数字全息干涉测量在动态测量中的应用研究

摘要

在实验力学中的变形测量领域，一个研究的热点问题就是研究当被测物体受到撞击或者振动加载时如何变形的问题。如何记录物体整个形变的一个过程以及准确地得到瞬时变形是光学测量领域非常有趣的问题。高分辨率，快速，无损，无接触的数字全息数字近年来得到的广泛的应用在各个领域。全息技术将光学和数字处理的方法相综合，利用CCD器件直接记录全息图，通过计算机中的数字再现可以同时得到物光波前，即物光的振幅和相位分布的情况。 本论文围绕着数字全息在动态测量当中的应用展开研究，系统分析了无透镜傅立叶变换数字全息和菲涅尔离轴数字全息在变形测量应用的优缺点，并提出了新的处理动态测量数据的理论，并进行了实验验证，主要内容如下： 1.由于CCD感光元件的有限的空间分辨率，对数字全息的光路的设置就提出了很高的要求，因而物光和参考光夹角就不能超过最大的干涉角度，但是为了在重构过程中为了分离共轭项，又必须大于最小的偏离角。本文从理论上给出了在这个条件的限制下无透镜傅立叶变换数字全息和菲涅尔离轴数字全息对于特定尺寸的被测物体最小记录距离的精确数学表达式，而且通过理论分析证明了无透镜傅立叶变换数字全息可以更好地利用CCD器件的空间带宽。 2.详细分析了无透镜傅立叶变换数字全息光路构成的特点，利用菲涅尔变换推导了它的重构的算法。然后给出了该光路的空间分辨率和横向分辨率表达式，并分析了散斑噪音对于测量的影响。 3.由于数字全息从记录到分析全部实现了数字化，因而一些现存的数字图像处理的技术可以很好的应用在数字全息上面。本文分析了数字图像处理技术在图像的去噪，零级光消除的方面的应用。 4.简要介绍了全息干涉测量的原理，并分析了数字全息干涉测量相对于传统光学干涉测量的优点。引入了灵敏度向量的概念，然后给出了干涉相位和需要测量的物理量的对应关系。 5.提出了一种全新的处理数字全息干涉测量的方法，它要求同时处理振幅和相位信息，比单纯的分析相位信息得到结果更加的精确，因为这个方法权重化了相位。利用这个概念可以更加简单有效的进行空间滤波。 6.介绍了时域相位分析的技术，结合时域分析的概念，开发了两种时频算法。第一种算法使用傅里叶变换提取线性变化的相位的主频，第二种算了结合短时傅立叶进行时域的滤波，相对于第一种算法有着更为广泛的应用。 7.改进了现存的双照射光纤形貌测量法，提出多照射的光纤形貌测量法。使用高速相机作为记录器材，高精度的移动平台以及光纤测量有台阶的物体的形貌。并将传统的处理方法和本文提法出的方法相比。 8.利用高精度PZT平台动态加载悬臂梁，并利用高速相机全程记录悬臂梁的变形过程。同样也将传统的处理方法和本文提出的方法进行了比较。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1全息干涉技术研究的背景和意义

1.2课题的任务和范围

2理论分析与算法开发

2.1数字记录的机制

2.1.1离轴数字全息术

2.1.2无透镜傅立叶变换数字全息术

2.2 D.C项

2.2.1菲涅尔变换的D.C项

2.2.2无透镜傅立叶变换数字全息的D.C项

2.3无透镜傅立叶变换数字全息的特性分析

2.3.1空间分辨率的要求

2.3.2横向分辨率

2.3.3散斑噪音

2.4非理想采样

2.5图像处理技术在数字全息中的应用

2.5.1 HRO相减法

2.5.2平均值相减法

2.5.3高通滤波法

2.5.4频域滤波法

2.6全息干涉测量

2.6.1传统光学干涉测量

2.6.2数字全息干涉测量

2.6.3相位解包裹

2.6.4灵敏度向量

2.7复数域处理法

2.7.1时域相位处理法

2.7.2数字全息时域干涉测量法

2.7.3复数域的空间滤波

3实验装置以及结果的讨论

3.1用于动态测量的实验设备

3.1.1高速相机

3.1.2 PZT滑动平移平台

3.1.3 UTM150毫米中范围不锈钢线性平台以及Melles Griot发动机控制器

3.2实验的光路以及装置

3.2.1有台阶物体的形貌测量

3.2.2悬臂梁的动态加载的位移测量

3.3实验结果以及讨论

3.3.1有台阶物体形貌测量结果以及讨论

3.3.2悬臂梁的动态加载的位移测量的结果以及讨论

4总结与展望

参考文献

作者在读期间科研成果简介

致谢