超快动态散斑相关函数的理论研究

将散斑场现象的研究推广到超快领域.从超快激光谱分析和散斑统计理论出发,推导出了超快散斑光强自相关函数,由此研究了超快动态散斑随时间和空间的演化规律,发现了超快散斑的一些基本特征,如散斑颗粒中存在干涉条纹结构及其空间周期随时间减小等.其实质在于等效的散射孔径为物面上两个不断向外扩展的对称孔径,它们之间的距离不断增大,从而使相应的观察面上的光波产生干涉而导致散斑结构中出现干涉条纹,并且干涉条纹的间距不断减小,表现为散斑自相关函数呈现不断加快的振荡.

基于散斑强度相关函数的表面粗糙度测量方法

激光经过被测表面反射和散射后,通过自由空间传播至观察面上形成散斑图像,其统计分布依赖于被测表面的微观形貌。分析此散斑图像的二阶统计特性,导出了强度变化的相关函数和表面粗糙度参数之间的关系。以表面粗糙平均值Ra分别为0.1靘, 0.2靘, 0.4靘和0.8靘的平磨标准金属样块形成的散斑图像为例,根据强度变化相关函数的离散化定义,计算得到该相关函数值。结果表明,表面越粗糙,散斑越分散,强度变化的相关函数波动越大。因此,该参数可以反映不同的粗糙面,用其作为表征表面粗糙度的特征参数,扩大了测量范围。该方法实验系统简单,对于实际测量环境要求不高,对震动不是非常敏感,适于在线测量。

超弹性NiTi合金裂纹尖端应变场的数字散斑相关方法

利用数字散斑相关方法对具有超弹性特征的Ni-51.8at%Ti形状记忆合金的预制双边裂纹试件,在单向拉伸过程中裂纹尖端附近的应变场进行了研究;并对不同时效温度处理的试样进行了比较,发现时效处理温度对合金材料裂纹尖端的应变场有很大的影响。

二次曝光散斑图的透过率自相关函数

二次曝光散斑图测量的面内位移信息是以透过率自相关函数的形式记录在散斑图中的.本文计算了激光散斑图及白光散斑图的自相关函数;给出了其解析表达式.文中指出,激光散斑图照相系统的点扩散函数重叠面积是决定自相关函数的主要因素,而白光散斑图的自相关函数则与之无关.这一结果为进一步分析散斑干涉场条纹质量提供了依据.

超辐射发光二极管的散斑自相关法表面粗糙度测量研究

利用相干或部分相干光被粗糙表面散射产生的散斑现象进行表面粗糙度测量是一类有应用前景的在线测量技术。研究了窄带连续谱光束被随机粗糙表面散射形成的远场散射光场的散斑延长效应和将其应用于表面粗糙度测量的可行性。理论和模拟研究表明:随着观测点逐渐远离散射光场中心,散斑延长率越来越大;在相同的观测位置,表面的粗糙度越小,散斑延长率越大。构建以超辐射发光二极管(Superluminescent Diode,SLD)为光源的实验系统,以散斑延长率衍生的光学粗糙度指标来衡量表面粗糙度,对电火花加工的表面粗糙度对比样块进行粗糙度测量实验,结果表明光学粗糙度指标随着被测表面粗糙度的增加而单调递减。比起一组分立波长的光源,采用窄带连续谱光源的表面粗糙度测量系统有更大的测量范围。

随机散射屏的散斑自相关函数的测量

利用Al2 O3粉末研磨的全息干版玻璃作为散射屏 ,根据理论分析和实验研究 ,对散斑光强的自相关函数进行了测量。对实验结果分析 ,散斑的自相关函数随着散射屏粗糙度的变化发生规律性的变化。即当散射屏粗糙度改变时 ,散斑颗粒 (自相关函数的第一个极小点所对应的相关间隔 )的平均大小、散斑的自相关函数曲线的下降趋势和散斑自相关函数在大的相关间隔处的渐近值等都按一定的规律变化。实验结果为随机表面统计模型的提出和进一步的理论分析提供了依据。

超快激光散斑场的时空相干特性

将超快激光应用到对散斑现象的研究领域.首先从散斑统计理论和光的相干性角度出发,给出入射飞秒脉冲的自相关函数分布及光强经过粗糙随机表面后的光强演化形式.从实验上通过用飞秒激光脉冲光源照射粗糙的随机表面衍射屏,得到了一系列明显区别于传统普通的连续光形成的散斑场.在超快散斑场中出现了纤维辐射状的结构,散斑图样整体呈由中心光斑状向四周辐射形成条纹状光斑的分布.

