激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ESPI技术介绍讲解

激光散斑检测中剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术介绍

孙小勇周克印王开福

（南京航空航天大学无损检测中心南京中国２１００１６）

摘要：本文介绍了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术成像的原理，对剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术应用于无损检测领域中散斑图像的获取方法进行了说明，列举了两种方法所得的散斑图，并比较了剪切散斑干涉术和相移ＥＳＰＩ技术在无损检测领域的应用，可为激光散斑检测技术应用到无损检测工作提供有益的参考。

关键词：无损检测剪切散斑干涉术相移ＥＳＰＩ技术

引言：激光散斑检测技术在无损检测应用广泛。与非光测技术相比，激光散斑检测技术具有非接触，高精度和全场等优点，是无损检测领域的一种重要和新兴的检测方法，随着激光散斑测量技术的发展，采用ＣＣＤ摄像机输出干涉图像信号，可直接将输出的数字化信号与计算机连接，自动处理，并可在计算机屏幕上实时观察到干涉图形，现场应用十分方便。

在激光散斑应用于无损检测领域过程中，出现了剪切散斑干涉和相移ＥＳＰＩ两种技术，本文将就两种技术进行介绍并比较其在应用过程中的差异。

１、剪切散斑干涉技术：

１．１剪切散斑干涉的原理

电子剪切散斑干涉技术能直接测定位移的微分，对于应变非常有利。其基本原理是一般散斑干涉测量和剪切机理的结合，其装置是在一般散斑干涉测量光路的透镜前加上错位元件一剪切镜，通过不同的剪切元件，形成剪切散斑。其光路如图１所示，由激光器发出的激光经扩束镜照射在具有漫反射的物体上时，漫反射的光线通过剪切镜将产生偏折，在像平面上产生两个错位的像。它们在像平面上互相干涉，形成散斑干涉图像。该图像通过透镜由ＣＣＤ经图像卡采集到计算机中，并对变形前后的两幅散斑图像做相减模式处理，在计算机显示屏上即可实时显示物体变形信息的散斑条纹图。

被测物

图ｌ电子散斑剪切干涉的光路系统

因此，电子剪切散斑干涉是同一个物体的两个剪切像的干涉。物面上的一点，经过剪切装置后，在像面上形成相邻两个点。假定是在ｘ方向剪切，由剪切镜产生的物面上的剪切量为６。．对于整个物体来说，在像平面上形成了两个相互剪切的像，它们的波前分别为：１３９

Ｆ＠，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｑ）ｘ，ｙ）】（１）

Ｆ＠＋瓯，Ｙ）＝Ａｅｘｐ［ｆｐ（ｘ＋屯，ｙ）】

（２）上两式中假设两点振幅是相等的，仅位相不同妒Ｏ，Ｙ）ｆｌｌｑ，（ｘ＋

６，，ｙ）。到底板在物体未变形状态下的波前的合成为：

Ｅ＝Ｆ∞ｙ）＋Ｆ＠＋戌）

（３）

其光强为：，＝Ｅ・耳＝２Ａ２０＋ｃｏｓ功

（４）

够＝驴０＋ｔ，ｙ）－ｑｏ（ｘ，Ｙ）

当物体变形而引入的相位差为△驴，光波将形成一个相位的相应变化△妒，变形后的光强将变为：

，‘＝２Ａ２【１＋ｃｏｓ（ｑ，＋△妒）】（５）

在电子剪切散斑干涉法中，采用光电元件（通常ＣＣＤ摄像机）进行记录并直接输入计算机，它采用与变形前后两幅散斑图的图像相减，其合成的记录光强为式（４）和（５）相减：

小Ｉ卜小１４们ｓｉｎ妒＋等】ｓｉｎ爿

（６）这种相减方法把背景光强去除，而突出了由于形变引起的相位变化△妒的结

果。

１．２剪切散斑干涉术散斑条纹图的获得电子剪切散斑干涉条纹图的获得可以分为实时相减法和实时时间差电子剪切散斑。实时相减的电子剪切散斑干涉术是将物体变形的一个状态记录下来，存入计算机图像版的存贮器中，然后连续改变物体变形状态，使实时的不断变化状态的散斑场与冻结在图像版中的初始状态的散斑场进行模拟相减，形成实时电子干涉条纹图，并在监视器上显示出来。上述方法在无损检测中都取得了许多成功的应用，但也存在一定的问题，实时法需要取物体的一个变形状态作为基准，然后变化载荷，以获取不同的信息。这样不利的地方有１、费时；２、在大面积情况下操作比较麻烦；３、摄像机分辨率和图像板分辨率了测量范围；４、工程中在连续变形测量、长时间检测、大变形和动态变形等的测量中精度不高。实时时间差技术很好的解决了前两种方法的缺点。实时ｎ＇－Ｊｌ＇司差法是在两个不同帧存体中的图像不断更新，即在开始时将物体变形初态冻结到第一个帧存体，变形后时刻的另一状态的图像输入到第二个帧存体并与之冻结的初始相减并显示，同时将此状态的第二幅图像存入第一帧存体中覆盖原有图像，然后采集下一个缸时刻的图像输入到第二个帧存体，再一次与第一帧存体中图像相减运算实时显示，这样使两个帧存体中的图像不断更新，且分别存入相差△ｆ时间间隔两个变形状态的图像信息，并进行实时相减运算。图２为利电子剪切散斑实时时间差技术所获得的散斑图：

图２实时时间差法所得散斑图

２、相移ＥＳＰＩ技术

２．１相移ＥＳＰＩ技术原理

相移ＥＳＰＩ技术是以条纹图中的余弦函数的相位为测量对象，通常是利用对已知相移（通常是在参考光波中导入线性变化的相位）的被测光波采样后获得的光强分布进行处理以求得相位值。

