一种MEMS微结构平面位移测量方法技术

本发明专利技术请求保护混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，涉及图像相位相关技术和MEMS动态测量领域。本发明专利技术通过改进传统相位相关法，提出了一种混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，克服了传统方法计算量大，测量分辨率不足的缺陷，实现MEMS微机构平面运动位移的快速高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术请求保护混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，涉及图像相位相关技术和MEMS动态测量领域。本专利技术通过改进传统相位相关法，提出了一种混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，克服了传统方法计算量大，测量分辨率不足的缺陷，实现MEMS微机构平面运动位移的快速高精度测量。【专利说明】一种MEMS微结构平面位移测量方法
本专利技术属于MEMS动态测量
。具体涉及到分形插值、奇异值分解的MEMS平面位移测量方法。
技术介绍
微机电系统(MEMS:Micro-eIectro-Mechanical Systems)是在微电子工艺的基础上发展的多学科交叉的前沿研究领域，涉及微机械学、微电子学、自动控制、物理、化学、生物以及材料学等多种工程技术和科学。MEMS的技术发展开辟了一个全新的
和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等有体积小、质量轻、功耗低、可靠性强、易于智能化、数字化等优点，所以在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景，这也使MEMS成为一项关系到国家科技发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。美、日、欧、韩、新加坡等国也都认识到发展MEMS对国际竞争的重要意义，把MEMS与电子信息、航空航天等并列作为战略高科技来对待。在MEMS的测试研究中，MEMS动态特性测试是一项重要内容。对微谐振器、微陀螺仪、微传感器、微执行器、微电子器件、微加速度计和光开关等具有可动部件的MEMS器件而言，其动态特性决定了 MEMS器件的基本性能。通过测试，可确定MEMS器件三维运动情况、材料属性以及机械力学参数，可建立或验证其理论模型和失效机理，指导其结构优化设计，降低批量生产成本，推进MEMS产业化进程。因此MEMS动态测试理论和方法的研究对微机电系统MEMS设计、制造和可靠性具有非常重要的意义。在MEMS图像分析理论与方法的研究中，为了提高测试精度和速度，对测量图像进行降维降噪等成为研究中的重点。常用的位移检测方法有:块匹配法、像素递归法和相位相关法等。这些方法各有优缺点:块匹配法需要假设分块之间发生的平面位移是独立的；像素递归法，优点是运算量小，使得容易到达系统对时间的处理要求，缺点是处理后的结果对噪声的鲁棒性不好，并且检测范围不大；相位相关法理论基础是傅里叶功率谱，利用互功率谱中的相位信息来进行图像运动测量，灰度值的变化对测量结果影响不大，具有抗干扰能力，精度高，但运算量大，所以研究人员一直在研究基于该方法的优化算法，所以本专利技术结合相位相关理论、奇异值分解技术和分形插值技术，提出了一种混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，然后将其运用在MEMS微结构面内位移测量中，快速的获得具有良好测量精度的MEMS微结构面内位移测量方法。因此本专利技术具有现实的理论意义和应用价值。在国内外，MEMS动态测试技术已得到了许多研究机构的高度重视，美国UCBerkeley大学BSAC研究中的Christian Rembe等研制的MEMS动态测试仪，集成了频闪微视觉和干涉技术，采用最小二乘法和相移算法等，可测试MEMS器件的三维实时运动和动态结构变形，实现高精度的面内测量。美国MIT微系统实验室Freeman教授领导的研究小组研制的基于计算视觉的MEMS动态测试系统。天津大学在MEMS动态特性测试的研究中取得了较大发展。华中科技大学谢勇君等采用集成频闪成像、计算机微视觉和显微干涉技术，研制了 MEMS三维静动态测试系统，系统可进行MEMS面内刚体运动、表面形貌、垂向变形等测量，并达到纳米级精度。