基於雷射散斑測量振動目標位移的方法及系統與流程

2023-06-20 14:50:01

本發明涉及震動物體的位移測量技術領域，尤其涉及一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法及系統。

背景技術：

當雷射照射到非均勻介質上時,漫反射光在介質周圍空間發生幹涉，在空間產生強光點和弱光點，如果用屏幕來接收這些光點，則在屏幕上形成強度不一的光斑，這些光斑稱為雷射散斑。雷射散斑攜帶了物體的表面信息，包括位置、形狀等信息，通過分析雷射散斑場可以獲得被測物體的上述信息及其變化信息。利用雷射散斑測量物體的信息具有非接觸測量、全場測量、測量光路簡單的優點。

當前基於雷射散斑測量物體位置或形變信息的技術有利用雷射散斑測量物體的微小位移、利用雷射散斑測量物體的微小形變、利用雷射散斑測量物體的微震動等，且現有方法只能測量1m距離範圍內的物體，物體運動範圍要求在微米量級，且對環境穩定性要求比較高，這就限制了這類測量方法的應用範圍。在某些環境條件如振動、遠距離等特殊條件下測量物體的位置或表面信息，當前的方法就難以完成測量工作。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術不足，提供了一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法及系統，能夠測量震動物體的位移時允許物體震動幅度在毫米量級，允許物體的位移在釐米量級。

本發明的技術解決方案：

一方面，一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法，包括以下過程：雷射器，透射鏡，反射鏡，反射鏡，被測物體，物平面，成像組件，光電探測組件，計算機及分析軟體；

步驟一、所述雷射器用於輸出波長範圍在380nm～760nm之間的單色光；

步驟二、所述透射鏡按照透射率比例將入射光的一部分光能沿原方向透射過去，照射到被測物體上，按照反射率比例將另一部分光能量反射到另一個方向上，入射到所述反射鏡，所述反射鏡是平面高反射率反射鏡，所述被測物體為伴隨振動發生位移的物體，所述透射鏡為平面透鏡；

步驟三、所述反射鏡的反射光入射到反射鏡，經反射鏡反射後，反射光入射到所述光電探測單元中的光電探測組件，所述反射鏡為平面高反射率反射鏡；

步驟四、來自所述被測物體上的雷射散斑在所述物平面上形成特定的光強分布，所述物平面是與所述被測物體之間任意距離的平面；

步驟五、所述成像組件將所述物平面上的雷射散斑成像到所述光電探測組件上，所述成像組件為遠焦成像組件；

步驟六、所述光電探測組件將所述成像組件成的像和來自所述反射鏡的圖 像轉換為電子圖像並輸出給所述計算機，所述光電探測組件具備高解析度和高速傳輸電子圖像的功能，所述光電探測組件接收到的光能包括來自上述成像組件和上述反射鏡的光能，來自所述成像組件和所述反射鏡的光能仍具有相干性，來自所述成像組件的光能量在所述光電探測組件的ccd感光面上分布呈多個斑，來自所述反射鏡的光能量在所述光電探測組件的ccd感光面上分布呈一個斑，來自所述成像組件和所述反射鏡的光能在所述光電探測組件的ccd感光面上發生幹涉，所述計算機為具備高速計算和高速存儲功能的成套硬體設備；

步驟七、當所述被測物體在振動過程中發生位移，所述計算機對來自ccd的散斑圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

算法f1和f2用於分析來自ccd的數字圖像，ccd所成圖像包含參考圖像p0和散斑圖像p1兩部分，其中，來自所述反射鏡的光的像p0在圖像中保持固定位置，來自所述被測物體的雷射散斑的像p1隨著所述被測物體的變化而變化，來自所述反射鏡的光和來自所述被測物體的雷射散斑發生幹涉形成幹涉圖像p2，所述分析軟體採用本發明的算法f1和f2分別對圖像p1和p2進行運算，

另一方面，一種基於雷射散斑測量振動目標位移的系統，包括雷射器、光束調整單元、光電探測單元和數據分析處理單元；

其中，所述雷射器用於輸出波長範圍在380nm～760nm之間的單色光；

所述光束調整單元包括：平面反射鏡和平面透射鏡，所述平面透射鏡的透 射率和反射率為一定值，用於將所述「雷射器」輸出的單色光按透射率和反射率的比例分成兩束光，其中一束光透射到被測物體表面，另外一束光反射到上述平面反射鏡上，所述平面反射鏡為平面反射鏡，該平面反射鏡具有高反射率，可以將絕大部分入射光反射，用於將來自所述透射鏡的一束光反射到所述光電探測單元；

所述光電探測單元包括：成像組件和光電探測組件，所述成像組件為焦距可調的遠焦成像組件，用於將指定的位置處的平面上的雷射散斑圖像聚焦成像到光電探測組件的物平面上，所述光電探測組件包括光學鏡頭和光電耦合器件，該光學鏡頭將物平面上的像成像到ccd感光面上，同時光學鏡頭將來自上述反射鏡的光成像到ccd感光面上，ccd所成圖像包含兩部分，一部分是來自所述反射鏡的光的像，另一部分是來自所述被測物體的雷射散斑的像，其中來自所述反射鏡的光的像在圖像中保持固定位置，來自所述被測物體的雷射散斑的像隨著所述被測物體的變化而變化；

