高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统和方法与流程
本发明涉及一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统和方法，属于光电检测领域。
背景技术：
电子散斑干涉(electronicspecklepatterninterferometry，espi)作为一种精密光学测量技术，具有快速、全场、大面积测量等优势，已被广泛应用于航空航天、国防军工、船舶电子、汽车等领域的精密位移测量和无损探伤。相移技术的应用，极大的提升了散斑干涉图的图像质量，并让电子散斑干涉的测量精度由微米级提升至纳米级，使得该技术逐渐发展为一种可靠的高精度光学测量手段。
现有电子散斑干涉系统在实际工程现场进行位移测试或无损探伤时，其相位图质量和相位信息准确性不甚理想，致使其无法进行位移或位移导数的精密测量。时间相移法在采集多幅具有固定相位差的散斑图像过程中，要求测量系统和待测物体需尽可能保持静止。该“静止”状态在光学实验室隔振平台上勉强可以得到满足，但在实际工程现场却极难实现。
例如，中国专利201210086926.8就公开了一种高信噪比电子散斑干涉的实时相移方法，其利用压电相移器产生多步相移，摄像机同步采集多幅相移散斑图像，通过特殊的图像采集序列设计和快速算法，计算散斑干涉条纹的位相图，这些相移条纹图中包含了当前时刻代表物体变形的位相信息，可以通过位相解调出来。该方法可以在100-150毫秒内完成从原始图像采集到相移图像的计算和显示。
例如，中国专利201510556415.1公开了一种用于提高激光干涉条纹实时相移帧率的快速处理方法。该方法利用压电相移器产生四步相移，摄像机同步采集多幅散斑干涉图像，通过对加载后的干涉图像进行特殊的分区处理，运用并行计算方法进行四步相移和均值滤波计算，进而求解出干涉条纹的位相图。然而，该方法由于采用步进控制压电相移器间隔π/2，其显示帧率在10帧每秒，且测量需要在隔振的环境下进行，否则会受到环境振动的干扰。
也就是说，现有的这些电子散斑干涉系统普遍采用步进阶跃式压电陶瓷相移计算方法，该方法极大限制了压电陶瓷的动态响应及相机的采图帧率，完成一次相位测量至少需要100ms。在此测量期间，环境振动、空气扰动都会引起所采集散斑图像的相位差偏差，从而导致相位计算结果不准确，相位图像质量较差，无法实现精密测量，更不用提高抗振性实时相位精确测量和实时相位显示了。
鉴于上述，本发明旨在提供一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统和方法，来解决上述的一个或多个技术问题。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的一个或多个技术问题，根据本发明一方面，提供一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统，该系统可显著降低空气扰动、环境振动的影响，并能实现相位图像的快速计算和实时显示，从而可在工程现场实时动态测量相位，进而可以实现高精度无损探伤等工作。该高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统包括：
迈克尔逊干涉仪，其包括相移镜和高速相机；
压电陶瓷，用于前后移动所述相移镜；
驱动器，用于驱动所述压电陶瓷；
控制器，分别与所述驱动器和高速相机连接，用于发出同步的第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述高速相机采图，所述第二信号为正弦电压信号且用于驱动所述压电陶瓷；其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；以及
处理器，用于将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像多线程并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位。
根据本发明又一方面，所述的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统还包括显示单元，用于实时显示被测物体的相位值，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期t。
根据本发明又一方面，所述4t小于t/4、t/8、t/10、t/20或t/30。
根据本发明又一方面，所述ia、ib、ic、id用于相位计算，且两两之间的相位差为π/2，表示如下：
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
