Effect of the nonlinearity of the CCD in Fourier transform profilometry on spectrum overlapping and measurement accuracy

In Fourier transform profilometry （FTP）, we must restrain spectrum overlapping caused by the nonlinearity of the charge coupled device （CCD） and increase the measurement accuracy of the object shape. Firstly, the causes of producing higher-order spectrum components and inducing spectrum overlapping are analysed theoretically, and a simple physical ex- planation and analytical deduction are given. Secondly, aiming to suppress spectrum overlapping and improve measurement accuracy, the influence of spatial carrier frequency of projection grating on them is analysed. A method of increasing the spatial carrier frequency of projection grating to restrain or reduce the spectrum overlapping significantly is proposed. We then analyze the mechanism of how the spectrum overlapping is reduced. Finally, the simulation results and experimental measurements verify the correction of the proposed theory and method.

Application of 3D Projection Profilometry in the High Speed Impaction Surface Deformation Measurement Research

In order to study the strength of the composite material plate problems, need to adopt a nondestructive testing method to obtain the specimen surface under the effect of high-speed impact regularity of shape. The projection profilometry was used to measure the surface profile or the full field deformation. Furtherly, by using the Fourier transform algorithm, there is only one frame of captured image which is needed in the measurement, so that it can be introduced into the high speed impaction procedure measurement. An experimental system, which was contained with an impact setup and the projection profilometry measurement part, was constructed for the impaction action characteristic research. The metallic impact object can be launched by a gas gun or a spin fan, respectively. The detected object is manufactured by composite materials. In order to increase the surface deformation measurement accuracy, the calibration method and the error was discussed with different calibration specimen. And then, the proposed profilometry measurement method is proved by the gas gun and spin fan projectile test. The surface deformation of the manufactured composite plates and fan case are measured in the impaction procedure. So that the impact action details can be described much more clearly than the traditional video monitoring method.

利用灰度图提高 Fourier变换轮廓术的测量精度

在 FTP测量中 ,常利用 π相移方法来消除零频 ,以避免频谱混叠 ,提高 FTP的测量精度。此时 ,测量系统中包含相移装置 ,增加了系统的复杂性。然而 ,人们常常忽略了灰度图中包含的信息在 FTP测量中的作用。本文提出了在 FTP测量中利用一帧灰度图来提高测量精度的方法。该方法测量装置简单 ,又可以达到π相移的效果 ,在实际的 FTP测量中的意义。

Fourier变换轮廓术中采用Gerchberg叠代消除边缘误差

运用Gerchberg叠代方法 ,对采集的不满场条纹进行外插处理 ,直到变形条纹的傅里叶频谱的能量集中在正负一基频周围 ,消除两基频的相互混叠 .计算机模拟证实 。

Measurement of a discontinuous object based on a dual-frequency grating

The dual-frequency grating measurement theory is proposed in order to carry out the measurement of a discontinuous object. Firstly, the reason why frequency spectra are produced by low frequency gratings and high frequency gratings in the field of frequency is analysed, and the relationship between the wrapped-phase and the unwrapping-phase is discussed. Secondly, a method to combine the advantages of the two kinds of gratings is proposed： one stripe is produced in the mutation part of the object measured by a suitable low frequency grating designed by MATLAB, then the phase produced by the low frequency grating need not be unfolded. The integer series of stripes is produced by a high frequency grating designed by MATLAB based on the frequency ratio of the two kinds of gratings and the high frequency wrapped-phase, and the high frequency unwrapping-phase is then obtained. In order to verify the correctness of the theoretical analysis, a steep discontinuous object of 600×600 pixels and 10.00 mm in height is simulated and a discontinuous object of ladder shape which is 32.00 mm in height is used in experiment. Both the simulation and the experiment can restore the discontinuous object height accurately by using the dual-frequency grating measurement theory.

