数字散斑相关方法及应用进展

数字散斑相关方法（DSCM）是一种可以测量变形和应变的光学非接触测量方法,其通过对变形前后物体表面的图像进行灰度信息相关计算来获取被测物的力学性能。本文叙述了数字散斑相关方法近年来在国内外的发展动态和应用现状,详细论述了基于自适应遗传算法、智能神经网络方法、小波变换法的一系列新型相关搜索方法。文章指出,近年来,数字散斑相关技术已发展到相对成熟,目前的研究重点是提高测试精度和图像处理速度,而提高散斑图像质量和研究高效的算法是需要努力的方向。     

基于数字散斑照相术测量刚体面内位移

数字散斑照相术通常测量刚体的面内位移。从基本原理着手,研究了基于散斑照相术的两种常用方法,即数字图像相关法和傅里叶变换法。论述了数字图像相关法中的亚像素梯度算法,讨论了如何选择子区的大小,优化测量结果;傅里叶变换法通过对散斑图进行傅里叶变换和数学形态学等一系列操作,获得精确的条纹间距,从而更好地计算面内位移。实验结果表明,傅里叶变换法的测量精度要高于数字图像相关法。     

双目视觉DIC测量系统的离面位移测量精度

采用离面位移测量精度达到10 nm~20 nm的电子散斑干涉测量系统验证了双目视觉数字散斑相关测量系统的离面位移测量精度。分别用电子散斑干涉测量系统和双目视觉数字散斑相关测量系统同时测量了平板离面位移,并对所测量的位移最大值进行了分析处理及比较。结果表明,双目视觉数字散斑相关测量系统的物体离面位移分布云图与电子散斑干涉测量系统的结果基本相同,且两者位移均方根相差为2.76 m~3.56 m,相对误差为4.59%~7.60%。因此,当被测量物体的离面位移大于4 m时,双目视觉Q400测量系统精度可达到电子散斑干涉测量系统的精度。     

经成像系统二次调制的动态散斑的空时相关性质

高斯光束经位于成像系统共轭面的两个散射体(其中一个是恒速运动)后,在距像面为菲涅尔区的观测面上形成了串级动态散斑场.理论分析和实验测量结果均表明,这种动态散斑的空-时相关函数与一次散射形成的动态散斑相比,对散射体的运动十分敏感,但其时间相关长度与速度的倒数仍然保持线性关系.     

动态白光散斑法的灵敏度及其提高

本文用非相干成象系统频谱分析的概念,分析了动态白光散斑法的灵敏度问题。提出了提高灵敏度的方法,使之不仅能测量大的动态变形,而且也能测量小的动态变形,如果用光弹性材料作试件,能同时得到动态等差线,进行主应力分离。     

基于单幅数字散斑投影及图像相关的离面振动测量

采用单幅数字散斑图投影及高速数字图像采集技术,研究了动态离面位移的测量。采用商用液晶投影仪将计算机产生的模拟散斑图投影到待测动态变形物体表面,由高速数字图像采集设备摄取并保存变形散斑图,采用时间序列数字图像相关软件计算出物体表面各点随时间变化的离面位移。这种方法用于振动分析时不仅可以获得振型分布,而且还可以获得各点的振幅值。与现有的激光频闪照相测振及激光多普勒测振等方法相比,具有光学系统简单,可全场定量测量。悬臂梁振动实验结果证实了该方法的有效性。     

激光片光三维传感中降低散斑影响的新方法

提出一种激光片光三维传感中降低散斑影响的新方法,片光面内扫描合成孔径法。通过向被测物体表面投射面内扫描的片状激光束,产生空间变化的动态散斑光场,这样的光场在成像透镜光瞳平面上的移动,其时间平均效果等效于利用了一个大的“合成孔径”,降低了散斑的影响,明显地提高了测量精度。文中给出了合成孔径的理论分析和三维面形测量的实验结果。     

双散斑场相移数字干涉计量

本文介绍了一种检测散射表面变形的自动测量系统。将相移和数字图像处理技术应用于数字散斑干涉计量中,毋须中间记录过程,在计算机控制下采集数据和计算相位,产生相位条纹而非相关条纹。用图像处理技术消除散斑随机性引起的噪声。文中给出了面内、离面变形的测量结果。     

利用散斑空一时相关性测散射体的慢运动

本文研究了利用远场动态散斑的空-时相关性测量散射体运动速度矢量的理论和实验技术.作者在推导出远场动态散斑空-时相关函数的基础上,提出并建立了一种新的微机辅助检测系统.利用它从实验上证明了在单高斯光照明、散射体平动情况下运场动态散斑的空-时相关性,以及空-时相关的差分与运动速度之间的线性关系.通过测量动态散斑的空-时相关性获取散射体的运动速度矢量.实验结果与理论分析吻合.     

数字散斑相关测量方法的研究与改进

通过对数字散斑相关测量方法的研究,提出一种新的数字散斑相关搜索方法.采用该方法可大大节省数字散斑相关测量中数据处理的时间.实验表明,本文所提出的方法是一种实用的快速、高精度位移和变形的测量方法.     

