第23卷　第1期2008年3月 北京机械工业学院学报Journal of Beijing I nstitute ofM achineryVol.23No.1Dec.2008文章编号:1008-1658(2008)01-0039-03激光散斑位移测量方法研究李晓英,郎晓萍(北京信息科技大学　光电信息与通信工程学院,北京100192)摘 要:激光散斑测量法是在全息方法基础上发展起来的一种测量方法,这种方法具有很强的实用价值。

散斑位移测量不仅可以实现离面微位移的测量,也可以进行面内微位移测量。

主要是对面内微位移进行了测量研究,利用设计的测量系统将物体发生位移前后的散斑图由CCD 记录下来,分别用数字散斑相关法和散斑照相法对散斑图像进行了分析处理,并得出了相应的结论。

最后,对以上两种测量法的特点和测量误差产生的原因都作了简单的分析和比较。

关　键　词:激光散斑;位移测量;数字图像处理中图分类号:O436.1 文献标识码:AResearch of d ispl acem en t m ea surem en tba sed on l a ser speckleL I Xiao2ying,LANG Xiao2p ing(School of Phot oelectric I nfor mati on and Telecommunicati on Engineering,Beijing I nfor mati on Science and Technol ogy University,Beijing100192,China)Abstract:The laser s peckle based on hol ography is of great p ractical value and can measure m icr o2 dis p lace ment.I n surface m icr o2dis p lace ment is focused on in this paper.The t w o laser s peckle patterns are res pectively shot bef ore and after the object is moved.D igital s peckle correlati on method and s peckle phot ography are used t o measure a s mall dis p lace ment moved al ong x or y axle.The above t w o methods are compared at the end of the paper.Key words:laser s peckle;dis p lace ment measure ment;digital i m age p r ocess 散斑测量与其他测量方法相比具有光路简单、成本低、调试及操作方便等优点,从而在位移测量中得到了广泛的应用。

其实,散斑不仅可测量物体的位移和形变,还可测量振动、无损探伤等等。

散斑在精细无损计量方面具有很大的发展潜力,是目前研究的一个热点[1]。

所以对散斑特性和规律研究具有非常重要的意义[2]。

1激光散斑测量基本原理1.1散斑照相法当一束激光射到粗糙物体表面时,光被物体表面反射后在成像空间形成散斑。

若将物体发生微小位移前后的散斑分别对记录介质曝光一次,就会得到一副双曝光散斑图,光强度分布为:I(x,y)=I0(x,y)+I0(x-Δx,y-Δy)(1)I0(x,y)表示第一次曝光光强,I0(x-Δx,y-Δy)表示第二次曝光光强,Δx,Δy分别指物体发生的面内微位移。

根据全息原理知,记录介质的振幅透过率与光强成线性关系,即:t(x,y)=a-bI(x,y)(2)式中,a与b为常数。

因为当物体发生一个较小的面内位移时,可以认为前后两张散斑图的微观结构相同,仅有一个相对位移。

当用一束细平行激光照射该散斑图时,在接收平面上可以接受到散斑图的夫琅和费衍射图样(杨氏条纹),其振幅分布由记录介质振幅透过率的傅里叶变换决定,经分析可得出微位移和条纹间距之间的关系[3,4]:Δx=λLM d xΔy=λLM d y(3)收稿日期:2008-01-16作者简介:李晓英(1975-),女,山西原平市人,北京信息科技大学光电信息与通信工程学院讲师,硕士,主要从事光学的教学与研究工作。

北京机械工业学院学报 第23卷 式中L为记录介质与接收屏之间的距离,dx,d y 分别为x方向和y方向上干涉条纹间距。

M是散斑照相时的放大倍数。

由于条纹的方向是垂直于散斑位移方向。

所以杨氏条纹方向决定散斑的位移方向,只要测量出条纹的间距和方向,就可得到照射点的位移大小和方向。

计算机散斑干涉法是利用CCD摄像机和图像采集卡将物体发生位移前后的两个散斑图分别进行采集,然后将其保存在计算机内,通过编写的程序对两个散斑图进行处理后叠加可获得强度相关条纹场,类似杨氏条纹。

测量出干涉条纹间距,按照公式(3)便可算出物体发生的微位移。

1.2数字散斑相关法散斑相关法是根据物体在变形前后的相关性来确定物体位移和变形的一种非接触性全场测量方法。

如果被测物体发生的是一个微小的面内位移,可以认为微位移只改变散射基元的空间位置而不影响散射特性,所以散斑图的微观结构基本上保持不变,图上每一点全部仅发生了相应面内位移[5]。

假设物体发生位移前的函数为f(x,y),发生位移后的函数变为f((x-x),(y-y0)),根据自相关函数: r ff(x,y)=∫∞-∞∫f(ξ,η)f3(ξ-x,η-y)dξdη(4)可知:自相关函数的模|rff(x,y)|在原点最大。

