[发明专利]一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量微小位移的数字散斑相关测量方法。具体的说是涉及一种基于相位涡旋特征参数来实现对被测物体微小位移的数字散斑相关测量。

背景技术

激光散斑是指当激光照射在粗糙物体表面上时，在反射场或透射场形成的看似杂乱无章而又符合统计规律的明暗相间的斑点。散斑携带了被测物体的信息，通过对散斑场的分析可以得到被测物体的变化信息。数字散斑相关测量方法是二十世纪80年代初由日本的I.Yamaguchi和美国的W.H.Peters及W.F.Ranson等人提出的，用于测量物体面内位移的非接触式光学测量方法；它具有光路简单、全场测量、非接触及对测量环境要求低等优点；因而在无损检测领域得到了广泛的应用。经文献检索，专利“飞秒激光散斑相关法测量微小位移的装置和方法”(授权号为ZL200610026621，授权日为2008.04.02)，通过对物体变形前后两幅散斑光强图的相关运算能够实现亚像素位移的精度测量，其不足之处是该方法需要飞秒激光系统，由于该系统昂贵且不易维护，限制了其实际应用范围；专利“骨小梁的提取与力学性能测量方法及其测量装置”(公开号为CN101158679，公开日为2008.04.09)，公开了一种利用数字散斑相关方法对骨小梁的力学性能进行测量的方法及装置，该专利是数字散斑相关测量方法的新应用，而没有关注该方法本身的测量准确性及精度；专利“一种多功能薄膜力学性能检测装置”(公开号为CN101788427A，公开日为2010.07.28)，该装置采用数字散斑相关方法测量薄膜变形，结合鼓泡法和改良移层法，可获得薄膜与涂层的力学性能；该装置也是利用散斑强度图直接进行相关搜索，而没有考虑图像受噪声污染等影响因素。

分析可知，在现有公开的文献资料中，在对数字散斑相关测量方法及其应用研究方面，大都采用实验获得的散斑光强图像进行直接相关搜索来进行测量，而实际测量中散斑图中背景噪声及高频噪声的存在降低了数字散斑相关测量方法的准确性和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题：提供一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法，它能够有效消除背景噪声和高频噪声的影响，可快速、准确的实现亚像素精度的测量。

本发明是利用数字散斑相关测量光路获得被测物体移动前和移动后两个状态的散斑光强图像，然后利用拉盖尔-高斯复数滤波器对这两幅图像进行滤波获得光强复数信号；分别提取出它们的实部零值线与虚部零值线，通过实部零值线与虚部零值线的交叉点得到被测物体移动前、后两个状态的相位涡旋分布；计算出每个相位涡旋的拓扑电荷特征参数，获得两幅散斑图像的拓扑电荷分布数据矩阵；最后，对这两个拓扑电荷分布数据矩阵进行相关运算，得到被测物体的位移信息。

本发明的方法，主要包括如下步骤：

(1)用CCD相机记录被测物体移动前和移动后的散斑光强图I₁(x，y)、I₂(x，y)，为保证测量精度，应使散斑图中的散斑颗粒的平均直径为4～6Pixels，散斑图像应大于512×512Pixels；将两幅散斑光强图存储进计算机进行后续处理；

(2)用拉盖尔-高斯复数滤波器，对移动前和移动后的散斑光强图I₁(x，y)、I₂(x，y)进行滤波，得到它们的光强复数信号分布拉盖尔-高斯复数滤波器的带宽应等于散斑图中散斑颗粒的平均直径；

(3)然后，提取出物体移动前光强复数信号的实部与虚部零值线，通过实部与虚部零值线的交叉点得到物体移动前散斑场的相位涡旋分布；再提取出物体移动后光强复数信号的实部与虚部零值线，通过实部与虚部零值线的交叉点得到物体移动后散斑场的相位涡旋分布；

(4)通过移动前相位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵q₁(x，y)，再通过移动后相位涡旋分布计算出拓扑电荷分布数据矩阵q₂(x，y)；

(5)在移动前拓扑电荷分布数据矩阵q₁(x，y)中，以数据中心点为中心选择大小在41×41～61×61Pixels间的子区作为搜索区域，然后，利用标准化协方差相关函数，在被测物体移动后的拓扑电荷分布数据矩阵q₂(x，y)中以数据中心点为起点，在x，y方向进行相关搜索；当相关系数最大时，停止搜索，得到散斑场在x，y方向的位移(μ，ν)，成像光路的放大倍数为M，则被测物体的位移量为(μ/M，ν/M)。

本发明的工作原理是：