抛喷丸表面的多波长散斑自相关法粗糙度测量

粗糙表面产生的多波长远场散斑图案的散斑延长现象可以用来进行表面粗糙度测量。以抛喷丸表面为研究对象,具体介绍了多波长散斑自相关表面粗糙度测量方法。根据多波长散斑图案的各向同性径向辐射的特征,提出了适用的数字图像处理方法。探讨了局部自相关函数特征长度的选取、数字图像处理过程中的局部窗口尺寸和散斑图像的饱和曝光比等因素对散斑延长效应的影响。通过拍摄和处理每一样品表面多个位置的多波长远场散斑图像,计算了Ra分别为0.4,0.8,1.6和3.2μm的表面样块的光学粗糙度指标值。结果表明,该光学粗糙度指标能很好反映被测表面的粗糙程度。     

粗糙表面对散斑统计特性的影响

为研究高速摄影中激光相干噪声的影响因素,降低激光照明中散斑噪声对高速摄影成像质量的影响,对激光照射表面的粗糙程度与形成的散斑场统计特性之间的关系进行了研究。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射原理,分析了高斯光束入射在随机粗糙表面上经反射形成的散斑图样,通过对大量散斑图样的数据统计,得出了激光散斑的信噪比、自相关函数、概率密度函数与入射表面粗糙度之间的变化关系。计算结果表明:粗糙度的增大使散斑场信噪比降低、相干程度减小、概率密度降低,即表面越粗糙散斑噪声越严重。     

基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式

目标漫反射产生的激光回波散斑效应严重影响合成孔径激光成像雷达(SAIL)的成像质量。在体系结构上提出了抑制散斑效应的系统性解决方案,建立了SAIL结构和工作模式设计的理论基础。研究了SAIL中与目标分辨单元尺寸、啁啾波长变化、目标相关性质和接收面光强随机分布有关的散斑统计特性。定义了SAIL光学接收天线的散斑孔径积分场复相干函数,它是天线孔径相关函数和目标分辨单元相关因子的卷积,其宽度就是可实现的孔径合成长度,给出了实现较大的孔径合成长度的发射口径、接收口径和实际孔径合成长度的设计原则,发现和分析了由啁啾散斑移动产生的拍频信号波动。最后建议采用滑动聚束模式来有效使用散斑效应造成较短的孔径合成尺度,因为其光束扫描宽度对SAIL移动距离有放大作用。同时也提出了具有多发射机/多接收机的多通道结构以提高回波散斑光场的探测率。     

空间平均的角度散斑相关粗糙度测量模拟研究

角度散斑相关是一种不受表面粗糙度轮廓的间距特性影响的粗糙度幅度参量测量方法,它的数学模型通常建立在集平均的基础上。通过模拟计算随机粗糙表面的远场散斑场,以散斑图面上的空间平均代替常规的集平均来计算角度散斑相关系数,并应用集平均的数学模型反演粗糙度参量。结果证实了这种空间平均角度散斑相关粗糙度测量方法的有效性,在同一表面只需对少数个区域进行测量并对测得的粗糙度参量取平均,即可获得足够的测量精度。对于Rq大于2.0μm的表面,测量相对误差小于15%。根据最佳测量条件,该方法适用于大粗糙度表面。     

弱散射屏的像面散斑自相关函数特性的实验研究

在对随机弱散射屏进行表面参数的原子力显微镜测量和建立了门积分取样平均的随机光强自相关函数测量系统的基础上,对弱散射屏在严格像面和离焦像面上产生的散斑自相关函数进行了测量。发现在严格像面上,散斑平均颗粒的大小随表面粗糙度增加而减小,且光强自相关函数次极大的相关间隔宽度随粗糙度增加而减小;而次极大的超伏随粗糙度的增大而增大;在离焦像面上,离焦量的增加使光强的自相关函数下降变得平滑,并使极小值点和次极大点变得不明显或者消失。     

半导体激光器内自混合散斑干涉

在散斑和半导体激光器的自混合干涉理论的基础上,提出了基于法布里一珀罗腔的自混合散斑干涉模型,对粗糙表面产生的激光器内自混合散斑干涉效应(SMSI)进行了详细的理论研究和分析,得到了粗糙腔条件下的激光动力学的数值解。模拟产生了高斯相关随机表面及其在夫琅禾费面上产生的散斑场,以及该散斑场与相干光场叠加所形成的光场,分析了这些情况中光强的统计特征,与已知实验情况进行了对比,模拟结果与已知统计结果相同。给出了粗糙表面运动时激光器输出增益的变化及其概率密度分布。对由于照明宽度和外腔长度的变化而给粗糙表面运动时激光器输出增益变化带来的影响进行了分析。实验结果和模拟结果相符。     

利用散斑图像测量表面粗糙度的计算机模拟及实验

从菲涅耳-基尔霍夫衍射公式出发推导出了粗糙面近场衍射方程。通过对观察面散斑光强统计特性的分析,提出了采用镜射光强分量法测量表面粗糙度的思想。为验证该方法的有效性,首先用计算机模拟产生具有不同统计特性的随机表面,然后对由随机表面产生的散斑场及其光强分布进行计算。计算结果表明,与传统的散斑对比度法相比,散斑镜射光强分量法测量弱粗糙表面粗糙度具有更大的适用范围和更高的测量精度,克服了散斑对比度法易受表面横向相关长度影响的缺点。通过实验对计算机模拟结果进行了验证。     

