一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法。现有的基于莫尔条纹方法的三维位移测量过程中需要移动探测器，无法实现瞬时测量，并且会引入探测器位置误差。本发明专利技术采用的装置包括圆光栅径向剪切干涉仪、半圆环形的空间滤波器和二维图像探测器。首先，利用半圆环形空间滤波器在径向剪切干涉仪的频谱面上对1级频谱的一半进行滤波，二维图像探测器位于径向剪切干涉仪的成像面上，可以同时获得+1和‑1衍射级次的莫尔条纹图像。然后，对莫尔条纹图像进行坐标变换、去噪、二值化、细化处理，获得亮条纹骨架图。最后，利用亮条纹的位置关系，反演出三维位移分量。该方法具有瞬时测量、精度高、适应性强等优点，较好地解决了三维位移的实时测量问题。

A three-dimensional displacement measurement method based on circular grating radial shearing interferometer

【技术实现步骤摘要】
一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法
本专利技术涉及光学检测
，特别是涉及一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法。
技术介绍
两个周期性的光栅重叠可以产生清晰的莫尔条纹，这种莫尔现象在光学检测领域，特别在位移测量领域有着广泛的应用。莫尔条纹法具有测量范围大、测量精度高、抗干扰能力强、信息处理简单等优点，能够实现平面位移和偏转角的非接触光学式测量。利用直线光栅的莫尔条纹可以测量二维平面内的偏转角和一维位移。在此基础上，利用同心圆光栅的莫尔条纹测量二维平面位移也得到了广泛的研究和应用。但是，它们仅适用于二维平面位移的测量，不能实现三维位移的测量。有研究结果表明，莫尔条纹的形状结构不仅取决于平面内的二维位移量，也与两个光栅之间的距离有关。主要表现在，当两个圆光栅平面之间有一定距离时，改变观察方法，莫尔条纹的结构会发生变化。因此，在测量时移动探测器，使其在不同角度(垂直方向和离轴方向)上记录莫尔条纹，利用多个方向的莫尔条纹可以实现三维位移参数的反演。然而该方法在测量过程中需要移动探测器，无法实现瞬时测量，并且会引入探测器位置误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，解决现有技术存在的无法利用莫尔条纹技术对三维位移进行瞬时测量，并且会引入探测器位置误差的问题。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特殊之处在于：首先利用圆光栅径向剪切干涉仪，并结合空间滤波方法，同时获得+1和-1衍射级次的莫尔条纹；然后对莫尔条纹进行图像处理，获得极坐标系中的亮条纹骨架图；最后根据莫尔条纹结构和三维位移量的精确关系，定量反演出三维位移分量。上述的基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特殊之处在于：采用的装置包括圆光栅径向剪切干涉仪、半圆环形空间滤波器和二维图像探测器；圆光栅径向剪切干涉仪包括激光光源(1)、平行光学系统(2，3)、两个光栅周期不同的同心圆光栅(4,5)和4f滤波成像系统(7,9)，两个同心圆光栅通过连接结构(6)与被测运动目标相连；半圆环形的空间滤波器(8)放置于径向剪切干涉仪的频谱面上，对1级频谱的一半进行滤波；二维图像探测器(10)位于径向剪切干涉仪的成像面上，采集滤波成像后的图像。上述的基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特殊之处在于：所述对莫尔条纹进行图像处理步骤的具体步骤如下：S1：确定莫尔条纹的中心位置，以该中心位置为原点，将直角坐标系(x,y)中的条纹图像转换到极坐标系中；S2：利用高斯滤波方法，去除图像中的噪声；S3：根据图像中像素的亮度水平，设置合理的强度阈值，将条纹图像转变为亮度为0和255的二值图像；S4：利用条纹细化算法处理该二值图像，得到亮条纹的骨架图。上述的基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特征在于：本方法中的三维位移量(εx,εy,εz)的反演算法以+1和-1衍射级次的莫尔条纹结构和三维位移量的关系为基础：其中C为一个表示背景亮度的常数，θ＝arctan(εy/εx)，对于+1级莫尔条纹，符号为“-”，对于-1级莫尔条纹，符号为“+”；所述三维位移量反演过程具体包含以下步骤：S1：对于亮条纹骨架图中的一级条纹，分别提取出+1和-1级亮条纹骨架上的一组特征点所在的位置和S2：利用P+1或P-1中的三个特征点，得到一个二元一次方程组：求解该线性方程组，可以得到二维平面内的位移分量εx和εy，利用多个特征点组合进行求解，计算结果的平均值为εx和εy的反演结果；S3：利用以上步骤计算出的εx和εy，并同时利用+1和-1级亮条纹骨架中的两个特征点，计算出轴向位移分量其中为+1级条纹中的特征点，为-1级条纹中的特征点。