非散射表面微变形散斑干涉动态测量关键技术研究

In the fields of aerospace, automation, optics and biology, there are many key structures with non-scattering surface, and the dynamic micro-deformation measurement is of great significance for the determination of material properties and the verification of component performance. Among the measurement techniques, laser interferometry is superior to computer vision in accuracy. Digital speckle pattern interferometry (DSPI) has been widely used in whole-field, non-contact and high-precision measurement of rough surface deformation. Aiming at the problem that traditional DSPI system is not suitable for non-scattering surface measurement, this project proposes to irradiate the measured surface with random-phase laser by frosted glass scattering to produce speckle interference and realize the dynamic measurement combining with space carrier phase shift. It is proposed to use geometric ray tracing method to analyze the relationship between the phase difference and the surface deformation, and the theoretical model of the displacement sensitive factor is determined. The in-situ measurement of displacement sensitive factor based on the phase coding is explored to ensure the accuracy of deformation measurement. The project also researches the whole-field and synchronous calibration of the measurement error. Finally, a single camera is used to acquire a speckle interferogram before and after deformation, and dynamically measuring the micro-deformation of the non-scattering surface is achieved. The research results are of great significance for the development of digital speckle interferometry methods and will lay the theoretical foundation and technological foundation for the measurement of micro-deformation of non-scattering surface.

在航空航天、自动化、光学、生物等领域，存在具有非散射表面的关键结构，动态精密测量其微变形，对于测定材料特性、验证部件性能具有重要意义。在诸多测量技术中，激光干涉法精度优于计算机视觉方法，其中数字散斑干涉（DSPI）在粗糙表面变形的全场、非接触、高精度测量中取得广泛应用。针对传统DSPI系统不适合非散射表面测量的问题，本项目提出利用磨砂玻璃散射产生相位随机分布的激光照射被测表面，以产生散斑干涉，结合空间载波相移实现动态测量；拟采用几何光线追迹的方法对变形前后散斑干涉相位差与表面变形的关系进行分析，确定位移敏感因子的理论模型；探索基于相位编码的位移敏感因子原位测量方法，保证变形测量精度；并开展对测量误差的全场、同步标定研究。最终实现利用单个相机，在变形前后各采集一幅散斑干涉图，动态测量非散射表面的微变形。研究成果对于拓展数字散斑干涉测量方法具有重要意义，为非散射面微变形测量奠定理论和技术基础。

在航空航天、自动化、光学、生物等领域，许多平面或曲面元件的表面粗糙度远小于测量光的波长，入射到其上的光波绝大部分遵循反射定律的规律传播，而不会发生散射。精密测量这类非散射表面的微小变形，对于测定材料力学参数、验证部件工作性能具有重要意义。在诸多测量技术中，激光干涉法精度优于计算机视觉方法，其中数字散斑干涉技术具有非接触、无损、全场、高精度、实时测量的特点，在应变、位移和振动测量方面有着广泛的应用。传统散斑干涉技术中散斑来源于被测表面的粗糙特性，不适用于非散射表面。本项目实现了基于随机相位激光照明的非散射表面散斑干涉系统，探索了对非散射表面产生散斑的机制，建立了干涉相位与变形之间的理论模型。在此基础上，利用散斑干涉测量了非散射表面变形；利用剪切散斑干涉测量了非散射表面的应变，进而实现了非散射表面内部缺陷无损检测；实验结果表明该系统与传统粗糙表面的散斑干涉方法具有同等精度性能，满足非散射表面微变形的高精度测试需求。研究了基于孔径复用和基于微偏振片阵列的两种动态相移技术，实现从单幅干涉图计算相位，有利于变形的动态测量，提高变形测量的抗干扰性。针对动态相移技术连续测量获得的变形结果，研究了时空滤波算法，与传统滤波算法相比能够更有效的滤除散斑噪声，提高变形测量精度。研究了散斑干涉与剪切散斑干涉共光路测量技术，利用剪切散斑干涉测量的相位经过重构算法得到变形，并与散斑干涉同步测量的变形进行比对，结果表明重构算法达到较高的精度。研究成果对于拓展数字散斑干涉测量方法具有重要意义，为非散射面微变形测量奠定理论和技术基础，在面向超、精、尖、特装备和面向极端工况的设计与制造中具有重要价值。