剪切干涉原理在振动测量及降噪中的应用研究

【摘要】：剪切干涉计量(Shearing Interferomtry)是光学测量中的一种重要方法,它利用被测波面与其自身经某种变换后的波面进行干涉并完成计量,已经在光学系统和光学器件的检测、液体和气体流动的研究、实验力学中的应力、应变和振动分析等很多领域获得广泛的应用。 振动测量在桥梁、建筑、机械等领域有着广泛的应用。用时间平均数字全息可以进行振动的测量,主要有两类方法：基于再现像的光强测振和再现光场的相位测振。传统的时间平均全息术利用再现像光强分布的测量来实现振幅分布的检测,但仅依靠光强分布来确定振幅分布,受散斑等噪声的影响,往往得不到满意的结果。因此,有必要研究既能够减少机器运行时间,又能得到较好结果的测振方法。理论分析表明,时间平均全息再现光场被第一类零阶贝塞尔函数调制,将时间平均全息再现光场与物体不振动时的再现光场相除后得到只有贝塞尔函数项携带着相位信息,因第一类零阶贝塞尔函数的相位只有0和π两个取值,通过再现光场的相位确定振幅分布,比传统方法更佳,但所用机器时间较长。研究通过将剪切原理引入到时间平均数字全息测振中,而剪切干涉从原理上是利用被测波面与其自身经某种变换后的波面进行干涉即可,直接利用剪切干涉图查找相位跳跃区域,干涉暗条纹应该对应仅出现在相位跳跃位置,并据此快速检测振幅分布。这个方法可以很好的避免噪声等的影响,得到的干涉条纹对比度高而细,且不需要做相位解包裹运算,所以所占用的机器时间可以大大缩短,是一种比传统方法更好的测振方法。模拟计算和实验证明该方法所用机器时间比利用再现光场的相位测振短,效果比用再现像光强测振好。 用光学干涉计量方法获得光场相位,通常都需要做去噪运算。在光场相位空间变化频率不高的情况下,目前的各种算法都能取得不错的效果。如果光场相位空间变化剧烈,传统去噪算法常引起细节丢失、条纹断裂。针对这个问题,通过引入光场的横向剪切,显著降低光场相位的空间变化频率,从而将噪声从光场中分离出来,给出了一种新的去噪算法和相应的理论分析。通过模拟计算和实验验证,证明该算法是可行和有效的,在光场相位空间变化频率较高的情况下,能得到比传统去噪算法更好的结