[发明专利]散斑图等精度正交扫描视频分析方法及仪器

说明书

本发明涉及激光应用技术、混合图像处理和测试技术。

激光散斑测量是激光应用的最新技术之一，是一种较为实用的工程测量方法。在这种方法中，扩展的激光速照射到具有光学粗糙表面的物体上的透射光或反射光将在空间形成散斑干涉场。如果在被测物体发生面内位移或形变的前后进行二次曝光照相就可得到记录了物体位移或形变信息的激光散斑图。用细激光束照射散斑图可在其衍射远场中获得杨低干涉条纹，条纹的间距及方向反映了物体相应点处位移的大小及方向，由条纹的间距和方向可以定量地确定出物体的微小变形以及应变情况。如果逐点对散斑图进行分析，则可以定量获得物体各点的位移或形变信息以及分布状况。这预示了散斑测量技术在工程上获得应用的广阔前景。

激光散斑技术适用于物体面内微小位移、拨动、应力和应变、热场梯度、流体速度等的非接触测量和分析。在大型结构工程设计中，与理论计算相结合可以验证设计的可靠性，在确保工程质量的前提下优化结构参数，减少材料消耗和施工投资，具有很大的经济效益。在某些材料试验、热力学实验等研究工作中要进行二维非接触测量分析，散斑测量技术是唯一可行的手段。因而散斑测量是一种很有发展前途的实用技术，在力学、材料科学、机械制造、水利、土建等工程中得到广泛的应用。

散斑图逐点分析的关键是干涉条纹间距和倾角的快速测量和处理，即如何快速准确地得到如图1所示的S与θ值。目前的处理技术大致有以下几种：

1.人工读图方法：用直尺和转角度盘配合，靠目视人工测量观察屏上的衍射条纹，由直尺读出条纹间距，由刻度盘读出条纹角度，整个测量过程为手工操作，工作繁琐，劳动强度极大，速度慢，误差也大。

2.光电元件检测法：一种方法是用单个光敏二极管或排列成一列的一组光敏二极管作为接收器，它安装在可指示角度的转台上，利用机械扫描装置对衍射图象进行扫描，光敏二极管输出的电信号经模数转换化为数字信号送入计算机处理它的扫描速度慢，精度差，角度测量仍靠转动装置确定。另一种方法是用许多窄条状的硅光电池阵列或电视摄象机代替光敏二极管，安装在步进电机带动的机械转台上。测量时，要先使光电池或电视扫描线转成与条纹平行，由机构转台指示出条纹的倾角，这种方法也要使用机械转动装置，有较大的测量误差，尤其是角度误差。

3.数字图像处理方法：用电视摄象机或电荷耦合器件（CCD）等图像转换装置将散斑图象转换为二维数字图象送入帧存储器中，经过计算机图象处理如数字滤波、自相关远算等求出条纹的间距和倾角。这种方法通用性强，但设备庞大、价格高、要求高速A/D转换器和帧存储器，软件包大而复杂，占用内存大（按一幅图象512×512象素为准，取256个灰阶，则一幅图象要256K字节内存），而且分辨率由于采样象素数的限制，不可能很高。

本发明的目的是研制一种测量精度高，自动化程度高，设备较简单的散斑图象分析方法及仪器。

本发明的构成是采用等精度正交扫描视频分析法对如图2（a）所示的倾斜条纹进行水平方向，垂直方向的正交扫描，测出其水平截距Sx及垂直截距Sy，如图2（d），然后通过几何关系的运算来求得条纹间的法向间距S及倾角θ。

本测量方法可利用电视摄象机的行场扫描特性来完成，但是在电视摄象中垂直方向扫描是与行扫描同时完成的，整个画面的垂直方向扫描是由625条行扫描线来组成。所以其精度小于1/625扫描范围。

下面结合附图详细叙述本发明的测量方法及提高垂直扫描精度的方案。

图1为散斑图再现干涉条纹示意图。

图2为正交扫描测量方法工作原理图，（a）为衍射条纹图样。测量时，首先让摄象机处于正常光栅扫描，得到如图2（b）所示的用行同步信号分隔的随时间变化的视频信号，每一条纹在视频信号中对应一个峰值，根据电压信号峰值点出现的周期T_x即可求得条纹在水平方向的截距S_x，并有

S_x＝k_x·T_x（1）

式中K_x为一取决于成象光学系统放大倍数、散斑图再现时的衍射距和摄象管光靶尺寸、扫描频率的常数，可由计算和实验测定。

T_x为条纹水平截距的对应的时间周期，可在此周期中填入时间脉冲，并按T_x＝△tx·N_x来求得，△tx-每一脉冲的时间周期;N_x-在T_x内的脉冲数。