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数字散斑干涉三维变形测量系统及其应用研究

顾国庆  
【摘要】:三维变形测量在航空航天、机械工程、土木工程和材料科学等领域具有非常广泛的应用。数字散斑干涉法(Digital Speckle Pattern Interferometry, DSPI)作为一种新兴的现代光学测量技术,具有全场、非接触、精度高和速度快等优点,已广泛应用于物体的变形分析、形貌测量和缺陷检测。二维数字散斑干涉技术已经发展得相当成熟,尤其是高精度相位提取技术的引入使得该方法的测量结果能够实现自动实时输出。但是数字散斑干涉法用于三维变形测量至今尚未完善,仍有许多问题有待解决,如三个位移分场之间还不能实现独立和同步测量等。因此,采用数字散斑干涉法开展三维变形的独立、同步和实时测量方法与装置研究具有非常重要的学术意义和广泛的应用价值。 本文综述了数字散斑干涉法用于三维变形测量的研究现状,分析了限制这些三维变形测量方法得到进一步发展的因素,在此基础上对数字散斑干涉实现三维变形独立、同步和实时测量进行了深入的研究,并对复合材料的内部缺陷进行了无损检测研究。另外,本文还对数字图像相关中散斑图光照不均匀校正和数字散斑干涉中图像滤波降噪开展研究。本文的主要研究工作和成果如下: 1.针对散斑图光照不均匀变化会影响数字图像相关计算精度,提出了一种基于形态学Top-Hat变换的散斑图光照不均匀校正方法,并利用数值模拟实验验证了该校正方法的可行性。 2.针对数字散斑干涉中条纹图或包裹相位图所含随机噪声会影响相位提取精度,在已有滤波算法的基础上采用同态滤波方法,Goldstein滤波方法和快速离散曲波变换(Fast DiscreteCurvelet Transform, FDCT)滤波方法对数字散斑干涉条纹图进行降噪处理,同时采用窗口傅里叶变换(Windowed Fourier Transform, WFT)滤波方法对包裹相位图进行降噪处理。 3.根据二维数字散斑干涉的基本原理,提出了既可以实现三维变形独立、同步和实时测量,又可以实现离面变形及其一阶导数独立、同步和实时测量的三维数字散斑干涉测量技术。 4.研制了测量三维变形的三维数字散斑干涉测量系统,并对系统进行了总体设计和合理布局,同时开发了用于三维变形测量的配套图像采集软件,并介绍了软件的主要功能。在图像采集软件中,采用多线程技术实现了多个图像采集窗口同步监控,并采用帧差技术实现了采集图像的实时相减。 5.利用所研制的三维数字散斑干涉测量系统对三维变形测量进行了实验研究。首先对三点弯曲简支梁的二维和三维变形分别进行了测量;其次对固支薄板的离面变形及其一阶导数分布进行了测量;再次分别采用相位差法(Phase of Difference Method, PDM)和差相位法(Differenceof Phase Method, DPM)对固支层合板的离面变形进行了测量;然后对低速冲击层合板内部损伤和含预制缺陷层合板进行了无损检测研究;最后对刚体面内转动中心定位进行了数字图像相关研究。实验结果表明本文提出的三维数字散斑干涉测量方法可以实现三维变形场以及离面变形及其一阶导数分布的独立、同步和实时测量。


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