CN110160624B - 一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置及测量方法，包括：光路模块，产生初始光并分成若干束偏振光至出射端；被测物体，连接光路模块出射端；高速CCD探测器，采集由出射端光信号产生的干涉信息；计算机，连接高速CCD探测器，处理采集的信息。方法包括S01：高速CCD探测器采集由光路模块出射产生的干涉图；S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体实时三维坐标值；S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况。本发明不仅实现了三维方向上的连续动态测量，而且测量精度高，外界因素对其干扰小。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域，尤其是涉及一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置及测量方法。
背景技术
目前在研究物体振动上主要有两种方法：其一是利用传感器来直接接受振动信号来展开对物体振动特性的研究，而另一种则是利用光学干涉的方法。但利用传感器来测量振动的方法虽然结构简单，成本低，但缺陷在于测量范围局限在一维方向上，并不能实现三维的测量，且传感器的使用时较容易受到外界的干扰，例如温度、抖动等，另一种光学干涉测量方法对于一些较难提取的信号能有较好的提取但是缺陷在于结构复杂，不能实现振动的连续测量。在三维测量上光纤点衍射测量装置是一较为成熟的技术，目前国内外已公开的点衍射干涉系统中，基本都是采用普通相机来采集干涉图，随后利用移相算法得到干涉场的包裹信息，并根据干涉场相位分布建立数学模型，最后采用智能优化算法求解三维坐标，但是点衍射测量装置中由于采用的是普通相机，它的帧率问题以及自身的特性使得现有的多步移相干涉测量系统不足以支持连续的动态测量。
公开号CN108801438A的发明申请公开了一种振动信号测量装置，所述梁的静电激励振动装置由交流信号源、静电驱动极板、底板、悬臂梁、侧板、声波、开关和导线组成；所述光电探测器信号探测装置由支撑圆环块、衍射光栅、衍射光、入射光、衍射级、衬底、光电探测器和导电薄膜组成；悬臂梁在交流信号激励作用下产生受迫振动；振动时会产生声波，声波薄膜振动，利用衍射光与反射光发生干涉效应，检测梁的振动。
现有技术存在测量精确度低，结构复杂，成本较高的问题，且无法实现连续的动态测量。
发明内容
为了解决现有技术存在的振动测量技术难以实现三维方向上的测量和点衍射干涉仪难以实现对被测物体连续的动态测量的问题，本发明提供一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置及测量方法，采用高帧率的CCD相机，在较短的时间间隔内得到更多的干涉图，不仅实现了三维方向上的连续动态测量，而且测量精度高，外界因素对其干扰小。
以下是本发明的技术方案。
一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，包括：光路模块，产生初始光并分成若干束偏振光至出射端；被测物体，连接光路模块出射端；高速CCD探测器，采集由出射端光信号产生的干涉信息；计算机，连接高速CCD探测器，处理采集的信息。高速CCD探测器可在极短的时间间隔内得到更多的干涉图，实现动态连续的测量效果，与点衍射干涉仪相结合满足连续动态三维测量，点衍射干涉仪连续产生于振动信息相对应的相位信息并被高速CCD探测器采集，两者配合实现振动量的测量，而高速CCD探测器也扩大了点衍射测量系统的测量范围。
作为优选，所述光路模块包括：激光器、偏振片、偏振分光棱镜、半波片、耦合器I、亚波长孔径单模光纤、四分之一波片、反射镜、耦合器II、亚波长孔径单模光纤II以及测量探头；测量探头与亚波长孔径单模光纤I和亚波长孔径单模光纤II的出射端口组成出射端，激光器发出的光经过偏折片射入偏振分光棱镜，分成透射光p和反射光s，透射光p经过半波片射入光纤耦合器II，在亚波长孔径单模光纤II出射端口产生点衍射球面波前W2，反射光s经过四分之一波片，射入反射镜，反射后，依次经过四分之一波片和偏振分光棱镜射入光纤耦合器I，在亚波长孔径单模光纤I出射端口产生点衍射球面波前W1，其中测量探头连接被测物体。
作为优选，所述亚波长孔径单模光纤I和亚波长孔径单模光纤II的出射端口为圆锥状，出射端口的直径为0.4μm～0.7μm，两端口并排固定在测量探头内，两端口之间的距离为700μm～800μm，且出射端口外表面镀了铬金属膜层，该膜厚在150nm～250nm。
作为优选，，所述高速CCD探测器分辨率为1280×1024，有效感光面积为17.92mm×14.34mm，帧率为5000帧/秒。
还包括一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，用于上述一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，包括以下步骤：S01：高速CCD探测器采集由光路模块出射产生的干涉图；S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体实时三维坐标值；S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况。