也就是当信号相对本身有平移时,就改变了位移为零时的逐点相似性,自相关的模减小[6]。

所以自相关模最大时所对应的位移量即是物体发生的位移。

数字散斑相关法首先将被测物体发生位移前后所形成的散斑图分别由CCD摄像机采集并保存在计算机里,利用编写的程序对散斑图作相应的数字图像处理,然后利用数字图像相关处理,分析物体表面位移场分布。

通常相关运算形式为[7]:C( Γ)=κsΨ( σ+ Γ)d2 σ(5)式中,C是相关系数,S是相关子区, Γ是位移矢量,Ψ( σ+ Γ)是相关积分核,具体形式如下:Ψ( σ+ Γ)=f( σ)・g( σ+ Γ)(6)f和g分别为变形前后散斑场强度函数。

具体方法是:从变化前散斑图上选取一个散射基元,根据式(6)确定相关积分核,利用matlab软件编写的程序自动在变化后散斑图上搜索最大相关系数所对应的位置,以此确定物体的位移量。

本方法需要逐点进行比较,因此必须进行大量的数据计算,但是此测量精度较高。

2实验结果和分析2.1散斑照相法图1为测量系统原理图。

系统由激光器、偏振片、扩束镜、准直镜、毛玻璃、CCD摄像机和计算机组成。

测量所用激光器为氦氖激光器。

测量时首先记录一幅物体位移前的散斑图,然后再记录一幅物体位移后的散斑图。

利用Matlab编写的程序分别对散斑图经过了滤波处理和二值化处理,然后将两张散斑图重叠,产生双曝光图,如图2所示。

1—偏振片;2—扩束镜;3—准直镜;4—毛玻璃图1　双曝光法测量面内位移系统原理图图2　散斑干涉图 对散斑图进行处理分析,得出相邻干涉条纹之间的距离,利用公式(3)算出相应的位移量。

测量数据见表1。

表1　利用相关法得到的实验数据序号实际位移/mm测量位移/mm10.010.010920.020.021630.030.032040.040.0439 实验中测量相对误差接近10%。

误差大的原因关键在于条纹质量比较差。

影响条纹质量的因素大致有几个方面:①物体表面的粗糙度影响;②背景光的干扰;③测量时光路调节不够理想;④散斑的大小直接影响到可测量的位移,所以可能还与测量的位移量大小有关。

2.2数字散斑相关法图3为相关法测量面内位移系统原理图。

系统04　第1期 李晓英等:激光散斑位移测量方法研究中所用激光器为氦氖激光器。

激光器发出的光依次经过反射镜、准直镜、毛玻璃、透镜,最后由CCD 记录散斑图。

图3　相关法测量面内位移系统原理图 首先记录一张初始位置的散斑图保存在计算机内,然后再记录物体发生位移后的散斑图。

通过计算机编写程序对这两幅散斑图作相应的滤波和二值化处理后。

图4所示,是用CCD 记录的物体发生位移前后的散斑图。

图4　物体发生位移前后的散斑图 图5是从位移前散斑图上选取的一个小的散射基元,根据式(5)编写的程序,实现散射基元在位移后散斑图上自动搜寻与之匹配的基元,根据相关系数大小来确定物体发生的位移。

表2是处理数据结果。

图5　散射基元表2　利用相关法得到的实验数据序号实际位移/mm测量位移/mm最大相关系数散射基元大小/像素10.010.00990.7057100×10020.010.00990.8417200×20030.010.00980.8728300×30040.020.02010.4340100×10050.020.02030.6932200×20060.020.02080.7714300×30070.030.03010.8284100×10080.030.03050.7563200×20090.030.03110.7691300×300100.040.04010.4231100×100110.040.04090.5264200×200120.040.04180.6087300×300 测量最大相对误差在5%左右。

通过实验发现:①相关系数随位移的增加而减小;②散射基元大小会直接影响到相关系数的大小;③散斑会有一定的变形。

3结束语本文设计了一套利用散板测量面内微位移的系统,该系统结构简单,操作方便。

实验中利用CCD 记录散板图像,便于实现测量数字化,而且通过提高CCD 的分辨率来提高测量的精度。

实验中分别用散斑照相法和散斑相关法对物体面内发生的微位移进行了测量和分析。

通过对测量数据分析,发现这两种方法均可以实现对面内微位移进行测量,但是这两种方法各有特点。

双曝光法是通过对物体发生位移前后所形成的散斑图进行叠加,获得干涉条纹来计算物体的位移,所以散斑图的质量是决定测量结果的重要因素。

在实验中发现物体表面粗糙度对条纹间距会产生直接影响。

在实验中也发现,位移量大小对实验结果有很大的影响,位移太小和太大都直接降低了条纹质量。

(下转第61页)14　第1期 王信东等:我国现代服务业统计范围演变研究计),得到的数据供本地区参考。