專利名稱：用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，屬于光學(xué)測(cè)量和圖像處理
背景技術(shù)：
數(shù)字莫爾干涉術(shù)是一種新發(fā)展起來(lái)的干涉技術(shù)，其原理為利用計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際干涉儀的光路和復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)波面計(jì)算出干涉圖(虛擬干涉圖)，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)采集實(shí)際干涉儀的實(shí)際被測(cè)波面形成的干涉圖(實(shí)際干涉圖)，將這兩幅干涉圖莫爾合成得到莫爾條紋，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜波面的直接相干，并能實(shí)時(shí)觀察和采用數(shù)字移相法快速處理莫爾條紋。這種數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)主要應(yīng)用于直接與復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)波面比較的場(chǎng)合。如非球面面形檢測(cè)，光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)，輪廓測(cè)量以及結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)等方面的檢測(cè)。
數(shù)字莫爾干涉術(shù)要求能實(shí)時(shí)觀察和處理莫爾條紋，因此要求莫爾合成和濾波速度快捷且濾波以后的莫爾條紋強(qiáng)度分布為余弦分布，并且莫爾條紋密度要足夠大，以增加波面的測(cè)量范圍。數(shù)字合成法是將實(shí)際干涉條紋數(shù)字采集變?yōu)閿?shù)字量，用數(shù)字計(jì)算實(shí)現(xiàn)莫爾合成，具體又分為硬件和軟件數(shù)字處理兩種方法，由于速度限制通常用硬件作數(shù)字合成。合成后的莫爾條紋還要作濾波處理，方可作數(shù)字移相計(jì)算。
虛擬干涉條紋IR(x，y)＝a+bcos[2πf+R(x，y)] (1)實(shí)際干涉條紋I0(x，y)＝c(x，y)+d(x，y)cos[2πf+0(x，y)] (2)通常將兩條紋直接相乘合成莫爾條紋，其光強(qiáng)分布為Im(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)cos[2πf+R(x，y)]+C(x，y)cos[2πf+0(x，y)]+(3)D(x，y)cos[R(x，y)-0(x，y)]+D(x，y)cos[4πf+R(x，y)+0(x，y)](3)式中，第四項(xiàng)D(x，y)cos[R(x，y)-0(x，y)]為莫爾條紋，是有用的信息，其它幾項(xiàng)需濾波去掉。第二項(xiàng)和第三項(xiàng)為背景干涉條紋，其帶寬與第四項(xiàng)相差不很大，使得很難快速簡(jiǎn)單地濾出第四項(xiàng)，或者要限制第四項(xiàng)莫爾條紋的帶寬，從而縮小波面的測(cè)量范圍。因此，現(xiàn)有的莫爾合成方法其波面測(cè)量范圍還有待提高。
本發(fā)明提出的莫爾濾波合成法，其目的在于在合成莫爾條紋時(shí)，直接去掉(3)式中的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)，即去掉疊加在莫爾條紋中的背景干涉條紋，以增加測(cè)量波面帶寬，便于數(shù)字濾波；修正第一項(xiàng)以提高莫爾條紋的對(duì)比度，提高了信號(hào)的信噪比，從而提高移相處理莫爾條紋的精度。

發(fā)明內(nèi)容
采用虛擬干涉條紋和實(shí)際干涉條紋分別去背景(直流分量)，然后再數(shù)字相乘疊加的莫爾合成方法，去掉莫爾條紋中的背景干涉條紋，擴(kuò)展莫爾條紋的帶寬，簡(jiǎn)化低通濾波處理，節(jié)省濾波處理時(shí)間，使硬件快速實(shí)時(shí)的得到正弦分布的莫爾干涉條紋。
