超高速散斑成像法瞬态三维微形变检测技术研究

Laser speckle technology has great application value in the field of micro deformation test, but only limited to detectic static or quasi-static target. When the technology was applied to the transient deformation situation will has many problems.The project is on the background of describing the early explosion deformation characteristic of energetic materials accurately, in order to understand the mechanism of initiation, evaluate the explosive power correctly, and analyze the failure mode of energetic materials. Then we developed the research of the theory and method, which is based on the measurement of transient deformation process of energetic materials based on Ultra high speed digital speckle imaging method. The main research contents are as following. The first is building the model, tracing the ray and optimizing the parameter of Ultra high speed dynamic speckle collection optics system using optical simulation technology. To realize Ultra high speed image acquisition by the technology of image enhancement, time division multiplexing, and precise synchronization. The next includes two sides. One is exploring the noise reduction strategy of fast speckle image by combining the traditional filtering and phase filter. The other is researching how to achieve algorithm quickly and accurately by the fast positioning method. The last is analyzing multi-source error causes, removing interference information and restructuring the transient deformation process. The project belongs to basic application research, the achievement of which could provide theoretical and technical support for analysis the mechanical properties and failure modeof energetic materials, and it would also lay the theoretical and experimental foundation for automatic test of Ultra high speed micro deformation.

激光散斑技术在微形变测试领域具有巨大的应用价值，但仅局限于静态或准静态的检测目标，而应用于瞬态形变场合则存在诸多问题。本项目以准确描述含能材料爆炸初期形变特征为背景，以认识起爆机理、正确评估装药威力，分析含能材料的破坏模式为目标，开展采用高速动态数字散斑成像法对含能材料瞬态形变过程测试理论与方法的研究。主要研究内容包括：（1）利用光学仿真技术对超高速动态散斑采集光学系统进行模型建立、光线追迹、参数优化。利用图像增强、分时复用、精确同步技术实现高速图像采集；（2）采用传统滤波和相位滤波相结合的方法探索高速散斑图像的去噪策略，采用快速定位方式研究快速精确的相位信息获取算法；（3）分析误差成因，去除干扰信息，重构瞬态形变过程。本项目属于基础应用研究，研究成果不仅可为含能材料力学性能及破坏模式的分析提供理论和技术支撑，同时可为高速微小形变的自动测试奠定理论基础。

含能材料在国防、工业生产中充当着十分重要的角色，合理描述其爆炸初期形变特征，对于认识起爆机理、正确评估装药的威力和安全性能，提高能量有效利用率，控制爆炸能量分布，进而深入研究含能材料的力学性能及破坏模式，建立含能材料的综合本构有着重要意义。电子散斑干涉技术（Electronic Speckle Pattern Interferometry，简称 ESPI） 是一种对光学粗糙表面进行非接触全场测量的技术。具有进行全场、非接触、高精度和高灵敏度等特点，广泛应用于位移、变形测量。本项目根据数字散斑干涉的光学基础理论，比较不同散斑图像获取方法，结合含能材料自身的特点构建光学系统，在分析含能材料形变范围、速度等技术指标的基础上，建立了散斑干涉光学系统的基本模型，进行了光路计算和优化。针对高速成像系统，设计了精确同步触发信号源，在变形瞬间可靠捕捉散斑图像。根据图像采集的周期和幅率，研究了图像数据的压缩、存储策略，保证测试可靠的获取。结合现有去噪方法，研究时域、频域的方法，提出了自适应全变分去噪，正余弦分解滤波等去噪方法，保留相位跳变信息的同时，有效的滤除噪声信号，相位图保留细节纹理误差达0.6%。根据材料的形变特点，提出了可靠度指引区域扩张的路径算法等解包裹技术，实现优化目标信号的快速搜索算法，同时保证测试精度，测试精度达0.1μm量级。采用单纵模固体激光光源（200mW, 532±1nm）、高速成像系统（1000FPS）、50mm定焦镜头、单模光纤等关键器件，构建了测试系统，开发了具备系统控制、图像采集存储、散斑图像处理、三维结果显示功能的专用控制分析软件，对模拟动态目标进行了试验验证，验证了系统的正确性和可行性。该方法在变形前后只需要一幅散斑干涉图像，配合高速、高灵敏度成像系统可应用于含能材料瞬态变形测量，也应用于汽车碰撞、材料振动特性分析、身管发射瞬间等工业和国防领域。