作为优选，所述步骤S01具体过程包括：激光器产生激光束经偏振片后获得线偏振光，再被偏振分光棱镜分成两束光，透射光p和反射光s，其中的透射光p经过半波片后耦合进入光纤耦合器II，随后在亚波长孔径单模光纤II出射端口测量探头处产生点衍射球面波前W2，而反射光s经过四分之一波片、反射镜射入光纤耦合器I后，在亚波长孔径单模光纤I出射端口测量探头处产生点衍射球面波前W1，两个点衍射球面波前W1、W2形成了点衍射球面波前干涉条纹；高速CCD探测器实时采集对应的干涉图。
作为优选，所述步骤S02中的傅里叶变换为二维傅里叶变换。
作为优选，所述步骤S03具体过程包括：在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速 CCD探测器平面上条纹精确的相位分布，获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头的空间三维坐标。
本发明的实质性效果包括：采用高帧率的CCD相机，在较短的时间间隔内得到更多的干涉图，不仅实现了三维方向上的连续动态测量，而且测量精度高，外界因素对其干扰小，采用高精度、结构简单、实时性好且能满足系统的连续动态测量的傅里叶算法进行振动测量，恢复被测物体的振动。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图中：1-激光器、2-偏折片、3-偏振分光棱镜、4-耦合器I、5-亚波长孔径单模光纤、6-半波、 7-耦合器II、8-亚波长孔径单模光纤II、9-四分之一波片、10-反射镜、11-计算机、12-高速 CCD探测器、13-测量探头、14-被测物体。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本技术方案作进一步阐述。
实施例：如图1所示为一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，它包括激光器1、偏振片2、偏振分光棱镜3、半波片6、耦合器I 4、亚波长孔径单模光纤5、四分之一波片9、反射镜10、耦合器II 7、亚波长孔径单模光纤II 8、高速CCD探测器12、测量探头13、计算机11。图1中虚线带箭头的表示光路，不带箭头的实线表示电路连接。激光器1为偏振激光器，激光器1产生的激光经过偏振片2后，被偏振分光棱镜3分成两束光，透射光p和反射光s，其中透射光p经过半波片6后耦合进入光纤耦合器II 7，随后在亚波长孔径单模光纤II 8 出射端口测量探头13处产生点衍射球面波前W2，反射镜10固定，反射光s经过四分之一波片9、反射镜10射入光纤耦合器I 4后，在亚波长孔径单模光纤I 5出射端口测量探头13处产生点衍射球面波前W1，其中亚波长孔径单模光纤II 8与亚波长孔径单模光纤I 5的出射端为圆锥状，出光口直径为0.4μm。两个点衍射球面波前W1、W2形成了点衍射球面波前干涉条纹实时显示在高速CCD探测器12平面上，再进行采集。采用的高速CCD探测器12采图帧率为5000帧/秒，分辨率为1280×1024，有效感光面积为17.92mm×14.34mm，像元大小为14μm×14μm。
其中亚波长孔径单模光纤I 5和亚波长孔径单模光纤II 8的出射端口为圆锥状，出射端口的直径为0.6μm。两端口并排固定在测量探头内，之间的距离为700μm～800μm，且本系统装置的两条光纤出射端外表面镀了铬金属膜层，该膜厚在150nm～250nm，随后测量探头13固定在被测物体14上。
还包括一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法：激光器产生激光束经偏振片后获得线偏振光，再被偏振分光棱镜分成两束光，透射光p和反射光s，其中的透射光p经过半波片后耦合进入光纤耦合器II，随后在亚波长孔径单模光纤II出射端口测量探头处产生点衍射球面波前W2，而反射光s经过四分之一波片、反射镜射入光纤耦合器I后，在亚波长孔径单模光纤I出射端口测量探头处产生点衍射球面波前W1，两个点衍射球面波前W1、W2形成了点衍射球面波前干涉条纹；高速CCD探测器实时采集对应的干涉图。
利用高速CCD探测器12采集到的干涉条纹图后用傅立叶算法对条纹图进行分析，采集一副条纹图，进行二维傅里叶变换得到条纹频谱图，之后在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速CCD探测器12平面上条纹精确的相位分布。获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头13的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头13的空间三维坐标，进而得到被测物体14的振动幅值的变化。随后将一个个较短的时间间隔位移信息联系在同一时间轴上即可得到被测物体14的连续振动情况和变化的幅值。
其中干涉条纹的强度分布可以表示为：
对干涉图进行傅立叶变换，得到：
其中*表示复共轭，
表示卷积。得到频谱图，随后利用二维滤波器对频谱图进行滤波，提取出正一级谱分量，即找到零级条纹处，置为0，并作
的平移变换可得到：
随后对上式进行傅立叶逆变换，即可恢复出被测物体相位信息
得到的相位图。在得到被测物体相位信息后Φ代表空间绝对相位分布，数学表达式为：
以高速CCD探测器12为阵列的中心像素点为坐标原点建立坐标系，由上式可知只要知道了高速CCD探测器12阵列上六个以上的像素点的绝对相位值，通过逆运算就可以计算出测量探头的坐标即被测物体的三维绝对位移。由于高速CCD探测器的帧率原因，可以在极短的时间间隔内采图，即得到极短时间间隔内的被测物体的三位绝对位移信息，将其联系在同一时间轴上即可重现被测物体的振动情况。
应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，包括：
