瞬态形变的散斑干涉测量技术研究

摘要

工程材料和结构瞬态形变的测量与分析，是评价其安全性、适用性和可靠性的常用手段之一。作为光测力学的重要组成部分，散斑干涉测量多用于粗糙表面形变或位移的无损检测。该技术通过分析散斑干涉图的相位变化来实现物面变化的测量，具有全场性、非接触、高精度等优点。将高速图像采集技术融入其中，便可实现瞬态形变的实时测量。
　　本文以散斑场的光学统计特性为基础，详细而深入地讨论了高速时域散斑干涉测量技术在瞬态测量方面的应用。首先，从散斑干涉测量的基本原理出发，提出了一种基于迈克尔逊式干涉光路的时间相移剪切散斑干涉测量系统，讨论了散斑尺寸、相移量和剪切量等参数的影响，并对其误差进行了分析。根据瞬态形变的实时测量要求，采用了(N,1)相位检测算法，克服了时间相移法在动态测量方面的不足之处。其次，全面讨论了基于散斑干涉图序列的高速时域散斑干涉技术，该技术的显著特点是将形变场视为时变场，从而把时间量引入到了相位的分析之中。将数字相机的每个像素视为独立的传感单元，通过连续采集的散斑干涉图序列得到各个像素处光强随时间变化的关系，即一维时域散斑干涉信号，并通过希尔伯特变换的方法完成干涉信号的相位解调。根据时域信号背景强度和调制强度随时间波动的特点，采用了信号的经验模态分解的方法进行重构滤波处理，减小了相位检测误差。针对大量存在的高频随机噪声，通过计算各本征模态函数与原始噪声信号之间互相关系数的方式改进了滤波信号的重构原则，保证了相位提取的准确性。此外，本文还提出了一种时域希尔伯特变换和空域相位展开相结合的动态散斑相位分析方法。借助于希尔伯特变换的相移作用并结合三角变换公式在时域中实现了包裹相位的提取，并将相位的解包裹处理转移至空域进行，有效避免了时域噪声对相位检测结果的影响。最后，将包裹相位条纹图的正余弦图分别进行频域低通滤波，实现了信噪较低且条纹密度变化较大的包裹相位图的自适应降噪处理。对滤波后的包裹相位条纹图进行基于最小二乘法和离散余弦变换的空域相位展开，获得了连续的相位分布，进而实现了物面形变或位移的间接测量。
　　根据实验需求，开发了集测量系统控制和图像采集等功能于一身的高速散斑干涉测量系统控制软件，同时还设计并实现了基于压电陶瓷的瞬态形变加载装置。搭建了高速时间相移剪切散斑干涉测量系统和高速时域散斑干涉测量系统，并利用文中所述的相位检测方法对橡胶板瞬态形变的无损检测进行了试验性研究，获得了物面的变化信息。实验结果表明，时间相移剪切散斑干涉测量系统由于其自身的局限性仅能用于瞬态形变的定性检测，而利用希尔伯特变换引入相移的时域散斑干涉技术则实现了瞬态形变定点或全场的定量测量。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2散斑干涉测量技术及其发展现状

1.3本文的主要创新点

1.4本文的结构和主要内容

第二章 散斑场及其光学统计性质

2.1散斑的起源和表现

2.2散斑的光学统计性质

2.3散斑场的叠加

2.4本章小结

第三章 高速散斑干涉测量技术

3.1高速时间相移剪切散斑干涉测量技术

3.2高速时域散斑干涉测量技术

3.3高速时域散斑干涉信号的经验模态分解

3.4动态散斑相位的时空结合分析方法

3.5本章小结

第四章 散斑图像处理技术研究

4.1散斑图像的降噪处理

4.2相位展开算法研究

4.3连续相位分布的曲面拟合

4.4本章小结

第五章 瞬态形变的高速散斑干涉测量实验

5.1瞬态形变加载装置的设计与实现

5.2高速散斑干涉测量系统控制软件

5.3高速时间相移剪切散斑干涉测量实验

5.4高速时域散斑干涉测量实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2课题的未来展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