根据本发明又一方面，所述四幅散斑图像包括高速相机采集的两组或多组所述四幅散斑图像，所述两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi]}，i为自然数；
第一组四幅散斑图像的[ia0，ib0，ic0，id0]用于计算出被测物体的初始随机相位
所述处理器用于对
根据本发明又一方面，还提供了一种实时离面位移测量系统，包括前述的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统，其中，所述处理器用于计算被测物体的离面位移
根据本发明又一方面，所述处理器用于计算离面位移导数
根据本发明又一方面，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量方法，其特征在于包括以下步骤：
控制器发出同步的第一信号和第二信号；
根据所述第一信号控制高速相机采图，根据所述第二信号驱动压电陶瓷以前后移动相移镜，第二信号为正弦电压信号，其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；
将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位。
根据本发明又一方面，实时显示被测物体的相位值，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期t；优选地，所述4t小于t/4、t/8、t/10、t/20或t/30。
根据本发明又一方面，所述ia、ib、ic、id用于相位计算，且两两之间的相位差为π/2，表示如下：
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
根据本发明又一方面，所述四幅散斑图像包括高速相机采集的两组或多组所述四幅散斑图像，所述两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi]}，i为自然数；
第一组四幅散斑图像的[ia0，ib0，ic0，id0]用于计算出被测物体的初始随机相位
根据本发明又一方面，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时离面位移和/或离面位移导数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
控制器发出同步的第一信号和第二信号；
根据所述第一信号控制高速相机采图，根据所述第二信号驱动压电陶瓷以前后移动相移镜，第二信号为正弦电压信号，其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；
将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位；
根据所述实时相位计算被测物体各个时刻因变形引起的相位差
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
首先，该系统可在工程现场进行高抗振性电子散斑干涉实时相位测量；
其次，相比于现有技术中的步进控制压电陶瓷(相移器)，可以大大缩短四幅相移图的采集时间，例如可以达到2.5ms，甚至更快，这小于一般的空气扰动和环境振动周期(10ms以上)，因此，该系统可显著降低空气扰动和环境振动敏感性；
第三，相机触发信号的频率是pzt相移驱动信号的数倍或十几倍以上，且pzt相移驱动信号为正弦信号(代替现有技术中的步进控制信号)，因此易于得到理想的压电性能曲线，可确保实时相位的精密测量；
第四，采用多线程并行计算的快速算法，实现快速实时相位计算和相位图像显示。
附图说明
为了能够理解本发明的上述特征的细节，可以参照实施例，得到对于简要概括于上的发明更详细的描述。附图涉及本发明的优选实施例，并描述如下：
图1为根据本发明一种优选实施例用于驱动压电陶瓷的控制信号(第二信号)以及采集多组所述四幅散斑图像的示意图；
图2为根据本发明一种优选实施例的多线程并行计算实时相移(对应于图1中多组所述四幅散斑图像)的示意图；
图3为根据本发明一种优选实施例的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统的结构示意图；
图4为根据本发明一种优选实施例的高速相机采图和压电陶瓷相移器间的同步控制示意图；
图5为根据本发明一种优选实施例的橡胶金属粘接结构内部缺陷在工程现场中由于热变形引起的离面位移导数相位差的实时显示(两者时间间隔10s，共计30s)示意图。
具体实施例
现在将对于各种实施例进行详细说明，这些实施例的一个或更多个实例分别绘示于图中。各个实例以解释的方式来提供，而非意味作为限制。例如，作为一个实施例的一部分而被绘示或描述的特征，能够被使用于或结合任一其他实施例，以产生再一实施例。本发明意在包含这类修改和变化。
