投影型莫尔法的成像理论研究

研究了基于莫尔条纹的三维轮廓测量技术的光学成像原理。以余弦光栅作为投影光栅和参考光栅,对投影型莫尔法从物理光学的角度进行了理论分析。采用菲涅耳衍射公式和傅里叶变换得出了输出面上的光场的理想计算公式。在计算机上采用描点法模拟出变形光栅的光强分布,该光强分布为余弦函数,与实验图片的结果一致,还得出了最终变形光栅像的光强分布。与从几何光学的角度分析结果相比,物理意义更明确。利用上述结果推导出了莫尔条纹的光强分布函数,同时也推出了高度和相位的关系。该结果为基于莫尔条纹的三维轮廓测量技术提供了理论基础。     

深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量

数字光栅投影三维测量技术,通过离焦投影二值光栅条纹,生成三维测量所需正弦光栅条纹,能够实现超高投影速度,在快速三维测量领域具有极大潜力。但是,二值光栅条纹不可避免地包含高次谐波,导致计算所得相位包含相位误差,进而降低了快速三维测量精度。提出了一种基于深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量方法,通过构建含噪声相位到精确相位的端到端深度卷积神经网络,降低高次谐波引入的相位误差,进而实现快速精确三维测量。首先,以理论分析证明所提方法的可行性,并以仿真和实验进一步验证了所提方法的有效性和精确性。与现有快速三维测量方法相比,所提方法在保证测量速度的同时保证测量精度。     

应用三步相移法的三维面形测量

提出一种基于三步非定步相移的三维面形测量方法。首先将投影仪投出的光栅进行预校正,保证投到参考面的条纹为标准的正弦条纹。测量时,由投影仪投影三幅等相移量的光栅到待测物体表面,CCD相机对应采集三帧变形条纹图,由相位计算模型提取相位。最后通过高度映射公式恢复待测物体的三维面形。该方法有较好的抗噪性能,在噪声较大情况下,仍能进行测量,为动态在线测量奠定了基础。模拟及初步实验均验证了该方法的可行性。     

采用二元编码的正弦光栅提高PMP测量速度和精度的方法

利用误差扩散方法产生二元编码正弦光栅可以消除数字投影仪的非线性对投影光栅正弦性的影响,且能充分利用基于数字光处理技术(DLP)投影仪中数字微镜的二元高速开关特性,高速投影二元编码正弦光栅。投影仪分辨率不足会导致电子二元编码正弦光栅正弦性下降,从而影响测量精度。先对比了两种典型误差扩散编码算法:Floyd-Steinberg距离加权和Sierra Lite"蛇"形扫描获得的光栅的正弦性。然后针对目前DLP投影仪产生频率较高的二元编码正弦光栅时,二元编码正弦光栅的正弦性较差的问题,提出了两种改善方法:1)利用柱透镜卷积作用,在栅线方向上对二元编码正弦光栅进行平滑;2)组合多帧具有不同微结构的二元编码正弦光栅,来减小二元编码正弦光栅的误差,保证相位测量轮廓术(PMP)方法的测量精度。所提方法充分利用了DLP投影二值图像的高速特性,又明显改善了由于DLP分辨率有限导致的二元编码正弦光栅的正弦性较差的问题,实验验证了这两种方法的有效性。     

三维面形测量中结构光场的非线性分析和校正

在基于数字投影的结构光三维面形测量中,相位测量轮廓术和傅立叶变换轮廓术是两种重要的方法,但由于受到CCD探测器光电响应的非线性、投影伽马的非线性以及环境光照等因素的影响,引起投影条纹正弦性的下降,最终导致相位和重建面形的误差.本文提出一种实用的结构光场生成方法,有效改善了结构光场的正弦性.从成像系统出发,通过理论推导,...     

