基于时空条纹图法的相位提取技术及其应用研究

摘要

近30年来，伴随着电子工业和计算机技术的飞速发展，条纹图相位提取技术被广泛应用于激光干涉测量、结构光面形测量等检测设备中。然而，随着被测件种类的增加以及应用场合的扩大，这些设备在硬件更新的同时对算法的相位提取能力也提出了要求。时空条纹图(Spatio-temporal fringes，STF)法是近年来提出的一种相位提取技术，该技术将N步移相条纹图通过交叠重构的排列方式重组为一幅新的条纹图，重组条纹图同时包含了空域相位信息和时域移相信息，因此被称为STF图，通过此STF图便可求取原始移相条纹图相位。本文主要工作是研究STF图法相位提取技术的优点，分析其局限性并提出相应的改进算法，使其能够应对条纹图相位提取过程中所面临的随机噪声、谐波噪声和移相误差等多种干扰问题。 研究了STF图法相位提取技术在随机噪声抑制以及谐波抑制方面的特性，得到用于构建STF图的移相条纹图数目越多，其谐波抑制能力越强的结论。将该技术应用到相位偏折术测量中，消除了相位复原结果中的随机噪声。将加窗傅里叶变换技术引入到STF图法相位提取过程中，使得测量精度提高了2～3倍。另外，针对多数条纹图并非标准矩形而导致边缘处相位复原结果误差较大的现象（边缘效应），研究了基于二维傅里叶变换迭代和基于样本块的条纹图延拓技术。其中，针对二维傅里叶变换迭代条纹图延拓时运算效率低的问题，提出了一种改变滤波窗口大小的解决方案，使得迭代效率提升近10倍。 提出了一种改进的STF(Advanced spatio-temporal fringes，ASTF)图法相位提取技术。该技术将移相条纹图本身的线性载频量作为一个参数添加到移相条纹图的移相步进量中。改进方法在处理含有线性载频的移相条纹图时，能够消除按传统方法构建的STF图频谱中信号谱周围的干扰频谱，因此可以选定较宽的滤波窗口来完整地对信号谱进行提取。研究了ASTF图法的谐波抑制特性，并将此特性应用到条纹投影三维面形测量系统中，有效抑制了系统Gamma效应给相位提取结果带来的干扰。 针对载频交叠重构干涉术(Carrier squeezing interferometry,CSI)只能提取移相误差较小时移相条纹图相位的问题，提出了一种完备的线性载频STF图法随机移相相位提取技术:即当移相误差较小时，直接提取STF图频谱中最强处的峰值信号谱来复原相位;当移相误差较大时，则提取STF图频谱中边缘处的峰值信号谱来复原相位。分别将该技术应用到Φ600mm口径移相干涉仪和光纤干涉条纹投影三维面形测量系统中，可以消除移相器标定不准确、环境振动等任何干扰引起的移相误差给相位提取结果带来的影响。 提出了一种两步移相STF图法相位提取技术。该技术不仅减少了构建STF图时所需的移相条纹图数目，而且在相位提取过程中表现出更优的移相误差抑制能力，并且当移相误差较小时，其还能表现出较好的谐波抑制能力。另外，研究了两步移相STF图法相位提取技术的动态相位提取能力，在第二幅移相条纹图本身相位发生一定变化时，该方法复原出的相位为两幅移相条纹图本身相位取平均后的结果。将该特性应用在Φ600mm口径移相干涉仪的测量过程中，在面形复原的同时还能监测测试过程中形如空气湍流等因素对测量结果的影响，能够为大口径移相干涉仪的环境控制提供定量的参考数据。

目录

声明

摘要

图表目录

1引言

1．1研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1单帧条纹图相位提取技术

1．2．2多帧移相条纹图相位提取技术

1．2．3其它相位提取技术

1．2．4研究现状小结

1．3主要研究内容及课题来源

1．3．1本文主要研究内容

1．3．2课题来源

2 STF图法相位提取技术

2．1 STF图法相位提取原理

2．1．1构建STF图

2．1．2复原相位

2．2 STF图法相位提取技术特性

2．2．1随机噪声抑制

2．2．2谐波抑制

2．3在相位偏折术中的应用

2．3．1 PMD简介

2．3．2实验

2．4 STF图法测量精度提升方法

2．4．1 WFT相位提取技术

2．4．2条纹图延拓技术

2．5本章小结

3改进的STF图法相位提取技术

3．1 ASTF图法相位提取原理

3．2谐波抑制特性

3．3在条纹投影三维面形测量中的应用

3．3．1条纹投影三维面形测量技术简介

3．3．2 Gamma效应及其传统抑制方法简介

3．3．3 ASTF图法Gamma效应抑制原理

3．3．4实验

3．4本章小结

4线性载频STF图法随机移相相位提取技术

4．1线性载频STF图法随机移相相位提取原理

4．1．1移相误差较小时

4．1．2移相误差较大为随机值时

4．2在移相干涉测量中的应用

4．2．1两种传统移相误差抑制方法介绍

4．2．2在数字移相干涉仪中的应用

4．2．3在光纤干涉条纹投影三维面形测量中的应用

4．3本章小结

5两步移相STF图法相位提取技术

5．1两步移相STF图法相位提取原理

5．1．1与FT法测试结果比对

5．1．2载频选取条件

5．1．3移相量θ对测量精度的影响

5．2实验

5．3两步移相STF图法动态相位提取特性及应用

5．4本章小结

6全文总结及展望

6．1全文总结

6．2本文主要创新点

6．3展望

致谢

参考文献

附录