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光测条纹统计处理与卷积形貌检测方法和光弹性的应用研究

杨福俊  
【摘要】: 光测力学是综合物理光学中晶体光学、现代光学、激光技术和数学中统计学及计算机图像处理技术等多学科交叉结合的技术学科。光测力学的实验数据利信息,都是用光学干涉条纹图来表示的,因此本文行先侧重于用数字图像处理技术,对光学干涉条纹进行自动处理的方法与技术的应用研究,这对于从光学量进一步获得正确的力学量数据的作用是十分重要的。其中光测条纹图的噪声处理及条纹图的条纹相位恢复技术的研究,有利于实现对条纹图的全场自动化分析,具有重要的学术和工程实际意义。本文采用概率论与统计学中的观点,把信号和噪声都视为随机信号,抓住它们的统计特征,导出—套最佳的估算方法,实现了从含有噪声的数据中估计出条纹图的相位。结果表明,用本文的方法,能够有效滤除掉条纹图中的高斯型、均匀分布的随机型噪声,从而由单幅条纹图获得对应于该条纹图的全场相位分布,文中给出了模拟和实验的处理结果。 其次,结合要处理的具体问题,介绍数值优化及几种常用的无约束最优化计算方法,以最优梯度法为基础,讨论其算法的优缺点,通过引进阻尼系数,改进了算法的收敛速度,从而提高迭代精度。 第三,物体表面的三维形貌的光学自动检测,在智能检测、质量自动控制、医学诊断和工程实际等方面都具有重要意义。本文采用投影光棚相位法和数字卷积滤波技术:根据栅线的条纹灰度值分布具有极大极小分布的特性,提出卷积滤波形貌光学自动检测的图像处理方法,有效地实现了频谱自动移位,从而进一步提高了图像处理的速度和形貌测量技术的自动化程度;同时对采用两光学主轴相交,且非远心投影系统所产生的误差进行了分析,并提出了修正方法。 最后,针对外载与自重共同作用下,传统光弹性分析法中采用离心力场模拟重力场获得自重应力的试验投资耗费大、技术复杂且难度大和不安全等严重缺点,按照结构相似的模型理论,本文提出模型外载与自重并存变动外载的光弹性分析法,导出处理这个问题具体的相似律和试验原理及方法,进行了典型实验验证,指出仅用外载作用的模型试验,即不用离心力场模拟重力场的模拟试验,就可以获得上述两种载荷共同作用下的应力分析结果。由本方法通过对大型桥梁工程结构的三维光弹性应力分析,其结果是合理的,与有限元计算进行比较,二者符合良好。


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