一種基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量裝置及方法與流程
2023-06-10 00:02:06 1
本發明涉及一種光學幹涉測量的儀器和方法，特別是基於加窗傅立葉變換的幹涉測量裝置和方法
背景技術：
高聚物複合材料/結構在力學載荷下的位移場動態分布情況，是高精度工業製造中需要考慮的一個重要因素。近年來，國際上許多先進的光學測量方法被用來對其進行測量，如電子散斑幹涉、數字圖像相關、光纖布拉格傳感器等。在這些技術和方法當中，相位對照譜域光學相干層析(pc-soct)是最有前景的方法之一，它能夠對透明/半透明材料進行內部位移場的層析測量，且測量靈敏度高、測量速度快。
pc-soct始於2006年，是相位對照技術和譜域光學相干層析(soct)系統的結合。它在樣件變形前後採集幹涉光譜，並通過光譜的相位差計算樣件的變形大小。由於soct系統只需要進行一次拍攝即可實現幹涉光譜的採集，因此它能夠應用於材料變形的實時測量。此外，光譜的相位差對於樣品臂和參考臂的光程差(opd)非常敏感，它每變化2π對應opd變化了光源中心波長的一半。因為在材料折射率不發生改變的前提下，能夠通過opd的變化量解調樣件的位移，因此pc-soct能應用於力學載荷導致的微變形測量當中。但是pc-soct在測量材料內部變形場的過程當中，由於內部散射光較弱，容易受到被測樣件以及系統本身產生噪聲的影響，使測量結果信噪比較低。目前，還沒有一種方法或技術能夠較好的解決該問題。
本專利在優化pc-soct系統結構和改進信號解調方法的基礎上，提出了一種基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量裝置及方法。
技術實現要素：
本發明公開一種基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量裝置及方法，它首先通過幹涉測量系統測量到樣件變形前後的幹涉條紋，通過幹涉條紋的相位信息解調樣件內部的位移場分布情況，再結合加窗傅立葉變換對位移場分布進行濾波，提高測量結果的信噪比。
本發明通過下述技術方案實現：
一種基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量裝置，如圖1所示，依次包括：寬帶光源(1)、準直透鏡(2)、柱面鏡(3)、狹縫(4)、準直透鏡(5)、分光稜鏡(6)、物鏡(7)、參考平面(8)、物鏡(9)、被測樣件(10)、反射式衍射光柵(11)、鏡頭(12)、ccd相機(13)。
裝置的光路結構如圖1所示。寬帶光源(1)發出的光經過準直透鏡(2)的作用後，被柱面鏡(3)聚焦於狹縫(4)上；經過狹縫(4)的光在準直透鏡(5)的作用下進入分光稜鏡(6)，並被分為兩束，其中一束光在物鏡(7)的作用下聚焦於參考平面(8)上，另一束經過物鏡(9)聚焦於被測樣件(10)上；來自參考平面(8)和被測樣件(10)的反射光進過分光稜鏡(6)後入射到反射式衍射光柵(11)上，經過衍射光柵(11)後的光譜在鏡頭(12)的作用下成像於ccd相機(13)上，並將成像後的光譜傳入計算機(14)當中。
一種基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量方法，其流程如圖2所示，具體內容如下：
[1]在初始時刻，對被測物體採集一副幹涉圖像，它的表達式如下：
(x,y)是圖像的空間坐標，是包裹相位圖
[2]通過卷積運算可以計算出條紋圖的頻譜，可以得到每個像素的頻率信息，表達式如下：
其中gu,v,ε,η(x,y)是加窗傅立葉基函數，表達式如下：
gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)
g(x,y)是歸一化的高斯窗函數，表達式如下：
[3]由於噪聲的隨機性和不連貫性，它在整個頻譜域的係數很小,通設定閾值可以去除噪聲。
[4]對去除噪聲的頻譜進行反傅立葉變換可以得到光滑的條紋圖。
附圖說明
圖1是基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量裝置的系統原理圖；1是寬帶光源，2是準直透鏡、3是柱面鏡、4是狹縫、5是準直透鏡、6是分光稜鏡、7是物鏡、8是參考平面、9是物鏡、10是被測樣件、11是反射式衍射光柵、12是鏡頭、13是ccd相機。
圖2是基於加窗傅立葉變換的位移場層析測量方法流程圖。
圖3(a)是直接測量到的位移場分布圖；
圖3(b)是中值濾波後的位移場分布圖；
圖3(c)是加窗傅立葉變換後的位移場分布圖。
具體實施方式
下面結合實驗實例和附圖對本發明作進一步說明，但不應限制本發明的保護範圍。
如圖1所示，本發明主要包括：寬帶光源(1)、準直透鏡(2)、柱面鏡(3)、狹縫(4)、準直透鏡(5)、分光稜鏡(6)、物鏡(7)、參考平面(8)、物鏡(9)、被測樣件(10)、反射式衍射光柵(11)、鏡頭(12)、ccd相機(13)。下面分別對該系統進行詳細介紹。
寬帶光源(1)(superlumdiodesltd，hp3，帶寬：δλ＝50nm，中心波長：λc＝840nm)發出的光經過準直透鏡(2)(焦距60mm)的作用後，被柱面鏡(3)(焦距100mm)聚焦於狹縫(4)(狹縫寬度10μm)上；經過狹縫(4)的光在準直透鏡(5)(焦距100mm)的作用下進入分光稜鏡(6)(分光比50:50)，並被分為兩束，其中一束光在物鏡(7)(放大倍數4倍，na＝0.1)的作用下聚焦於參考平面(8)上，另一束經過物鏡(9)(放大倍數4倍，na＝0.1)聚焦於被測樣件(10)上；來自參考平面(8)和被測樣件(10)的反射光進過分光稜鏡(6)後入射到反射式衍射光柵(11)(1200線/mm)上，經過衍射光柵(11)後的光譜在鏡頭(12)(焦距135mm)的作用下成像於ccd相機(13)(1600x1200像素，動態範圍12bit)上，並將成像後的光譜傳入計算機(14)當中。
在初始時刻，對被測物體採集一副幹涉圖像，它的表達式如下：
(x,y)是圖像的空間坐標，是包裹相位圖
通過卷積運算可以計算出條紋圖的頻譜，可以得到每個像素的頻率信息，表達式如下：
其中gu,v,ε,η(x,y)是加窗傅立葉基函數，表達式如下：
gu,v,ε,η(x,y)＝g(x-u,y-v)exp(jεx+jηy)
g(x,y)是歸一化的高斯窗函數，表達式如下：
由於噪聲的隨機性和不連貫性，它在整個頻譜域的係數很小,通設定閾值可以去除噪聲。
對去除噪聲的頻譜進行反傅立葉變換可以得到光滑的條紋圖。
通過溫度加載的方法獲得的材料內部位移場測量結果如圖3所示。對比實驗結果可以看出，採用基於加窗傅立葉變換的信號解調方法一方面能夠獲得信噪比較高的結果，另一方面也能清晰的分辨被測對象的截面輪廓。
能夠獲得最好的實驗效果。