以上研究在图像相关性方面多用的是基于灰度和特征的匹配法，这些方法对图像的灰度变化或者旋转等方面极其敏感，因此会存在较大的测量误差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，互功率谱秩为一的估计和相位分量的分形插值。本专利技术针对传统的相位相关法存在计算量大，测量分辨率满足不了 MEMS微结构平面运动的测量要求等缺陷提出的。利用奇异值分解改进相位相关法计算量大的不足，获得秩为一的相位相关估计矩阵，这样线性相位的系数能通过这两个奇异向量独立的被确定。由于噪声的存在影响位移测量的精度，然后，利用分形插值对线性相位的系数进行插值，提高精度，降低噪声对下一步线性拟合的影响，再利用最小二乘展开奇异向量的相位分量进行线性估计，这样就可以获得两个方向的相位斜率，即可得到位移值。在MEMS微结构平面位移测量中，由于是动态位移的测量，首先需要获得前后图像的位置，需要用到图像相关技术。为了降低计算量，本专利技术运用奇异值分解，将相位相关矩阵分解成两个奇异矩阵，进行降噪，降维。经过SVD得到的水平和垂直两个方向的奇异向量，估计秩为I的相位相关矩阵，这样线性相位的系数就能通过这两个奇异向量独立的被确定。本专利技术具体技术方案为:混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，包括步骤:获取MEMS微结构运动图像中零相位时刻的MEMS微结构图A和某一相位时的MEMS图像B ;计算图像A和B发生位移变化图像的归一化互功率谱，获得相位相关矩阵；对相位相关矩阵进行奇异值分解，获得水平和垂直方向的奇异向量，并进行秩为一的矩阵估计；利用掩模方法优化估计的矩阵，利用分形插值对矩阵线性相位的系数进行插值；利用最小二乘法对奇异向量的线性相位系数进行拟合，得到拟合直线的斜率；由拟合直线的斜率计算位移大小。图像A和B之间存在平移关系，满足关系式=卜i(A? + ft)}，其中，(a，b)为图像A和B之间相对位移的横坐标和纵坐标，其中^ (W)和^ (W)分别表示图像A和B在变换域的分布。接着，计算归一化互功率谱，获得相位相关矩阵具体包括:根据公式:【权利要求】1.混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，其特征在于，包括步骤:获取MEMS微结构运动图像中零相位时刻的图像A和任一相位时的图像B ;计算图像A和图像B发生位移变化时图像的归一化互功率谱，获得相位相关矩阵Q ;对相位相关矩阵进行奇异值分解，获得水平和垂直方向的奇异向量，并进行秩为一的矩阵估计；屏蔽相位相关矩阵中幅值小于阈值的数据，屏蔽距离中心直流分量半径为O以外区域的相位相关矩阵中的数据；利用分形插值对屏蔽数据后的相位相关矩阵的系数进行插值；获得奇异向量，利用最小二乘法对奇异向量的线性相位系数进行拟合，得到拟合直线的斜率；根据拟合直线的斜率确定图像A和图像B之间的位移。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，图像A和图像B之间满足关系式: 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算归一化互功率谱，获得相位相关矩阵具体包括:根据公式: 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对相位相关矩阵进行奇异值分解具体为，根据公式WT=unwrap{ Z v }建立关于奇异向量v的方程式，根据最小二乘法拟合计算最佳值为 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分形插值具体为:根据 xmi=(xi+xi+1)/2+s.w.rand O 公式:ymi=(yi+yi+1)/2+s.w.ra本文档来自技高网...

【技术保护点】
混合分形插值和奇异值分解的MEMS微结构平面位移测量方法，其特征在于，包括步骤：获取MEMS微结构运动图像中零相位时刻的图像A和任一相位时的图像B；计算图像A和图像B发生位移变化时图像的归一化互功率谱，获得相位相关矩阵Q；对相位相关矩阵进行奇异值分解，获得水平和垂直方向的奇异向量，并进行秩为一的矩阵估计；屏蔽相位相关矩阵中幅值小于阈值的数据，屏蔽距离中心直流分量半径为O以外区域的相位相关矩阵中的数据；利用分形插值对屏蔽数据后的相位相关矩阵的系数进行插值；获得奇异向量，利用最小二乘法对奇异向量的线性相位系数进行拟合，得到拟合直线的斜率；根据拟合直线的斜率确定图像A和图像B之间的位移。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗元，张毅，计超，胡章芳，郝宏刚，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85