在以下对于附图的描述中，相同的参考标记指示相同或类似的结构。一般来说，只会对于个别实施例的不同之处进行描述。除非另有明确指明，否则对于一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用到另一实施例中的对应部分或方面。
实施例1
参见图1-3，图1为根据本发明一种优选实施例用于驱动压电陶瓷的控制信号(第二信号)以及采集多组所述四幅散斑图像的示意图，图2为根据本发明一种优选实施例的多线程并行计算实时相移(对应于图1中多组所述四幅散斑图像)的示意图，图3为根据本发明一种优选实施例的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统的结构示意图。该高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统包括：
迈克尔逊干涉仪，其包括相移镜和高速相机；
压电陶瓷，用于前后移动所述相移镜；
驱动器，用于驱动所述压电陶瓷；
控制器，分别与所述驱动器和高速相机连接，用于发出同步的第一信号和第二信号，所述第一信号用于控制所述高速相机采图，所述第二信号为正弦电压信号且用于驱动所述压电陶瓷；其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；以及
处理器，用于将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像多线程并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位。
需要说明的是，迈克尔逊干涉仪为现有技术，其通常还包括激光器、分光镜和剪切镜。参见图3，激光器发射的激光入射到试件表面后，反射至分光镜，经分光镜分光后一路光透射至相移镜，然后依次经过相移镜、分光镜反射后入射至高速相机，另一路反射至剪切镜，然后经过剪切镜反射和分光镜透射后入射至高速相机。
可以理解的是，通过与第一信号同步的所述正弦电压信号控制压电陶瓷带动相移镜移动，可以实现高频动态响应，易于得到理想的压电性能曲线，解决了现有技术中的步进控制引起的无法高频动态响应的问题。
优选地，本发明的高速相机，例如为1.6khz的高速相机，但本发明并不限于此，只要能够实现采集四幅散斑干涉图像的时间小于空气扰动或环境振动的周期即可。例如，可为大于1.6khz的高速相机，例如2khz的高速相机等等。本发明的处理器可以为cpu，计算机等等具有数据处理功能的各种部件。
根据本发明又一优选实施方式，参见图5，作为一种示例，实时显示了橡胶金属粘接结构内部缺陷在工程现场中由于热变形引起的相位差(两者时间间隔10s，共计30s)。
根据本发明又一优选实施方式，所述的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统还包括显示单元，用于实时显示被测物体的相位值，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期t。可以理解的是，这可以减小或防止空气的扰动或环境的振动对测量的干扰。
根据本发明又一优选实施方式，所述4t小于t/4、t/8、t/10、t/20或t/30。通过研究表明，这可以进一步防止空气的扰动和/或环境的振动对测量的干扰，同时，可以相对地降低系统的成本。
根据本发明又一优选实施方式，所述ia、ib、ic、id用于相位计算，且两两之间的相位差为π/2，表示如下：
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
根据本发明又一优选实施方式，所述四幅散斑图像包括高速相机采集的两组或多组所述四幅散斑图像，所述两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi]}，i为自然数；
第一组四幅散斑图像的[ia0，ib0，ic0，id0]用于计算出被测物体的初始随机相位
所述处理器用于对
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种实时离面位移测量系统，包括前述的高抗振性电子散斑干涉实时相位测量系统，其中，所述处理器用于计算被测物体的离面位移
根据本发明又一优选实施方式，所述处理器用于计算离面位移导数
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量方法，其特征在于包括以下步骤：
控制器发出同步的第一信号和第二信号；
根据所述第一信号控制高速相机采图，根据所述第二信号驱动压电陶瓷以前后移动相移镜，第二信号为正弦电压信号，其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；