本专利技术的有益效果如下：1.提供了一种结合圆光栅径向剪切干涉仪和空间滤波的三维位移测量方法，利用不同衍射级次莫尔条纹的结构和三维位移分量之间的定量关系，能够精确测量出三维位移量。2.测量系统结构和原理简单，利用莫尔图像技术可以实现三维位移的实时测量，并且精度高，适用性广。附图说明图1是本专利技术测量系统示意图。图2是二维平面位移示意图。图3是半圆环形空间滤波器结构示意图。图4是具体实施例中的图像处理过程。其中4(a)为仿真模拟出的该系统得到的莫尔条纹图像；4(b)为直角坐标系转换到极坐标系的莫尔条纹图像；4(c)为滤波和二值化后的条纹图；4(d)为骨架提取后的条纹图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参见图1，本实施例提供了一种基于圆光栅径向剪切干涉仪和空间滤波技术的三维位移测量系统，所述圆光栅径向剪切干涉仪包括激光光源(1)、平行光学系统(2，3)、两个周期略微不同的同心圆光栅(4,5)和4f成像系统(7,9)，两个同心圆光栅通过连接结构(6)与被测运动目标相连。半圆环形的空间滤波器(8)放置于径向剪切干涉仪的频谱面上，对1级频谱的上半部分进行滤波成像。二维图像探测器(10)位于径向剪切干涉仪的成像面上，采集滤波成像后的图像。本专利技术的工作原理是：平行光学系统将入射激光扩束并准直为平行探测光，照射到测量光栅上。圆光栅的占空比为1，两个同心圆光栅(4,5)通过连接结构(6)与被测运动目标相连。两个光栅圆心之间的三维位移量为(εx,εy,εz)，其中二维平面位移量参见图2，轴向位移量参见图1。半圆环形的空间滤波器(8)的结构参见图3，其半径和宽度与圆光栅的1级频谱相同，并且其通光圆环的位置为滤波器放置于径向剪切干涉仪的频谱面上，对1级频谱的上半部分进行滤波。二维图像探测器(10)位于径向剪切干涉仪的成像面上，采集滤波成像后的图像。平行探测光经过两个周期略微不同的圆光栅后，在滤波器前表面的频谱为一组等间隔的同心圆。利用半圆环形空间滤波器对1级频谱的上半部分进行成像，则成像面上的莫尔条纹图像分为上、下两半视场。上半视场为+1级衍射光的莫尔条纹图像；而下半视场为-1级衍射光的莫尔条纹图像。基于标量衍射理论推导出的莫尔条纹的强度分布为：其中C为一个表示背景亮度的常数，θ＝arctan(εy/εx)。为+1级莫尔条纹，符号为“-”，为-1级莫尔条纹，符号为“+”。可以看出，莫尔条纹除了与二维位移量(εx,εy)有关外，还与轴向位移εz有关。εz会在上、下两半视场的莫尔条纹之间引入一个固定的相移，利用该特性就可以把三维位移测量出来。基于上述的原理，本专利技术提供的方法是：首先利用圆光栅径向剪切干涉，并结合空间滤波方法，同时获得+1和-1衍射级次的莫尔条纹；然后对莫尔条纹进行图像处理，获得极坐标系中的亮条纹骨架图；最后根据莫尔条纹结构和三维位移量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特征在于：首先利用圆光栅径向剪切干涉仪，并结合空间滤波方法，同时获得+1和-1衍射级次的莫尔条纹；然后对莫尔条纹进行图像处理，获得极坐标系中的亮条纹骨架图；最后根据莫尔条纹结构和三维位移量的精确关系，定量反演出三维位移分量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特征在于：首先利用圆光栅径向剪切干涉仪，并结合空间滤波方法，同时获得+1和-1衍射级次的莫尔条纹；然后对莫尔条纹进行图像处理，获得极坐标系中的亮条纹骨架图；最后根据莫尔条纹结构和三维位移量的精确关系，定量反演出三维位移分量。


2.根据权利要求1中所述的基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特征在于：采用的装置包括圆光栅径向剪切干涉仪、半圆环形空间滤波器和二维图像探测器；圆光栅径向剪切干涉仪包括激光光源(1)、平行光学系统(2，3)、两个光栅周期不同的同心圆光栅(4,5)和4f滤波成像系统(7,9)，两个同心圆光栅通过连接结构(6)与被测运动目标相连；半圆环形的空间滤波器(8)放置于径向剪切干涉仪的频谱面上，对1级频谱的一半进行滤波；二维图像探测器(10)位于径向剪切干涉仪的成像面上，采集滤波成像后的图像。


3.根据权利要求1或2中所述的基于圆光栅径向剪切干涉仪的三维位移测量方法，其特征在于：
所述对莫尔条纹进行图像处理步骤的具体步骤如下：
S1：确定莫尔条纹的中心位置，以该中心位置为原点，将直角坐标系(x,y)中的条纹图像转换到极坐标系中；
S2：利用高斯滤波方法，去除图像中的噪声；

【专利技术属性】
技术研发人员：王佳，吴慎将，苏俊宏，李党娟，张维光，程军霞，王佳超，刘荣明，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61