莫爾濾波合成法原理為分別將虛擬干涉條紋和實(shí)際干涉條紋中的背景(直流分量)去掉，從而在合成后的莫爾條紋中去掉交叉項(xiàng)，以達(dá)到去掉背景干涉條紋的目的。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的將虛擬干涉條紋的數(shù)字圖像公式(1)減去a變?yōu)镮′R(x，y)＝bcos[2πf+R(x，y)] (4)將實(shí)際干涉條紋的數(shù)字圖像公式(2)減去c(x，y)變?yōu)镮′0(x，y)＝d(x，y)cos[2πf+0(x，y)] (5)將去掉背景后的兩幅圖像數(shù)字相乘得到莫爾條紋 上式有負(fù)強(qiáng)度值，不能作為莫爾條紋的光強(qiáng)分布表達(dá)式，更無(wú)法直接顯示，需補(bǔ)上適當(dāng)?shù)闹绷鞣至?或背景)，以盡可能增大莫爾條紋的對(duì)比度。在理想情況下，莫爾條紋的振幅因子為直流背景的1/2，所以直流分量數(shù)值應(yīng)為bd(x，y)。則莫爾條紋I′m為 將(7)式簡(jiǎn)化為I′m(x，y)＝A′(x，y)+D′(x，y)cos[R(x，y)-0(x，y)]+D′(x，y)cos[4πf+R(x，y)+0(x，y)] (8)在(8)式中去掉了(3)式中的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)背景條紋，(8)式中第二項(xiàng)(莫爾條紋)與第三項(xiàng)的頻帶間隔較大，可相應(yīng)提高低通濾波的截止頻率，從而相應(yīng)增加莫爾條紋的帶寬，也即增加了被測(cè)波面的測(cè)量范圍。同時(shí)又提高了濾波的效果和縮短濾波時(shí)間，便于實(shí)時(shí)莫爾條紋顯示和移相莫爾條紋處理。
實(shí)際干涉圖的條紋對(duì)比度往往小于1，也就是d(x，y)＜c(x，y)。(3)式中A(x，y)＝ac(x，y) (9)D(x，y)＝1/2bd(x，y) (10)D(x，y)/A(x，y)＜1/2，對(duì)比度低于理論值。
式(8)中A′(x，y)＝bd(x，y)(11)D′(x，y)＝1/2bd(x，y) (12)D’(x，y)/A’(x，y)＝1/2，對(duì)比度達(dá)到理論值，所以(8)式中的莫爾條紋對(duì)比度要高于(3)式所表示的莫爾條紋。從而增加了信號(hào)強(qiáng)度，有利于提高移相莫爾處理精度。
在實(shí)施上述原理時(shí)，a，b，c(x，y)和d(x，y)的數(shù)值確定很關(guān)鍵，由于虛擬干涉條紋是一數(shù)值計(jì)算出的干涉圖，a和b可以是均勻的，可用常數(shù)表示。而實(shí)際干涉圖中的c(x，y)和d(x，y)就復(fù)雜多了，c(x，y)主要受照明光束不均勻和系統(tǒng)雜光影響。d(x，y)主要與兩束相干光的光強(qiáng)比和激光器的相干性有關(guān)。此外，c(x，y)和d(x，y)的數(shù)值穩(wěn)定性與激光器的功率穩(wěn)定性有關(guān)，如果采用穩(wěn)頻穩(wěn)功率激光器，則c(x，y)和d(x，y)的數(shù)值穩(wěn)定性還是較高的，可認(rèn)為基本不變。如果照明較均勻c(x，y)可當(dāng)作常數(shù)處理，d(x，y)也可認(rèn)為是一常數(shù)。由于實(shí)際干涉圖條紋很密，c(x，y)可采用干涉圖上各點(diǎn)光強(qiáng)求平均值的方法求得。
d(x，y)由公式(4)計(jì)算出d=I0max-I0min2---(12)]]>其中I0max和Iomin為實(shí)際干涉圖中的光路最大值和最小值。如果照明不均勻，因參考光路光強(qiáng)分布與實(shí)際干涉場(chǎng)光強(qiáng)分布相似，事先采集干涉儀參考光路返回的光強(qiáng)分布Ir(x，y)，并作歸一化處理得到修正系數(shù)K(x,y)=Ir(x,y)Irmax---(13)]]>式中Irmax為參考光強(qiáng)分布中最大值。將實(shí)際干涉圖的光強(qiáng)值I0(x，y)除以K(x，y)則得到一幅均勻的干涉圖，然后用均勻照明時(shí)的計(jì)算方法公式得到c(x，y)和d(x，y)。
c和d確定以后，就可以實(shí)現(xiàn)莫爾條紋的數(shù)字濾波合成。
虛擬干涉圖去直流項(xiàng)a可預(yù)先完成，只要干涉光路確定，K(x，y)也就相應(yīng)確定，也可預(yù)先測(cè)出，c(x，y)和d(x，y)可先試采一幅實(shí)際干涉圖計(jì)算出，對(duì)確定的被測(cè)波面c和d也是不變的，可將它們存在內(nèi)存中，在實(shí)際測(cè)量時(shí)將c實(shí)時(shí)從實(shí)際干涉圖中減去。
為提高處理速度，去c，莫爾合成，補(bǔ)A‘(x，y)和空域平滑濾波等過(guò)程要用硬件實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的有效效益是1、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。莫爾濾波合成方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，去背景干涉條紋效果顯著。