一种正弦光栅的设计与性能分析

在通过相位获取物体三维轮廓的光学三维测量技术中,需要向被测物体表面投射正弦光栅,为提高光栅投影正弦图样的明暗对比度,引入电子工程中的脉冲宽度调制方法设计正弦光栅。首先从理论上分析了高频三角波调制正弦波设计正弦光栅的可行性,描述了三维轮廓测量中光强分布函数,给出生成正弦光栅的具体例子;最后,分析了该光栅的频谱特性。     

改进的FIR低通滤波器解调相位的三维面形测量方法

通过对矩形投影光场的光学分析获得参考面上相位分布的解析形式,简化了采用FIR低通数字滤波器解调相位的三维面形测量过程,建立了一个微型计算机自动三维面形测量系统并给出了对实物模型的测量结果。     

基于“2+1”相移算法的正交复合光三维测量方法

提出一种基于"2+1"相移算法的正交复合光栅投影三维测量方法。用2帧相移量相差为π/2的正弦光栅加1帧背景光代替传统正交复合光栅相位测量轮廓术(OCGPMP)中3帧等相移正弦光栅,并将受背景项调制的载波频谱放在受2帧正弦相移光栅调制的载波频谱中间,由于背景项只有直流分量对载波的调制,与相邻调制载波交流调制成分不会发生频谱混叠,从而拓展了两相移光栅的载波频谱宽度,有效减少了频谱混叠,降低了相位测量误差。计算机仿真和实验结果表明,该方法将测量精度提高到传统OCGPMP的1.74倍。     

一种主动修正投影光栅提高在线三维测量精度的方法

提出一种发散照明中主动修正投影光栅周期的方法。基于Stoilov算法的相位测量轮廓术(PMP)在线三维(3D)测量技术采用发散照明时,参考平面光栅像周期发生变化,会变成不等周期分布,从而降低在线测量精度。针对这一问题提出了一种主动修正投影光栅周期的方法,利用静态PMP分析参考平面截断相位分布,采用迭代算法逐步修正投影光栅的周期,使投影到参考面的光栅像具有良好的等周期性分布;同时避免对系统参数进行测量和计算的繁杂工作。实验验证了该方法的正确性,能有效提高在线3D测量的适应度和测量精度。     

相位测量轮廓术中投影光栅的快速自校正

针对数字光栅投影的相位测量轮廓术系统,提出了一种投影光栅快速自校正的新方法。在实际测量条件下,严格约束测量系统间的几何位置是不现实的。因此,参考平面上的光栅条纹常表现为梯形畸变和周期展宽畸变,传统的标定过程难以完全消除。针对这些问题,设计了一种基于空间变换的投影光栅快速自校正方法。校正过程发生在投影仪光栅输出之前,与现有的补偿校正算法相比无需计算单像素点相位误差且不局限于特定相位计算方法,简单快捷,可在数秒内完成校正。在光栅投影三维轮廓测量实验中证明了该方法的有效性。     

非正弦空间载波条纹的计算机辅助分析

本文分析了条纹图像采集系统的抽样频率对于非正弦的载波条纹相位测量的影响,抽样频率相对于载波基频越大,频谱混迭带来的误差越小。本文提出了一种新的在空间整数域相位解调的算法阶梯形虚光栅数字解调法,这种新的算法能够处理任意载波频率的条纹图,计算的速度快捷,而且能够达到空间实数域解调算法的精度。论文给出了计实验结果及与正交莫尔法的比较QMM)。     

螺旋布设光纤光栅的软体操作器形状传感方法

为实现微创手术软体操作器弯曲伸缩运动时的形状测量,提出一种螺旋布设光纤光栅形状传感方法。不同于传统的直线形布设方法,螺旋形布设方法可以防止软体操作器弯曲伸缩运动时,光纤光栅的折断、脱胶现象发生。理论分析了螺旋布设光纤光栅的传感原理及弯曲变形的重构算法;制备了光纤光栅沿螺旋形布设在软体操作器表面的试样;搭建了软体操作器弯曲变形的实验系统;实验分析了软体操作器在不同弯曲状态下,螺旋布设光纤光栅中心波长漂移量与弯曲角度间的变化规律,并重构出软体操作器的变形形状。实验结果表明:螺旋布设光纤光栅在软体操作器中不同位置的灵敏度最大为7.1pm/(°),软体操作器弯曲角度实际测量值与理论重构值间的最大误差不足4.29%。螺旋形光纤传感方法可用于软体操作器形状传感与重构。     

Crack width estimate in reinforced concrete with FBG sensor:experimental and numerical analysis

A detecting method of investigating the function of crack width versus fiber Bragg grating (FBG) spectrum deformation was proposed. In this paper, the bond-slip model of deformed steel bar in concrete slab was used to calculate the crack width. The stress distributions along optic-fiber grating were extracted by the three-dimensional (3D) finite element method (FEM) and the spectrum deformation of FBG induced by the uneven distribution of the stress was calculated. Experiments were carried out with an FBG fixed on the bottom of concrete slab. The crack width and FBG spectrum deformation of experimental results were given, and the function of crack width versus wavelength shift of FBG sensor was given also. The proposed technology in this paper could improve the safety of large-scale concrete building by early identification of structural crack.     