所述數據分析處理單元用於當所述被測物體在振動過程中發生位移，所述計算機對來自ccd的散斑圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

本發明實施例提供的一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法及系統，來自成像組件和反射鏡的光能仍具有相干性，來自成像組件的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈多個斑，來自反射鏡的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈一個斑，來自成像組件和反射鏡的光能在光電探測組件的 ccd感光面上發生幹涉；當被測物體在振動過程中發生位移，計算機對來自ccd的散斑圖像進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

附圖說明

所包括的附圖用來提供對本發明實施例的進一步的理解，其構成了說明書的一部分，用於例示本發明的實施例，並與文字描述一起來闡釋本發明的原理。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種基於雷射散斑測量振動目標位移的系統結構示意圖；

圖2為本發明實施例中一種基於雷射散斑測量振動目標位移的系統原理示意圖。

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細說明。在下面的描述中，出於解釋而非限制性的目的，闡述了具體細節，以幫助全面地理解本發明。然而，對本領域技術人員來說顯而易見的是，也可以在脫離了這些具體細節的其它實施例中實踐本發明。

在此需要說明的是，為了避免因不必要的細節而模糊了本發明，在附圖中 僅僅示出了與根據本發明的方案密切相關的設備結構和/或處理步驟，而省略了與本發明關係不大的其他細節。

本發明實施例提供一種基於雷射散斑測量振動目標位移的系統，如圖1所示，包括雷射器1、光束調整單元2、光電探測單元3和數據分析處理單元4；

其中，雷射器1用於輸出波長範圍在380nm～760nm之間的單色光；

光束調整單元2包括：平面透射鏡21、平面反射鏡22和平面反射鏡23，平面透射鏡21的透射率和反射率為一定值，用於將雷射器1輸出的單色光按透射率和反射率的比例分成兩束光，其中一束光透射到被測物體表面，另外一束光反射到上述平面反射鏡上，平面反射鏡23為平面反射鏡，該平面反射鏡具有高反射率，可以將絕大部分入射光反射，用於將來自透射鏡的一束光反射到光電探測單元3中的光電探測組件32，被測物體3為伴隨振動發生位移的物體；

光電探測單元3包括：被測物體3，物平面4，成像組件5和光電探測組件6；成像組件5為焦距可調的遠焦成像組件，用於將指定的位置處的平面上的雷射散斑圖像聚焦成像到光電探測組件6的物平面上，光電探測組件6(包括光學鏡頭和ccd)包括光學鏡頭和光電耦合器件，該光學鏡頭將物平面上的像成像到ccd感光面上，同時光學鏡頭將來自上述反射鏡的光成像到ccd感光面上，ccd所成圖像包含兩部分，一部分是來自反射鏡的光的像，另一部分是來自被測物體的雷射散斑的像，其中來自反射鏡的光的像在圖像中保持固定位置，來自被測物體的雷射散斑的像隨著被測物體的變化而變化，指定物平面4為距離被測物體3為任意值的平面，來自被測物體3上的雷射散斑在物平面4上形成特定的光強分布；

具體的，光電探測組件6與計算機7連接，光電探測組件6將成像組件5成的像和來自反射鏡23的圖像轉換為電子圖像並輸出到計算機7，光電探測組件6具備高解析度和高速傳輸電子圖像的功能；

數據分析處理單元4包括計算機7及其上運行的軟體，用於當被測物體在振動過程中發生位移，計算機對來自ccd的散斑圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

上述光電探測組件6接收到的光能包括來自上述成像組件5和上述反射鏡23的光能，來自上述成像組件5和上述反射鏡23的光能仍具有相干性，來自上述成像組件5的光能量在上述光電探測組件6的ccd感光面上分布呈多個斑，來自上述反射鏡23的光能量在上述光電探測組件6的ccd感光面上分布呈一個斑，來自上述成像組件5和上述反射鏡23的光能在上述光電探測組件6的ccd感光面上發生幹涉。

具體的，計算機7與光電探測組件6連接，計算機7為具備高速計算和高速存儲功能的成套硬體設備。

具體的，分析軟體運行在計算機7上，分析軟體基於特定的數學算法f1和f2用於分析來自ccd的數字圖像，ccd所成圖像包含兩部分，一部分是來自反射鏡的光的像，用p0表示，稱為參考圖像，另一部分是來自被測物體的雷射散斑的像，用p1表示，稱為散斑圖像，其中來自反射鏡的光的像p0在圖像中保持 固定位置，來自被測物體的雷射散斑的像p1隨著被測物體的變化而變化，來自反射鏡的光和來自被測物體的雷射散斑將會發生幹涉形成幹涉圖像，用p2表示，即p0和p1將會發生幹涉形成幹涉圖像p2，分析軟體採用本發明的算法f1和f2分別對圖像p1和p2進行運算，當被測物體在振動過程中發生位移，用算法f1對圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，用算法f2對圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得被測物體的位移信息。

