基本信息
- 项目名称：
- 减模式下数字散斑干涉光强不均匀性的校正方法
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 数字散斑干涉技术由于具有灵敏度高、全场非接触、适合现场测量并能够通过计算机对其进行后期处理的优点，目前在光学无损检测技术中占有非常重要的地位。然而，减模式下的条纹图除了含有比较强的散斑噪音之外，还会因照射激光光束质量，以及被检测物体表面的反射率差异而使其受到不均匀光强调制，以致影响到条纹图质量。本作品在分析剪切型散斑干涉原理的基础上，指出了光强不均匀性对于减模式下条纹图的影响。基于散斑相位的主值在(-π,π]均匀分布的假设，提出了一种实用的减模式下光强不均匀性的自适应窗口校正方法。这种方法能够在减模式计算式中消去光强调制项，使条纹图受反射光强度分布的影响被有效减小，具有良好的效果。该方法可以扩大散斑干涉技术的应用范围，使其能够检测一些表面反射不均匀的试件或者两种反射率不同材料的结合部位，可推广应用于大表面积的无损检测技术。根据取得的研究成果，我们撰写了两篇论文，其中一篇已发表于《光学学报》，另一篇已投稿于美国的《应用光学》（Applied Optics），目前处于审稿阶段。
- 详细介绍：
- 目前，在对减模式下数字散斑干涉条纹图进行处理时，都是在假设散斑场亮度均匀分布的基础上进行的，这些处理方法在散斑场亮度差异不大的情况下可以得到很好的结果。但是当检测表面引起强烈的强度调制时，会使相减后形成的条纹图在某些位置不明显，甚至丢失条纹，因此在检测中有可能丢失某些缺陷信息，一定程度上影响散斑干涉检测的可靠性。为了消除光强不均匀性对减模式下数字散斑干涉图的影响，本作品基于散斑相位的主值在(-π,π]均匀分布的假设，提出了一种实用的减模式下光强不均匀性的自适应窗口校正方法。该方法包含光强估计、窗口应选的自适择和光强不均匀的校正三步。首先用一个偏大的窗口对光强调制项A1A2进行预估计，然后根据预估计的光强对每一个像素点自适应的选择其校正窗口，最后在选择的自适应窗口里对光强进行校正。这种方法能够在减模式计算式中消去光强调制项，使条纹图受反射光强度分布的影响被有效减小。实验证明该方法可以有效地对光强进行校正，提高了散斑干涉法在无损检测应用中的可靠性。采用本作品的校正方法可以扩大散斑干涉技术的应用范围，使其能够检测一些表面反射不均匀的试件或者两种反射率不同材料的结合部位，可推广应用于大表面积的无损检测技术。该作品是教育部“大学生创新性实验计划”资助项目研究成果，根据取得的研究成果，我们撰写了两篇论文，其中一篇已发表于《光学学报》，另一篇已投稿于美国的《应用光学》（Applied Optics），目前处于审稿阶段。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 撰写目的：为了消除光强不均匀性对减模式下的数字散斑干涉条纹图的影响，以获得高质量的表征物体形变信息的散斑干涉条纹图，从而提高散斑干涉法在无损检测应用的可靠性，进而扩大散斑干涉技术的应用范围。 基本思路：根据散斑相位的统计特征，通过设计一种算法，使减模式下的数字散斑干涉条纹图在该算法的作用下，不会受到光强调制项的影响，而相应的相位信息又得以完全保留。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性和先进性：本作品基于散斑相位的统计特征，假设散斑相位的主值在(-π，π]均匀分布，提出的光强不均匀性的自适应窗口校正方法能够很好地消除光强不均匀性对于减模式下散斑条纹图的影响，具有很好的创新性。 独特之处：我们在实验研究中发现光强不均匀性对散斑条纹图的影响不容忽视，因而对光强进行校正显得很有必要。本作品中对光强不均匀性的校正方法在数字散斑干涉检测领域具有很好的导向性。
应用价值和现实意义
- 1.采用本作品的校正方法可以提高减模式下散斑干涉无损检测技术的可靠性, 扩大散斑干涉技术的应用范围，使其能够检测一些表面反射不均匀的试件或者两种反射率不同材料的结合部位,可推广应用于大表面积的无损检测技术。 2.本作品指出的光强不均匀性对于减模式下数字散斑干涉条纹图的影响及其抑制方法，将对数字散斑条纹图的后期处理产生一定的指导作用，有利于数字散斑干涉技术的发展。
学术论文摘要
- 在数字散斑干涉测量中，由于各种原因可能导致CCD接收到的被测物的反射光不均匀，常常影响减模式下的条纹图。本文在分析剪切型散斑干涉原理的基础上，指出了光强不均匀性对于减模式下条纹图的影响。基于散斑相位的主值在(-π,π]均匀分布的假设，提出了一种实用的减模式下光强不均匀性的自适应窗口校正方法。该方法包含光强估计、窗口的自适应选择和光强不均匀的校正三步。实验证明该方法对于光强校正的有效性，提高了散斑干涉法在无损检测应用中的可靠性。
