，在其他条件相同的情况下，测量精度与相关计算的点数成正比，计算点数越多，测量精度越高；而计算点数的增多，使得相关运算的计算效率降低；因此，同时实现高计算效率和高测量精度是该技术中待解决的难题。在数字散斑相关测量方法的计算效率研究中，大都集中在如何选择最佳相关搜索子区上，如文献光电工程34，53-58 (2007、文献Optics Express 16，7037-7048 (2008)及文献Optics and Lasers in Engineering 45，967-974 (2007)等。但即使在找到最佳相关搜索子区大小后，在大位移时计算点数仍然非常高，计算效率不能满足很多工程中实时测量的要求。在数字散斑相关测量方法的测量精度研究中，主要有插值法、 曲面拟合法及梯度算法等，这些传统的数字散斑相关测量方法都是基于散斑场灰度相关计算，通过改进算法，尽管其精度可以达到亚像素，但计算效率也随之变得低下。在数字散斑相关测量的专利文献方面，专利“骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置”(授权公告号为〔附011586798，授权公告日为2011.04. 27)，公开了一种利用数字散斑相关方法对骨小梁的力学性能进行测量的方法及装置，该专利是数字散斑相关测量方法的新应用，而没有关注该方法本身的测量精度及计算效率；专利“一种多功能薄膜力学性能检测装置”(公开号为CN101788427A，公开日为2010. 07.观)，该装置采用数字散斑相关方法测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法，可获得薄膜与涂层的力学性能；该装置也是利用散斑强度图直接进行相关搜索，其测量精度和计算效率均没有详加分析。综上分析可知，在现有公开的
技术介绍
中，同时实现高计算效率和高测量精度一直是数字散斑相关测量方法中的一个待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决上述技术问题的不足，提供，该方法能够在高效率计算的同时实现面内位移的纳米级高分辨精度的测量。本专利技术的为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是本专利技术利用由连续波激光器、准直扩束器、会聚透镜、CCD相机和计算机构成的测量装置进行测量，在该连续波激光器的光束前进方向依次设有准直扩束器和被测物体，光束经被测物体散射后，经会聚透镜会聚后光束进入CCD相机成像，然后存储进计算机，测量步骤如下1、用CCD相机记录被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图Z1(^)J2(U),为保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为5 Pixels，散斑图像尺寸为10MX10M Pixels;将两幅散斑光强图Z1(U)和Z2 (xj)存储进计算机进行后续处理；2、用高斯-赫尔米特复数滤波器，对被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图 Z1(U)、Z2 {x,y)进行滤波，得到它们的光强复信号分布J1 (U)和厶(x,7)；3、然后，根据光强复数信号分布AM和4 得到其相位分布”和 χ, r ,对,ι yi和,工r进行双三次样条插值，得到具有亚像素精度的相位分布矩阵為I.Y. jr. 禾口 4VU,厂丨；4、根据相位涡旋的定义，利用公式￠/#= 121对相位分布矩阵· & ζ、和 丄r;.i “ * ‘— ”进行相位涡旋点的搜索，其中，为包含该搜索点的闭合曲线积分；当s=+l时，该涡旋为正涡旋，当S=-I时，该涡旋为负涡旋；用+1或-1来替换相位分布矩阵& U.和Φ2 U. ”中原来该点的数值，矩阵和广中其他所有点的数值用0来替换；最终得到了代表被测物体发生面内位移前、后的两个相位涡旋矩阵不Cr，_F)和毛Cr，_F)；由于0值在这两个矩阵中占绝大多数，所以，这两个矩阵不Cr，_F)和石Cr，_F)为稀疏矩阵；5、选择大小为51X51Pixels的子区作为搜索区域，对物体发生面内位移前、后的两个稀疏矩阵不Cr，_F)和石Cr，_F)进行相关运算，得到散斑场在^方向的具有亚像素精度的面内位移(AV)，成像光路的放大倍数为见则被测物体发生的面内位移量为。本专利技术首先利用CCD相机记录被测物体发生面内位移前、后两个状态的散斑光强图像，然后利用高斯-赫尔米特复数滤波器对这两幅图像进行滤波获得光强分布的复信号分布，进而得到散斑场的相位分布；对相位分布进行插值得到具有亚像素精度的相位分布矩阵，然后根据相位涡旋的定义来确定每个涡旋点的位置和拓扑电荷数士 1，在相位分布矩阵中分别利用+1或-1来替换原来的相位值，其他点的数值用0来替换，这样就构造了两个稀疏矩阵；最后，对这两个稀疏矩阵进行相关运算，得到被测物体的面内位移信息。本专利技术的工作原理是在数字散斑相关测量中，利用CCD相机记录物体发生面内位移前、后两幅散斑光强灰度图，分别用iU^y；)、/^^；)表示；然后存储进计算机进行相关运算。在发生面内位移前的散斑图A(U)中以中心点P点为中心取大小为nXn的子区A作为相关搜索子区；当被测物体发生形变后，子区A移至子区B的位置，P点移动到P'点。由统计学知，A与B这两个样本空间的相关系数最大；利用标准化自协方差相关函数来求其相关系数，权利要求1. ，其特征在于该方法利用由连续波激光器(1)、 准直扩束器(2)、会聚透镜(4)、C⑶相机(5)和计算机(6)构成的测量装置进行测量，在该连续波激光器(1)的光束前进方向依次设有准直扩束器(2 )和被测物体(3 )，光束经被测物体散射后，经会聚透镜(4)会聚后光束进入CXD相机(5 )成像，然后存储进计算机(6 )，测量步骤如下步骤一、用CCD相机记录被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图 /“A》、/2 为保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为5 Pixels，散斑图像尺寸为10MX10M Pixels;将两幅散斑光强图Z1(XJ)和不J)存储进计算机进行后续处理；步骤二、用高斯-赫尔米特复数滤波器，对被测物体发生面内位移前和位移后的散斑光强图Z1(U)、4 (^y)进行滤波，得到它们的光强复信号分布式(^)和厶(&7)；步骤三、然后，根据光强复数信号分布I1(W)和\ 得到其相位分布n r, V!和P ,对^ r)和终 ri进行双三次样条插值，得到具有亚像素精度的相位分布矩阵 ； .γ. ν)^ Ιφ9Ιχ, ri ；-A‘ Af步骤四、根据相位涡旋的定义，利用公式= 对相位分布矩阵《^ ρ和辑· &进行相位涡旋点的搜索，其中，§r为包含该搜索点的闭合曲线积分；当s=+l时，该涡旋为正涡旋，当S=-I时，该涡旋为负涡旋；用+1或-1来替换相位分布矩阵奇U. ”和 2 U.〃中原来该点的数值，矩阵& U, ,■卿2 W.广中其他所本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李新忠，李立本，台玉萍，王晓飞，尹更新，陈庆东，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：
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