将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位。
根据本发明又一优选实施方式，实时显示被测物体的相位值，所述4t小于空气扰动或环境振动的周期t；优选地，所述4t小于t/4、t/8、t/10、t/20或t/30。
根据本发明又一优选实施方式，参见图1，所述ia、ib、ic、id用于相位计算，且两两之间的相位差为π/2，表示如下：
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
根据本发明又一优选实施方式，所述四幅散斑图像包括高速相机采集的两组或多组所述四幅散斑图像，所述两组或多组所述四幅散斑图像形成序列{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi]}，i为自然数；
第一组四幅散斑图像的[ia0，ib0，ic0，id0]用于计算出被测物体的初始随机相位
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时离面位移和/或离面位移导数测量方法，其特征在于包括以下步骤：
控制器发出同步的第一信号和第二信号；
根据所述第一信号控制高速相机采图，根据所述第二信号驱动压电陶瓷以前后移动相移镜，第二信号为正弦电压信号，其中，所述高速相机以周期t在所述正弦电压信号上升段的中间4t时间内等时间间隔采集a、b、c和d四个时刻的四幅散斑干涉图像，获得对应的光强分布ia、ib、ic、id，在所述4t时间内所述相移镜的位移为3λ/8，λ为干涉光的波长；
将所述ia、ib、ic、id进行n等分，等分的子图像保留部分重合区域，对n等分的子图像并行计算获得n个子相位图，拼接n个子相位图，获得表征被测物体离面位移或离面位移导数的实时相位；
根据所述实时相位计算被测物体各个时刻因变形引起的相位差
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量方法，包括步骤如下：
1)通过控制器(该控制器可包括信号发生器)同步发出两组连续电压信号，分别控制高速相机和压电陶瓷。
2)步骤1)中信号发生器其中一路信号为方波电压信号，用来触发高速相机采图，方波信号的周期为t，也即高速相机的序列采图周期为t。
3)步骤1)中信号发生器的另一路信号为周期例如16t(本发明并不限于此，只要能够实现步骤4)的采图要求即可)的正弦电压信号，该电压信号被压电陶瓷电压放大电路放大后，用来驱动迈克尔逊干涉光路中的压电陶瓷(pzt)相移镜移动，使得干涉光路中的一束光产生给定的光程差。
4)本发明采用四步时间相移法进行相位处理，参见图4，在步骤3)中正弦电压信号上升段的中间4t时间内，等间隔t采集四幅用于四步相移计算的散斑图像[ia，ib，ic，id]。
5)通过调制正弦电压信号的峰值，使得步骤4)中正弦电压信号上升段的中间4t时间内，压电陶瓷相移镜的位移为3λ/8，从而引起迈克尔逊干涉光路中其中一束光的光程差为3λ/4。研究表明，在正弦曲线上升段的中间部分电压随时间近似线性变化，步骤4)中采集的四幅散斑图像[ia，ib，ic，id]两两之间的相位差应该正好为π/2，表示为如下；
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
6)将步骤4)中采集的散斑图像[ia，ib，ic，id]沿宽度方向进行n等分(n取决于所选计算机处理器的核数)，依次分为：[ia，ib，ic，id]1、[ia，ib，ic，id]2……[ia，ib，ic，id]n，等分的图像需保留部分重合区域。
7)运用公式(2)对步骤6)中得到的n个分区内的四幅子图分别进行四步相移计算，n个图像子区的计算在计算机处理器的n个核上并行的完成，所得到的相位为
8)将步骤7)中计算出的n个分区的相位图
9)根据步骤4)连续实时采集并保存被测物体变形过程中的散斑图像{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi](i＝0，1，2…)}。
10)根据步骤6)至步骤8)的处理，在每个相移周期(16t)内可计算出对应物体变形的相位
11)根据步骤10)中计算的初始相位
12)不断重复步骤4)至步骤11)，步骤7)中各个分区的相位计算采用计算机多线程并行计算同步进行，即可实现快速实时相移计算和相位显示，相移计算和显示的周期均为16t。