早在１９６６年Ｃａｒｒ６就提出了时间相移法的思想，并给出了相位计算公式（Ｃａｒｒ＠算法），但一般认为Ｂｒｕｎｉｎｇ等人１９７４年发表的工作是时间相移法的

发端。

当干涉仪中两波面相遇发生干涉时，干涉条纹图被摄相机存储为数字图像，其光强表示为：

Ｉ。＝Ｉｏ（１＋ｙＣＯＳ≯）（７）

式中Ｌ是第ｎ次相移的干涉图中一点的光强，，ｏ是背景光强分布，），是条纹调制度，≯是被测相位，即干涉图中被测点处两波面的相位差。光强公式（７）中未知数过多，只知道某点光强，。的情况下无法求得被测相位西，一般情况下，需要在条纹相位上附加一个已知相移量来增加方程数，使方程数大于或等于未知量来解出相位值，而这个己知相位量需要移相器提供，此时干涉条纹图的光强表

示为：

Ｉｎ＝Ｉｏ【１＋７，ｃｏｓ（≯＋６）】（８）

式中６是可控的附加相位调制项，称为相移步长，它是随时间变化的，也就是说不同相移量是在不同时刻引入的。当使可控相移６步进变化，利用几个不同相位下测到的强度Ｉ。便可解算出被测相位西。

相移步长是在不同时刻引入的，而相位量需要由各种移相器提供。常用引入相移的方法有压电陶瓷法、偏振相移法、倾斜玻璃法、光栅相移法、拉伸光纤法、液晶相移法、改变半导体激光器波长和空气相移法等。其中最常用的是压电陶瓷法。对于周期不同的采样

情况，施以不同的附加相移

１４１

量，可以分别求得不同的相位公式。图３为使用压电陶瓷法进行的相移散斑实验光路图。

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图３相移散斑实验光路图

２．２相移ＥＳＰＩ技术中的散斑图像的获取

相移ＥＳＰＩ技术中散斑图的获取通过分步相移来取得，有三步相移、四步相移和多步相移。以三步相移为例。如果每次改变相位角万／３，相移步长分别为０，ｚ／３，２ｚ／３时，得到干涉条纹图的光强可表示为：

‘＝１０［１＋），ｃｏｓ（≯＋ｏ）】

１２＝１０［１＋７，ｃｏｓ（≯＋．玎／３）】

（９）

Ｊ３＝Ｉｏ【１＋），ｃｏｓ（≯＋２巧／３）】

Ｅｈ三角函数性质推导出：岫ｒｃｔａｎ等爨

㈣，如果每次改变相位角万／２，相移步长分别为０，万／２，石时，得到干涉条纹图的光强可表示为：，１＝Ｉｏ［１＋），ｃｏｓ（≯＋０）】＝厶（１＋），ｃｏｓ≯）

，２＝Ｉｏ【１＋），ｃｏｓ（≯＋；ｒ／２）＝厶（１一），ｓｉｎ≯）（１１）

，３＝Ｉｏ［１＋），ｃｏｓ（驴＋万）＝Ｉｏ（１－），ｃｏｓ￥）

由三角函数性质推导出：＝ａｒｃｔａｎ（等孚）

（１２）

图４为相移ＥＳＰＩ实验所得的三步相移图：３、结束语

电子剪切散斑干涉无损检测技术是基于物体结构损伤处的外表面在静载荷或动载荷的作用下会

１４２

产生表面位移或变形，在有规则的干涉条纹中出现明显的异状，如不连续、突变的形状变化和间距变化等。通过测算这些微小的变化，便可查明物体内部缺陷及其位置。与常规无损检测手段相比，电子剪切散斑干涉技术存在着明显的优点。但也存在一些需要解决的问题，如条纹信噪比低、相位去包裹难等。

由电子散斑干涉术与相移技术结合而出现的相移ＥＳＰＩ测量术不仅具备了剪切散斑干涉技术的优点而且相移ＥＳＰＩ由原来的计数条纹的级数发展为计数条纹的位相，使测量精度大大提高，而且使用分步相移的方法能更有效地处理所得散斑条纹图，对损伤的鉴定起到了很大的作用。

参考文献

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ＡｎＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏＳｈｅａｒｏｐｈｙａｎｄＰｈａｓｅ——ｓｈｉｆｔｉｎｇＥＳＰＩ

ＳｕｎＸｉａｏｙｏｎｇｚｈｏｕｋｅｙｉｎｋ．ｆ．ｗａｎｇ

（ＮｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔＣｅｎｔｅｒｏｆＮＵＡＡ，Ｎａｎｊｉ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＳｈｅａｒｏｐｈｙａｎｄＰｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｉｎｇＥＳＰＩ．Ｉｔｇｉｖｅｓｏｕｔｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｔｏｇｅｔｓｐｅｃｋｌｅｐａｔｔｅｒｎｓ．Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｈｏｗｓｓｏｍｅｓｐｅｃｋｌｅｐａｔｔｅｒｎｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．ＴｈｅａｕｔｈｏｒｓｏｆｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅａｌｓｏＣｏｍｐａｒｅＳｈｅａｒｏｐｈｙａｎｄＰｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｉｎｇＥＳＰＩｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔ．Ｔｈｅｉｄｅａｗｈｉｃｈｔｈｅａｕｔｈｏｒｓｓｈｏｗｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｙｈｅｌｐｔｏａｐｐｌｙｓｐｅｃｋｌｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ

ｔｅｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ

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