获奖情况
- 1.于《光学学报》2009年29卷第2期发表论文一篇 2.于2009年5月投给美国的《应用光学》（Applied Optics）一篇论文，目前处于审稿阶段。 3.于2009年6月荣获第七届西安高新“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
鉴定结果
参考文献
- [1] A. Makovshi. Time-lapse interferometry and conturing using television systems[J]. Applied Optics, 1971，10（3）：2722～2727. [2] I. Yamaguchi. A laser-speckle strain gange[J]. Journal of physics E: Scientific Instruments, 1981, 14: 1270～1273. [3] Y.Y. Hung, H. P. Ho. Shearography: An optical measurement technique and applications. Materials Science and Engineering. 2005, 49 :61～87 [4] Yu Qifeng, Fu Sihua, Yang Xia et al.. Extraction of phase field from a single contoured correlation fringe pattern of ESPI[J]. Opt. Express, 2004, 12(1): 75～83 [5] 于起峰，伏思华.基于条纹方向和条纹等值线的的ESPI与InSAR干涉条纹图处理方法.北京：科学出版社,2007. [6] 刘诚，高淑梅.基于图像处理的数字散斑照相[J].光学学报, 1999, 19(10): 1396～1400 [7] 赵延鹏，杨军，赵磊 等. 用激光散斑法测量位相物体厚度[J]. 红外激光与工程，2006，35(4):449～452 [8] 孙一翎，李善祥，李景镇. 数字散斑相关测量方法的研究与改进[J]. 光子学报, 2001, 30(1): 54～57
同类课题研究水平概述
- 国外，自1966年Ennos在试验中发现散斑具有可测的强度和确定的相位后，散斑作为测量信息的载体就得到了广泛的应用和发展。1968年，J.M.Burch等提出了散斑干涉原理，并用于疲劳检测；1971年，Leendertz等采用电子散斑干涉测量技术得到了表示物体位移、变形的干涉条纹；1980年，Nakadate首先实现并得到了512×512阵列的数字散斑干涉条纹，从而开始了数字散斑干涉技术的发展；1981年，I.Yamaguchi等提出的数字散斑相关方法，具有光路简单、要求测量环境低等优点。进入90年代后， DSPI的测量速度大为提高，其通过把物体变形前后的散斑图像量化为数字图像，由计算机用数字图像处理的方法对它进行运算，在监视器上显示散斑干涉条纹图，从而减少了电子散斑中的噪声，提高了干涉条纹的清晰度，并可进行自动定量分析。 国内，伍小平院士等对空间散斑运动规律进行了系统研究，给出了严格的理论公式，发展了部分相干光散斑干涉的统计分析方法。于起峰，伏思华等对数字散斑干涉技术进行了比较全面的研究，并将ESPI与InSAR条纹图的处理方法进行了对比，取得了很好的结果。 数字散斑干涉技术由于具有灵敏度高、全场非接触、适合现场测量并能够通过计算机对其进行后期处理的优点，目前在光学无损检测技术中占有非常重要的地位。它的基本原理是使用CCD等光电成像器件记录物体状态发生改变前后的原始散斑场，然后将这两次记录的图像信号进行相减或其他处理来产生携带物体状态改变信息的散斑干涉条纹图。 目前，数字散斑干涉条纹图的生成方法主要采用相减模式，减模式下的条纹图除了含有比较严重的乘性噪声之外，还会因照射激光光束质量，以及被检测物体表面的反射率差异而使其受到不均匀光强的调制。然而，从国内外许多学者的研究来看，在对减模式下数字散斑干涉图进行处理时，都是在假设散斑场亮度均匀分布的基础上进行的，这些处理方法在散斑场亮度差异不大的情况下可以得到很好的结果。但是当检测表面引起强烈的强度调制时，会使相减后形成的条纹图在某些位置不明显，甚至丢失条纹，因此在检测中有可能丢失某些缺陷信息，一定程度上影响散斑干涉检测的可靠性。而本作品则主要研究了散斑场亮度对散斑条纹图的影响，并自行设计算法解决了光强不均匀对散斑图的影响，这就提高了散斑干涉法在无损检测中应用的可靠性。