基于数字散斑自相关技术的微位移测量

通过散斑照相实验,得到粗糙表面在激光照射下的散斑场,移动粗糙表面,记录位移前后的散斑图像,利用数字散斑相关方法分析散斑图像,即可确定粗糙表面的位移。理论分析和实验结果表明,数字散斑相关技术可以很好地实现测量带有粗糙表面物体的微小位移,精度可达微米级。

基于双目立体视觉与数字散斑图像相关的全场振动测量

研究了基于三维数字散斑图像相关方法(3D-DSCM)的三维全场振动测量相关问题。该方法通过双目高速摄像机连续采集散斑动态变形图像,结合数字散斑相关方法对目标点进行相关匹配,可得到随时间变化的物体离面振动位移信息。通过正弦激励稳态响应的比对实验、各参数(相关函数、子区大小、形函数)选择对测量结果的影响的实验研究。研究结果表明50 Hz稳态激励下的所测振动幅值相对误差小于3.5%、幅频曲线相关系数高于98%;相关函数、子区大小、形函数的选择都对计算的精度具有很大的影响。

数字散斑相关法测量连续位移的原理与实验

提出用数字散斑相关方法测量移动物体的连续位移.激光照射粗糙表面形成散斑场,用CCD记录粗糙表面移动时的序列散斑图像,利用数字散斑相关方法分析散斑图像,确定粗糙表面的位移.研究结果表明,数字散斑相关技术可以高精度地测出连续移动物体的位移.

基于分形插值的频域散斑相关法面内位移测量

针对传统频域数字散斑相关法在测量物体面内位移测量精度较低的问题，提出一种基于分形插值的频域数字散斑相关法。该方法在频域数字散斑相关法的基础上，引入Hanning窗函数对图像进行滤波处理，克服了图像边缘效应对最终位移值的影响；同时利用散斑图像的子区域与整幅图像在结构形态和灰度特征的自相似性，采用分形插值的方法进行亚像素插值，进而能精确定位相关点，得到更精确的亚像素位移值。实验结果表明：该方法保持了频域散斑相关法的测量速度，且将测量的绝对误差降低在0.01～0.03 pixel以内，并进一步通过刚体平移实验测试了算法的可靠性。

界面反射P-SV波转型超声散斑统计特性

对超声P波入射至强散射粗糙界面上时,反射声场中的转型SV波散斑的统计特性进行研究。根据Frensel-Huygens理论和自相关原理,得到了SV波散斑振幅概率密度函数的Rayleigh分布形式以及散斑平均横向尺寸的计算公式。进而又得到了,在使用具有一定尺寸孔径的横波探头时,所接收的SV波散斑的归一化声强的概率密度函数表达式,它与横波探头内接收到的平均散斑个数有关。在实验中,应用了两种不同孔径尺寸的横波探头对SV波的散斑声强进行测量。对测量所得的散斑合强度的数据进行统计分析的结果表明,实验值与理论值有较好的一致性。由此证实,上述理论分析的结果是正确的。

动态散斑场相关函数及运动形式分析

通过对单透镜系统动态散斑场相关函数的分析,给出了动态散斑场相关时空域和判别散斑场运动变化形式的方法。

数字散斑相关方法的匹配效果评价指标体系

光学测量中常用的数字散斑相关方法(DSCM)目前缺少有效的对匹配效果的评价方法,尤其是没有对匹配精度的估计方法。针对这种情况,提出了一种评价指标体系。该体系包含六个参数,其中,简单信噪比越大主峰被漏检的可能越小;主峰底部截面面积越大越容易搜索到主峰;主峰平滑系数与匹配精度有显著的相关关系,适中的主峰准峰顶截面面积和较大的主峰平滑系数有利于获得较高的匹配精度。灵活运用六个评价指标,可利用小范围实验数据辅助确定相关测度函数、搜索算法、亚像素插值方法等,最大限度地减少低效率匹配运算,优化匹配质量。选取了一个确定模板尺度的实例验证了该方法客观有效。