光路模块，产生初始光并分成若干束偏振光至出射端；
被测物体（14），连接光路模块出射端；
高速CCD探测器（12），采集由出射端光信号产生的干涉信息；
计算机（11），连接高速CCD探测器（12），处理采集的信息；
所述光路模块包括：激光器（1）、偏振片（2）、偏振分光棱镜（3）、半波片（6）、耦合器Ⅰ（4）、亚波长孔径单模光纤（5）、四分之一波片（9）、反射镜（10）、耦合器Ⅱ（7）、亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）以及测量探头（13）；测量探头（13）与亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）和亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）的出射端口组成出射端，激光器（1）发出的光经过偏折片（2）射入偏振分光棱镜（3），分成透射光p和反射光s，透射光p经过半波片（6）射入光纤耦合器Ⅱ（7），在亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）出射端口产生点衍射球面波前W2，反射光s经过四分之一波片（9），射入反射镜（10），反射后，依次经过四分之一波片（9）和偏振分光棱镜（3）射入光纤耦合器Ⅰ（4），在亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）出射端口产生点衍射球面波前W1，其中测量探头（13）连接被测物体（14）；
本装置测量方式包括：
S01：所述高速CCD探测器（12）采集由光路模块出射产生的干涉图；
S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；
S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体（14）实时三维坐标值；
S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况；
所述步骤S03具体过程包括：在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速CCD探测器12平面上条纹精确的相位分布，获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头13的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头13的空间三维坐标。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，所述亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）和亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）的出射端口为圆锥状，出射端口的直径为0.4μm ~0.7μm，两端口并排固定在测量探头内，两端口之间的距离为700μm~800μm，且出射端口外表面镀了铬金属膜层，该膜厚在150nm~250nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，所述高速CCD探测器（12）分辨率为1280×1024，有效感光面积为17.92mm×14.34mm，帧率为5000帧/秒。
4.一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，用于权利要求1所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射装置，其特征在于，包括以下步骤：
S01：所述高速CCD探测器（12）采集由光路模块出射产生的干涉图；
S02：对干涉图进行傅里叶变换得到频谱图；
S03：将频谱图处理后得到被测物体的相位信息图及被测物体（14）实时三维坐标值；
S04：多次采样并处理计算，得到被测物体的振动情况。
5.根据权利要求4所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S01具体过程包括：激光器（1）产生激光束经偏振片（2）后获得线偏振光，再被偏振分光棱镜（3）分成两束光，透射光p和反射光s，其中的透射光p经过半波片（6）后耦合进入光纤耦合器Ⅱ（7），随后在亚波长孔径单模光纤Ⅱ（8）出射端口测量探头（13）处产生点衍射球面波前W2，而反射光s经过四分之一波片（9）、反射镜（10）射入光纤耦合器Ⅰ（4）后，在亚波长孔径单模光纤Ⅰ（5）出射端口测量探头（13）处产生点衍射球面波前W1，两个点衍射球面波前W1、W2形成了点衍射球面波前干涉条纹；高速CCD探测器（12）实时采集对应的干涉图。
6.根据权利要求4所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S02中的傅里叶变换为二维傅里叶变换。
7.根据权利要求4或5或6所述的一种用于三维振动测量的光纤点衍射测量方法，其特征在于，所述步骤S03具体过程包括：在频域对频谱图滤波，取出条纹基频进行反变换，再经过复数计算得到被测物体表面的相位包裹图，再进行去包裹计算，可以得到高速CCD探测器12平面上条纹精确的相位分布，获得高速CCD探测器平面上各点的相位信息，再由测量探头13的坐标与空间相位分布之间的关系，进行逆运算，就可以得到测量探头13的空间三维坐标。
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