[发明专利]一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法

说明书

本发明公开一种基于加窗傅里叶变换的干涉测量装置和方法。其装置为一具有波长空间调制能力的迈克尔逊干涉测量仪，包括了宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、CCD相机(13)。再结合加窗傅里叶变换的干涉信号解调方法，通过卷积运算、阈值处理、反傅里叶变换等过程，对编码了位移信息的干涉光谱相位进行数据解调。相比于传统方法，这种方法解调出的位移场结果具有更高的信噪比。

技术领域

本发明涉及一种光学干涉测量的仪器和方法，特别是基于加窗傅里叶变换的干涉测量装置和方法

背景技术

高聚物复合材料/结构在力学载荷下的位移场动态分布情况，是高精度工业制造中需要考虑的一个重要因素。近年来，国际上许多先进的光学测量方法被用来对其进行测量，如电子散斑干涉、数字图像相关、光纤布拉格传感器等。在这些技术和方法当中，相位对照谱域光学相干层析(PC-SOCT)是最有前景的方法之一，它能够对透明/半透明材料进行内部位移场的层析测量，且测量灵敏度高、测量速度快。

PC-SOCT始于2006年，是相位对照技术和谱域光学相干层析(SOCT)系统的结合。它在样件变形前后采集干涉光谱，并通过光谱的相位差计算样件的变形大小。由于SOCT系统只需要进行一次拍摄即可实现干涉光谱的采集，因此它能够应用于材料变形的实时测量。此外，光谱的相位差对于样品臂和参考臂的光程差(OPD)非常敏感，它每变化2π对应OPD变化了光源中心波长的一半。因为在材料折射率不发生改变的前提下，能够通过OPD的变化量解调样件的位移，因此PC-SOCT能应用于力学载荷导致的微变形测量当中。但是PC-SOCT在测量材料内部变形场的过程当中，由于内部散射光较弱，容易受到被测样件以及系统本身产生噪声的影响，使测量结果信噪比较低。目前，还没有一种方法或技术能够较好的解决该问题。

本专利在优化PC-SOCT系统结构和改进信号解调方法的基础上，提出了一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法。

发明内容

本发明公开一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置及方法，它首先通过干涉测量系统测量到样件变形前后的干涉条纹，通过干涉条纹的相位信息解调样件内部的位移场分布情况，再结合加窗傅里叶变换对位移场分布进行滤波，提高测量结果的信噪比。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量装置，如图1所示，依次包括：宽带光源(1)、准直透镜(2)、柱面镜(3)、狭缝(4)、准直透镜(5)、分光棱镜(6)、物镜(7)、参考平面(8)、物镜(9)、被测样件(10)、反射式衍射光栅(11)、镜头(12)、CCD相机(13)。

装置的光路结构如图1所示。宽带光源(1)发出的光经过准直透镜(2)的作用后，被柱面镜(3)聚焦于狭缝(4)上；经过狭缝(4)的光在准直透镜(5)的作用下进入分光棱镜(6)，并被分为两束，其中一束光在物镜(7)的作用下聚焦于参考平面(8)上，另一束经过物镜(9)聚焦于被测样件(10)上；来自参考平面(8)和被测样件(10)的反射光进过分光棱镜(6)后入射到反射式衍射光栅(11)上，经过衍射光栅(11)后的光谱在镜头(12)的作用下成像于CCD相机(13)上，并将成像后的光谱传入计算机(14)当中。

一种基于加窗傅里叶变换的位移场层析测量方法，其流程如图2所示，具体内容如下：

[1]在初始时刻，对被测物体采集一副干涉图像，它的表达式如下：

(x,y)是图像的空间坐标，是包裹相位图

[2]通过卷积运算可以计算出条纹图的频谱，可以得到每个像素的频率信息，表达式如下：