菲涅尔深区散斑纵向相关特性研究

研究了菲涅尔深区散斑光强纵向相关特性以及深区内散斑的特征,首先,推导出菲涅尔深区散斑光强纵向相关函数和纵向距离的关系,并利用原子力显微镜测量我们自己制作的随机粗糙表面的高度分布;其次,利用光学系统采集深区内不同纵向距离处的散斑,最后,经过处理得到深区光强纵向相关特性,并提取深区散斑的统计参量.

数字散斑相关测量方法的比较

本文主要介绍了在数字散斑相关测量中常用的几种方法,即相关系数插值、梯度法及小波多级分解的相关搜索方法,详细地比较了这几种方法在计算模拟散斑图位移时的精确度和相对误差,并以相对误差为依据,得出精确的测量方法。

散斑自相关分辨率测量和修正

散斑相关是许多基于散斑的光学测量和成像技术的基础,决定了光学系统的分辨率。当前散斑尺寸(颗粒度或分辨率)的理论描述不够精确,也缺乏实验验证。探究了散斑图样自相关尺寸的影响因素,与相同数值孔径物镜聚焦进行比对,揭示薄散射介质的“散射透镜”性质。通过散斑自相关和透镜聚焦尺寸的多组测量,结果表明,截趾函数会影响其分辨率,需要根据具体光路对阿贝判据做修正。对基于散斑的测量和成像技术具有一定的参考价值。

旋转粗糙目标动态散斑统计特性研究

针对旋转目标视线角和角速度的特征识别问题,基于激光散射理论,分析了可见光波段激光中旋转对称目标动态特性,设计了多姿态旋转运动目标的时序散斑测量光路.研究结果表明:采用多幅图相关函数计算方法对时序图进行处理,得到了不同视线角和角速度的动态散斑归一化时间相关函数曲线.给出了目标范围为0.5r/min^6r/min角速度,范围为20°~90°视线角与时间统计特性的关系.

旋转圆柱目标的动态散斑统计特性(英文)

高斯光束照射以固定角速度旋转的粗糙圆柱体表面,反射空间形成随着被测表面运动变化的动态散斑。研究了照射面积大于圆柱曲面条件下在远场衍射区形成的动态散斑统计特性,得到了不同入射条件及不同圆柱时动态散斑强度起伏空间-时间归一化相关函数。结果表明:随着圆柱半径、旋转速度以及照射光斑有效面积的增大,动态散斑强度起伏相关性快速减小;当圆柱旋转速度恒定,动态散斑光强起伏相关函数的峰值随着探测点之间距离的增大而减小,但峰值的位置随之而增大;在近似点照射情况下随着圆柱半径的增大空间相关长度基本不变,而相关时间性明显增大。

微粗糙圆柱的各向异性散斑特性研究

分析了高斯光束照射微粗糙圆柱在菲涅尔衍射区形成的散斑图像统计特性,给出了强度起伏自相关函数与表面曲率及粗糙程度等参数之间的关系。根据强度起伏自相关函数的离散化定义,实验并计算了圆柱轴向与径向结构有差异情况下的散斑强度起伏相关函数。结果表明,对于C 1和C 2圆柱沿垂直于圆柱轴向的散斑尺寸变长,强度起伏自相关函数沿平行和垂直于圆柱轴两个方向的波动相差较大;对于C 3和C 4圆柱两个方向上的散射特性基本相同;测量C 1和C 3的结果表明,散斑尺寸和形状依赖于圆柱表面的皱褶和圆柱表面曲率两个因素。研究结果对于如柱型管道、轴承等方面的机械制造的质量控制有重要的应用价值。