基于线阵CCD阵列的在线检测方法

利用矩形光栅离焦投影,产生正弦光场,通过三个严格排列的线阵 ＣＣＤ阵列对物体三维轮廓进行扫描采样测量,一次扫描就可以获得三幅相位图。利用三步相移技术即可解调高度信息,避免测量过程中的相移操作。本文重点讨论了该方法的原理和特点,并给出试验简图及实际测量结果。     

基于光纤惯性传感的变形测量方法研究

为了对地表变形进行实时有效的监测,及时发现其不规则沉陷的规律和趋势,从而确定整个地表移动区域的下沉情况。本文选取MIMU惯性测量单元,布设光纤光栅传感器,设计分布监测网路对地表变形数据进行测量。构造新的指数型阈值小波算法并结合时间序列分析对采集的数据进行去噪处理,显著提高去噪效果,最后利用卡尔曼滤波进行变形体的变形趋势预测。与仿真实验结果对比分析发现,采用这种方法得到的数据准确有效,该方法可应用到地形变形预测的工程实际中。     

光纤激光谱合成改善光束质量的研究进展

光束质量是衡量激光性能的重要指标。鉴于当前谱合成光束质量的研究现状,本文归纳出3种改善光束质量的方法：窄线宽法,双光栅色散补偿法,抑制光栅热变形法。对于每一种方法,详细介绍了其设计思路;综述了该思路下光束质量改善所取得的进展。此外,本文还展示了我们团队研究光栅热变形、影响光束质量的理论和实验成果。该成果表明：在30 W激光辐照下,2 min内,M²从1.06增加到1.26。显示出谱合成的光束质量是一个动态变化过程。     

DMD芯片在光栅投影三维轮廓测量技术中的应用

光栅投影成像法经常用于物体的非接触形状测量和形变测量。通过莫尔相移法,可以实时获得物体表面的等高轮廓线。但是在测量高速运动物体三维轮廓图像时误差较大,因为相移法需要拍摄几张经过相移后的变形光栅。在加入了DMD芯片后,可以在CCD的一帧图像时间内完成所有的相移后变形光栅的图像拍摄,有效地降低了高速运动物体三维轮廓成像的误差。     

Fabrication of micro-moiré gratings on a strain sensor structure for deformation analysis with micro-moiré technique

In this study, the electron beam lithography technique is applied to fabricate moiré grating on the tiny structure of a strain gauge sensor. The grating fabrication technique is discussed in detail. The grating pattern is controlled by a pattern generator, which makes it possible to write a graph in the assigned region of the resist using the electron beam, and as a result a moiré grating is left on the surface of the sample. By the aid of the fabricated grating with electron moiré technique under the scanning electron microscope (SEM), the residual deformation of strain gauge sensor is measured after a direct voltage is imposed to it. The successful results verify the feasibility of the moiré grating fabrication using electron beam lithography, and the grating has a good potential for further application.     

空间桁架横梁分布式光纤变形监测与误差修正

空间桁架结构是一种具有低频、密模、非线性等复杂动力学特征的大型挠性空间结构,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,该文提出了一种基于分布式光纤光栅传感技术的空间桁架横梁结构变形监测与反演方法。借助ANASYS有限元分析法,数值模拟得到横梁结构在不同载荷作用下的应变、位移分布特征,研究了基于位移算法的桁架横梁结构变形反演算法,计算得到空间桁架结构不同位置的挠度信息。在此基础上,构建了单边固支桁架横梁分布式光纤变形监测与反演系统,平均相对误差约为2.4%。最后,提出了一种用于横梁结构变形反演精度提升的误差分离修正方法,修正后平均相对误差下降了41.7%。研究结果表明,该文所提方法具有精度高,实时性好等优点,能为及时准确获取空间桁架结构展开形态,实现桁架形态自适应调节与主动控制提供有力保障。