便携式高精度相位差测量系统设计及实现

为解决远距离同轴传输线长度的便携式精密测量问题,以STM32G4单片机为控制核心,利用快速傅里叶变换(FFT)算法,完成了便携式高精度相位差测量系统的软硬件设计。深入探究了误差产生原因及提高测量精度措施,实现了同轴传输线中同频正弦信号相位差的精密测量,通过计算获得了待测传输线的准确长度,测得的相位差及长度数据由OLED液晶屏显示。经多次系统调试测量,由所获得数据表明,相位差测量精度可达0.05°,且系统体积小、成本低、便携带。可用于远距离同轴传输线长度的准确测量和鉴定其品质,在精密测量领域前景良好,具有很好的借鉴价值。

高频相位激光测距系统的高精度鉴相

相位测距是一种非常重要的绝对测距手段,是大尺寸精密测量的重要保障。提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。针对高性能器件的最大采样频率总是受限,难以满足高调制频率采样的难题,分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性,同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法(allphase Fast Fourier Transform,apFFT)提高鉴相精度的优势。在此基础上,提出“欠采样+apFFT”的方法,并构建了激光相位测距的鉴相系统。当调制频率为201 MHz,欠采样频率为100 MHz时,系统鉴相精度高于±0.04°,对应的测距精度为±0.08 mm。实验结果表明,基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势,在科学研究与工程应用中具有重要价值。

固定污染源废气中氧化亚氮测定方法研究

为完善温室气体排放监测技术体系,更好服务碳达峰、碳中和目标,建立一种固定污染源废气中氧化亚氮(N2O)的测定方法是非常必要的。利用便携式傅里叶变换红外光谱分析仪测定固定污染源废气中的N2O浓度,对方法的检出限、测定下限、精密度、准确度等技术指标以及仪器抗水分干扰能力进行研究,并开展现场实际样品测试。结果表明,该方法能够准确、连续的检测固定污染源废气中N2O浓度水平,方法检出限为1.0 mg/m^(3)、测定下限为4.0 mg/m^(3),各项技术指标均满足HJ 1011—2018、HJ 168—2020相关要求和实际监测需求。

光学投影式三维轮廓测量技术综述

主要用于散射物体的宏观轮廓测量的光学投影式轮廓测量技术可以分为两大类：直接三角法和相位测量法。直接三角法包括激光逐点扫描法、光切法和新近出现的二元编码图样投影法。相位测量法以测量投影到物体上的变形栅像的相位为基础，包括莫尔法、移相法、傅氏变换法等等。本文以基于相位测量和光栅投影法为重点综述了光学投影式轮廓测量技术的几种典型方法，讨论了它们的优缺点，并分析了研究热点和发展方向。

一种两步相移相位解算方法

提出一种将傅里叶与相移法结合的三维物体快速测量方法.通过时域提取精确的均值包络与频域滤波结合的方法预处理条纹,结合基于相位半角的两步相移,只需要两幅相移条纹图,即可得到精确的相位信息.通过仿真和实验将本文方法与现有方法进行了分析对比,实验结果证明,本文方法可以获得优于现有两步相移方法的准确度,一般测量环境下的均方根误差在3×10^(-3) rad以内.本文提出的方法对噪声和表面突变不敏感,具有鲁棒性好、运算速度快、准确度高等优点,在三维快速测量领域有较高的应用价值.

采用双频光栅投影的快速傅里叶变换轮廓术

傅里叶变换轮廓术中通过反正切计算出的相位是截断的,如果被测物高度变化引起的相邻点的非截断相位变化过大,就无法直接进行正确的相位展开。故提出一种采用双频光栅的快速傅立叶变换轮廓术:从一帧条纹图中获取同一物体对应于不同等效波长的两组截断相位,先展开对应于低频的低精度截断相位,并以此为参考,根据双频光栅两个频率之间的关系,展开对应于高频的高精度相位。经过模拟比较,在误差范围内比传统方法恢复的图形有了较大的改善,相对误差率由2.26%下降到1.79%。

探测器非线性对傅立叶变换轮廓术的影响

本文分析了探测器存在二阶、三阶非线性对傅立叶变换轮廓术的影响 ,对抽样频率的确定给出了严格的理论分析和公式推导。分析表明 :由于非线性的影响 ,必须增大抽样频率才可避免频谱混叠 ,保证傅立叶变换轮廓术的测量精度。计算机模拟实验给出了不同抽样频率对三维重建的影响 。

非同步采样的同步化谐波分析算法

为了消除采样过程中同步误差产生的频谱泄漏,提出一种基于搜索的同步化算法.该算法采用逆向搜索在非同步采样数据中截取整周期的采样序列,通过离散傅里叶变换(DFT)得到频谱,搜索频谱幅值得到基波谱线位置,计算基波及各次谐波的幅值和相位.误差分析和仿真结果表明,采样点数越多,算法精度越高,较高的采样频率有利于提高算法的分析精度.同步化谐波分析算法分为单周期和多周期两种方法,单周期法适合于非稳态周期信号的谐波测量,多周期法提供了一种精确分析稳态周期信号谐波的有效方法.