本發明實施例提供的一種基於雷射散斑測量振動目標位移的系統，來自成像組件和反射鏡的光能仍具有相干性，來自成像組件的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈多個斑，來自反射鏡的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈一個斑，來自成像組件和反射鏡的光能在光電探測組件的ccd感光面上發生幹涉；當被測物體在振動過程中發生位移，計算機對來自ccd的散斑圖像進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

本發明實施例還提供了一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法，該方法由前述基於雷射散斑測量振動目標位移的系統實現，具體包括以下過程：

步驟一、所述雷射器輸出波長範圍在380nm～760nm之間的單色光；

步驟二、所述透射鏡按照透射率比例將入射光的一部分光能沿原方向透射過去，照射到被測物體上，按照反射率比例將另一部分光能量反射到另一個方 向上，入射到所述反射鏡，所述反射鏡是平面高反射率反射鏡，所述被測物體為伴隨振動發生位移的物體，所述透射鏡為平面透鏡；

步驟三、所述反射鏡的反射光入射到反射鏡，經反射鏡反射後，反射光入射到所述光電探測單元中的光電探測組件，所述反射鏡為平面高反射率反射鏡；

步驟四、來自所述被測物體上的雷射散斑在所述物平面上形成特定的光強分布，所述物平面是與所述被測物體之間任意距離的平面；

步驟五、所述成像組件將所述物平面上的雷射散斑成像到所述光電探測組件上，所述成像組件為遠焦成像組件；

步驟六、所述光電探測組件將所述成像組件成的像和來自所述反射鏡的圖像轉換為電子圖像並輸出給所述計算機，所述光電探測組件具備高解析度和高速傳輸電子圖像的功能，所述光電探測組件接收到的光能包括來自上述成像組件和上述反射鏡的光能，來自所述成像組件和所述反射鏡的光能仍具有相干性，來自所述成像組件的光能量在所述光電探測組件的ccd感光面上分布呈多個斑，來自所述反射鏡的光能量在所述光電探測組件的ccd感光面上分布呈一個斑，來自所述成像組件和所述反射鏡的光能在所述光電探測組件的ccd感光面上發生幹涉，所述計算機為具備高速計算和高速存儲功能的成套硬體設備；

步驟七、當所述被測物體在振動過程中發生位移，所述計算機對來自ccd的散斑圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

具體的，分析軟體運行在計算機7上，分析軟體基於特定的數學算法f1和f2用於分析來自ccd的數字圖像，ccd所成圖像包含兩部分，一部分是來自反射鏡的光的像，用p0表示，稱為參考圖像，另一部分是來自被測物體的雷射散斑的像，用p1表示，稱為散斑圖像，其中來自反射鏡的光的像p0在圖像中保持固定位置，來自被測物體的雷射散斑的像p1隨著被測物體的變化而變化，來自反射鏡的光和來自被測物體的雷射散斑將會發生幹涉形成幹涉圖像，用p2表示，即p0和p1將會發生幹涉形成幹涉圖像p2，分析軟體採用本發明的算法f1和f2分別對圖像p1和p2進行運算，當被測物體在振動過程中發生位移，用算法f1對圖像p1進行運算，獲得被測物體的振動信息，用算法f2對圖像p2進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得被測物體的位移信息。

本發明實施例提供的一種基於雷射散斑測量振動目標位移的方法，來自成像組件和反射鏡的光能仍具有相干性，來自成像組件的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈多個斑，來自反射鏡的光能量在光電探測組件的ccd感光面上分布呈一個斑，來自成像組件和反射鏡的光能在光電探測組件的ccd感光面上發生幹涉；當被測物體在振動過程中發生位移，計算機對來自ccd的散斑圖像進行運算，獲得被測物體的振動信息，對來自ccd的幹涉圖像進行運算，獲得被測物體的振動和位移的總體信息，最後再將兩組信息進行組合計算獲得所述被測物體的位移信息。

如上針對一種實施例描述和/或示出的特徵可以以相同或類似的方式在一個或更多個其它實施例中使用，和/或與其它實施例中的特徵相結合或替代其它實施例中的特徵使用。

應該強調，術語「包括/包含」在本文使用時指特徵、整件、步驟或組件的存在，但並不排除一個或更多個其它特徵、整件、步驟、組件或其組合的存在或附加。

本發明以上的裝置和方法可以由硬體實現，也可以由硬體結合軟體實現。本發明涉及這樣的計算機可讀程序，當該程序被邏輯部件所執行時，能夠使該邏輯部件實現上文所述的裝置或構成部件，或使該邏輯部件實現上文所述的各種方法或步驟。本發明還涉及用於存儲以上程序的存儲介質，如硬碟、磁碟、光碟、dvd、flash存儲器等。

這些實施例的許多特徵和優點根據該詳細描述是清楚的，因此所附權利要求旨在覆蓋這些實施例的落入其真實精神和範圍內的所有這些特徵和優點。此外，由於本領域的技術人員容易想到很多修改和改變，因此不是要將本發明的實施例限於所例示和描述的精確結構和操作，而是可以涵蓋落入其範圍內的所有合適修改和等同物。

本發明未詳細說明部分為本領域技術人員公知技術。