高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的分布特性研究

弱散射屏产生的远场散斑由一个中央亮斑和一个分布于亮斑周围而与正态散斑类似的散斑结构, 根据弱散射屏远场的散斑图样, 人们假设弱散射屏产生的像面散斑为均匀背景与正态散斑两者相干叠加的结果, 但这种假设与实际像面散斑存在歧异, 基于上述情况, 本文利用4f高通滤波光学成像系统, 研究了高斯型弱散射屏产生的像面散斑场的统计特性, 得出只有表面均方根粗糙度与入射光波的波长相差不多时上述假设才是可行的结论. 关键词： 弱散射屏 f光学成像系统')" href="#">4f光学成像系统 像面散斑     

微粗糙圆柱的各向异性散斑特性研究

分析了高斯光束照射微粗糙圆柱在菲涅尔衍射区形成的散斑图像统计特性,给出了强度起伏自相关函数与表面曲率及粗糙程度等参数之间的关系.根据强度起伏自相关函数的离散化定义,实验并计算了圆柱轴向与径向结构有差异情况下的散斑强度起伏相关函数.结果表明,对于C1和C2圆柱沿垂直于圆柱轴向的散斑尺寸变长,强度起伏自相关函数沿平行和垂直于圆柱轴两个方向的波动相差较大;对于C3和C4圆柱两个方向上的散射特性基本相同;测量C1和C3的结果表明,散斑尺寸和形状依赖于圆柱表面的皱褶和圆柱表面曲率两个因素.研究结果对于如柱型管道、轴承等方面的机械制造的质量控制有重要的应用价值.     

激光散斑反差与表面粗糙度关系的理论分析

本文从Fresne1-Kirchhoff衍射公式出发,直接由光强分布导出了散斑平均反差与表面粗糙度特征参数的关系公式,采用指数形式和高斯形式的自相关函数,得到极为相符的计算结果。利用激光衍射散斑平均反差测量表面粗糙度,具有精度高和分辨高等优点,可以用于测试精密表面的粗糙度。     

地面对激光雷达信号散射的统计研究

从理论角度研究了利用高斯光束照射远场目标时,激光散斑的统计特性.导出了散射光场的自相关函数和光强度的二阶矩的解析表达式,计算了激光散斑的面积.研究表明:在接收面上,光强的分布与目标表面高度的相关长度和均方根高度密切相关,激光散斑面积和散斑光强的相关系数只与激光束腰的尺度有关,与目标的均方根高度和相关长度无关. 关键词： 激光散斑 自相关函数 高斯分布 协方差     

基于激光散斑成像的零件表面粗糙度建模

表面粗糙度是衡量机械表面加工水平的重要参数. 通过构建一套激光散斑成像采集系统, 获取了不同表面加工类型和不同粗糙度值的零件表面激光散斑图像. 应用Tamura纹理特征理论提取图像的纹理粗糙度、对比度、方向度特征, 并分析了这三个特征与表面粗糙度的关系. 发现了纹理粗糙度特征与表面粗糙度的单调关系, 推导出平磨、外磨、研磨三种表面加工工艺的粗糙度值与图像纹理粗糙度特征的数学函数关系, 实现了表面粗糙度的测量. 同时, 利用Tamura纹理特征与加工工艺的依赖关系, 建立了基于贝叶斯网络的工艺识别推理模型, 推理出了零件表面加工工艺. 通过为多种加工类型表面建立粗糙度测量模型, 为粗糙度测量提供了新思路. 实验证明所提的粗糙度测量模型能以较高的准确率识别出零件表面加工类型并测量出其表面粗糙度值.     

基于自相关函数的非平面表面粗糙度的图像纹理研究

采用自相关函数对不同加工工艺形成的非平面工件表面粗糙度进行了研究。讨论了自相关函数及其扩展度参数与图像纹理特性的关系,构建了实验装置,利用图像处理软件对实验所得的激光散斑图像进行了处理,得到了自相关函数及其扩展测度参数随表面粗糙度的变化曲线。为研究非平面工件的粗糙度,提供了一种新的方法。     

Statistical Properties of Laser Speckles Generated from Far Rough Surfaces

The statistical properties of speckle patterns generated from far rough surfaces, under illumination of a Gaussian beam, are investigated. The surface roughness dependence of the first- and second-order moments of intensity is theoretically investigated, and their analytical expressions have been derived and presented. The analysis indicates that the mean intensity distribution on the receiver plane is closely related to the ratio of the lateral correlation length to the surface root mean square (rms) height. On the other hand, the speckle size and the correlation degree of the speckle intensities are found to be independent of the parameter characterizing the roughness of a surface, and are only determined by the laser beam waist.     

Computation of surface roughness using optical correlation

The laser speckle photography is used to calculate the average surface roughness from the autocorrelation function of the aluminum diffuse objects. The computed results of surface roughness obtained from the profile shapes of the autocorrelation function of the diffuser show good agreement with the results obtained by the stylus profile meter.      

Effects of an external angular dispersion on polychromatic speckle in the far field

The effects of an external dispersion on far field polychromatic speckle produced by a rough surface are investigated theoretically. Under certain assumptions it is found that the speckle pattern will undergo a displacement which does not depend on the RMS roughness of the surface.     

Hurst exponent determination for digital speckle patterns in roughness control of metallic surfaces

In this paper, we present a study of metallic surface roughness using the Hurst exponent calculated from speckle pattern. A set of samples was prepared using polishing techniques and the roughness was directly measured by means of an optical profilometer. To study the H exponent, an experiment was performed by illuminating the samples using an expanded laser beam and the surface image was captured by a CCD camera. We applied techniques of the Hurst exponent calculation, traditionally calculated from surface profile, in the digitalized speckle patterns generated by the rough surfaces. We showed a clear dependence of the H exponent on roughness of the samples. We demonstrated that this tool is very sensitive to defects in the surfaces and can be used for roughness control.