基于FTP的动态相位展开方法的研究

在采用结构照明的光学三维传感方法中 ,相位展开是被测物体三维面形正确重建的关键步骤之一 ,也是一个难点。本文就动态傅里叶变换轮廓术中相位展开问题进行研究 ,对比分析了直接相位展开算法、基于相邻帧间相位差之间的相位展开算法和基于调制度排序的相位展开算法。解决了基于傅立叶变换轮廓术的动态三维测量中相位展开问题 ,特别是孤立区域的相位展开。为动态傅立叶变换轮廓术的在冲击和爆轰过程中应用 ,提供了理论基础。

动态过程中破裂表面的三维重建

在冲击、爆轰等动态过程的研究中,被测三维表面将发生破裂及碎片飞散等过程,为动态过程的三维重建带来困难。针对此问题提出了一种动态过程中破裂表面的三维重建方法,这种方法以傅里叶变换轮廓术为基础,利用条纹图中裂缝的信息,生成一个三维二元控制模板,在该模板的控制下进行三维相位展开。以玻璃破裂过程的三维重建实验为例,处理结果证实了该方法的可行性。该方法可用于材料变形、爆轰过程、碰撞变形等相关领域的动态过程研究,对于深入分析冲击与爆轰过程、材料变形与破坏机理、碎片飞散规律等具有重要意义。

加窗傅里叶变换在三维形貌测量中的应用

采用加窗傅里叶变换技术 (GTGM)对变形光栅图像进行分析 在窗口区域内提取基频 ,并随着窗口的移动进行叠加 ,有效地重构出全部的基频信息 ,改善了不同频谱的叠加现象 ,提高测量的精度 .

基于DFT的电力系统相量及功率测量新算法

随着全球定位系统(GPS)的全面民用化以及通信技术的发展，电力系统实时相量测量技术日益受到关注。传统的基于离散傅里叶变换(DFT)的频率跟踪算法对相角误差的考虑不全面，从而其频率、相角、幅值等计算结果也不够准确。文中对 DFT 在非同步采样情况下的误差产生机理进行了全面分析，给出了非同步采样情况下 DFT 相角计算结果的精确误差表达式，基于该相角误差公式，提出了一种新的基于 DFT 的电力系统相量测量算法。与传统算法相比，该算法具有精确度高、可以自适应地抑制谐波干扰、计算量不大等优点，并用算例验证了这些优点。此外，还给出了实用的利用传统 DFT 方法计算功率的误差估计公式。

CCD的非线性与频谱混叠的关系研究

分析了CCD的非线性产生频谱混叠问题,提出了减小频谱混叠的方法.从理论上分析了CCD的非线性产生高频分量的原因,给出了简单的物理解释和解析推导.通过计算机仿真与实验两种方法得出了CCD的非线性导致频谱混叠的结果,再通过计算机仿真方法得出结论:在存在高级次频谱成份的情况下,加密抽样可减少频谱混叠并明显提高FTP的测量准确度.

条纹投影动态三维表面成像技术综述

对条纹投影动态三维表面成像技术进行了总结,分析了典型方案的特点。首先介绍了该技术的基本原理,包括系统基本结构、三维表面成像原理及相移法和傅立叶变换法这两种典型的相位提取方法。接着介绍了动态成像方案,包括高速投影方案和采用速度相对低的相机进行动态三维表面成像的方案。然后介绍了动态三维成像中绝对相位获取方法,主要是模拟和数字编码法及区域统计特性编码法。最后介绍了高精度动态相位测量方案。

基于傅里叶条纹分析的多摄像机标定方法

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和傅里叶条纹分析方法.将已知相位分布的平面二维正弦灰度调制条纹图作为平面标定靶,通过傅里叶条纹分析方法计算出两个截断正交相位分布,利用截断正交相位分布并结合二维正弦条纹图特点提取相应的图像特征点,建立像素坐标与2D平面坐标的对应关系.将该二维平面靶在摄像机成像空间中放置不同的位置,并完成相应的特征点提取,根据2D共面参照物摄像机标定方法即可完成摄像机标定.该方法利用平面相位测量的高准确度来提高标定特征点的提取准确度,从而提高标定准确度.实验对双摄像机系统进行了标定,标定后该系统对标定靶进行测量,标准偏差达到0 .010 mm.