散斑面内形变场检测系统设计

数字散斑测量是一种非接触、全场测量的高精度光测方法。该系统由散斑生成装置、数据采集装置和数据处理装置三部分组成。散斑生成装置将扩散的激光束投射到待测物体上,用接收屏接收物体散射生成的散斑图像。数据采集装置主要由CCD和数字采集卡组成,CCD拍摄散斑图像,并将其传输给数字采集卡,经采集卡转换成数字图像,以矩阵形式输入到数据处理装置。数据处理装置根据光学相关识别技术设计的检测程序对采集到的数字图像进行相关运算,通过对相关峰的准确定位来获取物体的形变信息。     

Robustness of Objective and Subjective Speckle Patterns in the Speckle Strain Gauge

The robustness to rigid body object motions of three optical systems used in the speckle strain gauge were experimentally investigated and compared with analytical results of the correlation. It was found that an out-of-plane motion of the object damaged the reliability of the strain measure when recording the objective speckle patterns while subjective speckle patterns were more robust. Besides out-of-plane object motions, the robustness of a free-space geometry and an afocal imaging configuration are approximately the same, while a telecentric imaging system is more robust to rigid body motions but more sensitive to deformation gradients (basically in-plane rotation and tilt). Results from a measurement of the relaxation in a lead-tin alloy used in organ pipes is also presented.Presented at 1996 International Workshop on Interferometry (IWI ‘96), August 27-29, Wako, Saitama, Japan.     

频域数字散斑相关法对双材料界面裂纹的研究

本文将数字散斑相关方法与显微放大技术相结合,对铜、钢双材料界面裂纹试作进行了研究,提出了频率城数字散斑相关法,该方法在频率域中利用物体变形前后散斑图对应子区域的相关搜索来测量物体的变形位移,该方法与常用的空间域数字相关法相比,避免了相关识别中的反复搜索,极大地提高了信息提取速度,并且具有更高的定位精度和测量精度。文章最后给出了实验结果。     

数字散斑法在局域剪切带三维变形研究中的应用

在适当的温度、应变率和预变形下,合金材料的拉伸试验中,将会出现伴随应力锯齿形跌落的雪崩式剪切变形带,即波特文-勒夏特利埃(Portevin-Le Chatelier,PLC)效应。利用高速数字摄像系统(分辨力1000 frames/s)并结合数字散斑干涉法(Digital speckle pattern interferometry,DSPI)和数字散斑相关法设计了一套光学变形测量系统,实现了拉伸试验中对试件表面三维变形的实时、精确测量。利用该光学系统对铝铜合金试件在拉伸试验中产生的跳跃传播的局域剪切带瞬态成核过程进行捕捉。通过结合数字散斑相关法得到的面内变形定量结果和数字散斑干涉法得到的表现离面变形的条纹图,再现了剪切变形带成核和传播瞬间的三维变形过程。     

数字散斑相关方法实现鼠标定位原理

在激光鼠标工作原理的基础上,利用数字散斑相关方法对激光鼠标的定位原理进行了研究。设计实验得到散斑场并用数码相机拍摄。用图像采集卡采集CCD扫描数散斑图像得到的图像,将图像数字化,分析数据得到了图像最优采样的像素单元和图像位移两个参量。基于两个参量,实验采集散斑图像在一定的轨迹运动下的散斑场,用Matlab软件模拟,并比较分析了实验和模拟结果。结果表明,用数字散斑相关方法可以实现激光鼠标的定位功能,并且分辨力可达到1μm,远高于市场上激光鼠标30μm的分辨力。     

立体摄影术与数字散斑相关方法相结合用于研究三维变形场

采用立体摄影术与数字图像相关技术相结合的方法测量了三维位移场。首先利用两个CCD摄像机在空间两个不同位置拍摄物体表面在变形前后同一个区域之间的散斑图像;然后利用数字散斑相关技术求解这四幅散斑图像之间的相对位移;最后利用立体摄影的几何转换公式来确定物体表面的三维变形场。给出了该立体摄影测试系统的标定结果以及编织复合材料试件的三维变形测量结果。     

时间序列散斑干涉场中相位函数的计算

散斑干涉或电子散斑干涉计量应用于连续运动或变形物体时,就会产生一个时变的散斑干涉场,通过摄像系统连续地采集这一时变散斑场,可获得一系列时间序列散斑干涉图,通过对序列散斑图上各点在时间轴上光强值的变化进行分析,提出了一种基于时间序列的分析方法,用以提取干涉场的相位值,进而获得物体全场变形信息。     

High Accuracy Phase Measurement in Phase-Shifting Speckle Interferometry

A method for accurately measuring information about the deformation of a rough surface object using a phase-shifting speckle interferometer with a television camera and a computer is considered. In this case, the intensity change of the speckle by phase-shifting varies randomly in space because of the statistical property of the speckle. Then, at points with small intensity change, the accuracy of the phase measurement is affected significantly by the quantization error of an analog to digital converter for data recording. To improve the accuracy, the statistical property of the interference speckle must be clarified. This is done theoretically and experimentally, and the experimental results show that higher measurement accuracy can be attained by selecting large amplitude points.Presented at 1996 International Workshop on Interferometry (IWI ‘96), August 27–29, Saitama, Japan.     

激光散斑相关性和位移的关系研究

用统计理论研究激光散斑的相关性与位移的关系,并对此关系进行了实验研究,理论和实验结果对于数字散斑相关测量具有一定的指导意义。