可以理解的是，该方法利用信号发生器同步控制高速相机的序列采图和高频响应压电陶瓷相移发生器的驱动电压，再通过基于多线程并行计算快速算法的四步相移法进行相位处理，可在工程现场实现电子散斑干涉动态相位测量和实时无损探伤。以选用采图帧率为1.6khz的高速数字相机为例，完成四幅相移图的采集时间仅为2.5ms，该时间间隔内空气扰动、环境振动基本可以忽略。因为一般的空气扰动和环境振动频率通常在100hz内，对应周期为10ms，远大于本发明方法完成四幅相移图采集所需的时间。本方法相位测量的周期与pzt驱动信号的周期大体相同，当选用帧率为1.6khz的高速数字相机时，同时确保通过多线程并行计算将每个相移周期中四步相移的计算和显示时间控制在7.5ms以内，即可实现相位测量和显示周期为10ms，完成高抗振性电子散斑干涉实时相位测量和相位显示。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种高抗振性电子散斑干涉实时相位测量方法，以工程现场测量在热辐射加载下的、内部预制缺陷的橡胶金属粘接结构为例，包括如下步骤：
1)通过信号发生器同步发出两组连续电压信号，分别控制高速相机的序列采图和高频响应时间相移系统的驱动电压，压电陶瓷相移器通过驱动相移镜前后移动改变迈克尔逊干涉仪中一束光的光程，引入给定的相位差；
2)信号发生器其中一路信号为方波电压信号，用来触发高速相机采图，方波信号的上升沿用来触发相机采图。选用采图帧率为1.6khz的高速相机，则该方波信号的周期t为0.625ms，如图4所示；
3)信号发生器另一路信号为周期16t(也即10ms)的正弦电压信号(见图4)，该电压信号通过pzt驱动器放大电压后，提供给迈克尔逊干涉光路中的压电陶瓷(pzt)驱动相移镜移动；
4)采用四步时间相移法进行相位处理，在步骤3)中正弦电压信号上升段的中间4t(2.5ms)时间内，等时间间隔采集a、b、c和d四幅散斑干涉图像[ia，ib，ic，id]，见图4。
5)通过调制正弦电压的峰值，使得步骤4)中正弦电压信号上升段的中间4t(2.5ms)时间内，压电陶瓷推动相移镜的位移为3λ/8(选用绿色激光器，＝512nm)，也即迈克尔逊干涉光路中其中一束光的光程差为3λ/4，见图4。研究表明正弦曲线上升段的中间的电压随时间的变化近似线性，步骤4)采集的四幅散斑图像两两之间的相位差正好为π/2，表示如下；
其中，i0为散斑图背景光强，μ为调制光强的振幅，
6)为了实现实时相位处理和实时相位显示，提高相位计算速度，本实施例选用i7，8核处理器的计算机。将步骤5)中采集的每组散斑图像[ia，ib，ic，id]沿宽度方向进行8等分，依次分为：[ia，ib，ic，id]1、[ia，ib，ic，id]2……[ia，ib，ic，id]8，等分的图像需保留10个像素的重合区域。
7)运用以下公式对步骤6)中得到的8个分区内的四幅子图分别进行四步相移计算，得到各自的相位
8)将步骤7)中计算出的8个分区的相位图
9)根据步骤5)连续实时采集并保存被测物体变形过程中的散斑图像{[ia0，ib0，ic0，id0]；[ia1，ib1，ic1，id1]…[iai，ibi，ici，idi](i＝0，1，2…)}。
10)根据步骤6)至步骤8)的处理，可计算出对应物体变形的相位
11)根据步骤10)中计算的初始相位
12)不断重复步骤5)至步骤11)，步骤7)中各个分区的相位计算采用计算机多线程并行计算同步进行，即可实现快速实时相移计算和相位显示，相移计算和显示的周期均为10ms，也即实时相移计算和显示帧率可达80-100帧/秒，远高于现有电子散斑干涉系统相移帧率(不足10帧/秒)，因此可实现工程现场动态相位的实时精密测量和实时无损检测。图5给出了橡胶金属粘接结构由于热辐射加载引起的相位差的实时显示，两幅相位图时间间隔为10s，可以看出相位图稳定、图像质量较高，该方法可用于动态离面位移导数的实时测量及无损检测。
与现有技术相比，本发明具有以下一个或多个技术效果：
首先，该系统可在工程现场进行高抗振性电子散斑干涉实时相位测量；
其次，相比于现有技术中的步进控制压电陶瓷(相移器)，可以大大缩短四幅相移图的采集时间，例如可以达到2.5ms，甚至更快，这小于一般的空气扰动和环境振动周期(10ms以上)，因此，该系统可显著降低空气扰动和环境振动敏感性；
第三，相机触发信号的频率是pzt相移驱动信号的数倍或十几倍以上，且pzt相移驱动信号为正弦信号(代替现有技术中的步进控制信号)，因此易于得到理想的压电性能曲线，可确保实时相位的精密测量；
第四，采用多线程并行计算的快速算法，实现快速实时相位计算和相位图像显示。
虽然前述内容是关于本发明的实施例，但可在不背离本发明的基本范围的情况下，设计出本发明其他和更进一步的实施例，本发明的范围由权利要求书确定。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，这些实施例中不互相违背的技术特征可彼此结合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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