2、擴(kuò)展了莫爾測(cè)量方法的測(cè)量范圍。提高了低通濾波的截止頻率，簡(jiǎn)化濾波方法，同時(shí)可擴(kuò)展莫爾測(cè)量方法的測(cè)量范圍。


圖1是本發(fā)明的莫爾條紋的數(shù)字濾波合成流程2是實(shí)際干涉條紋預(yù)處理流程圖。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，按以下方式實(shí)現(xiàn)為便于實(shí)時(shí)莫爾濾波合成，預(yù)先對(duì)實(shí)際干涉條紋采集作預(yù)處理，以得到實(shí)際干涉條紋的相關(guān)參數(shù)，然后再采集實(shí)際干涉條紋利用預(yù)先測(cè)量得到的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行莫爾濾波合成。
實(shí)際干涉條紋往往光強(qiáng)不均勻，需對(duì)實(shí)際干涉條紋作均勻化處理。先采集干涉儀中參考光強(qiáng)，其與干涉場(chǎng)光強(qiáng)分布相似，可以其計(jì)算修正光強(qiáng)不均勻的修正系數(shù)，K(x,y)=Ir(x,y)Irmax,]]>Ir(x，y)為參考光路光強(qiáng)分布，Irmax(x，y)為光強(qiáng)最大值。將此采集的實(shí)際干涉條紋光強(qiáng)I0(x，y)除以K(x，y)就得到光強(qiáng)均勻化的實(shí)際干涉條紋I’0(x，y)。其背景(直流分量)c(x，y)和振幅d(x，y)均可認(rèn)為常數(shù)c和d，c為I’0(x，y)的平均值，d=I0max′-I0min′2,]]>A’(x，y)＝bd，將c，d，A’作為莫爾合成的待用參數(shù)儲(chǔ)存，實(shí)際干涉條紋的預(yù)處理過(guò)程完成。
在實(shí)際干涉條紋預(yù)處理工作完成后，可用預(yù)處理得到的實(shí)際干涉條紋參數(shù)，作莫爾濾波合成計(jì)算。分別將虛擬干涉條紋減去背景a和實(shí)際干涉條紋減去背景c，然后將二者相減的結(jié)果相乘作莫爾疊加，再補(bǔ)上直流背景A’，得到去掉背景干涉條紋的莫爾條紋，通過(guò)空域的低通濾波處理，便得到只有余弦光強(qiáng)分布的莫爾干涉條紋。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是莫爾濾波合成方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，去背景干涉條紋效果顯著。提高了低通濾波的截止頻率，簡(jiǎn)化濾波方法，同時(shí)可擴(kuò)展莫爾測(cè)量方法的測(cè)量范圍。為硬件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)莫爾條紋濾波奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.一種用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，其特征在于采用虛擬干涉條紋和實(shí)際干涉條紋分別去背景(直流分量)，然后再數(shù)字相乘疊加的莫爾合成方法，去掉莫爾條紋中的背景干涉條紋，擴(kuò)展莫爾條紋的帶寬，簡(jiǎn)化低通濾波處理節(jié)省濾波處理時(shí)間，使硬件快速實(shí)時(shí)的得到正弦分布的莫爾干涉條紋。
2.如權(quán)利要求1所述的一種用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，其特征在于該方法按以下具體的計(jì)算方法步驟實(shí)現(xiàn)先采集干涉儀中參考光強(qiáng)，其與干涉場(chǎng)光強(qiáng)分布相似，可以其計(jì)算修正光強(qiáng)不均勻的修正系數(shù)，K(x,y)=Ir(x,y)Irmax,]]>Ir(x，y)為參考光路光強(qiáng)分布，Irmax(x，y)為光強(qiáng)最大值。將此采集的實(shí)際干涉條紋光強(qiáng)I0(x，y)除以K(x，y)就得到光強(qiáng)均勻化的實(shí)際干涉條紋I’0(x，y)。其背景(直流分量)c(x，y)和振幅d(x，y)均可認(rèn)為常數(shù)c和d，c為I’0(x，y)的平均值，d=I0max′-I0min′2,]]>A’(x，y)＝bd，將c，d，A’作為莫爾合成的待用參數(shù)儲(chǔ)存，實(shí)際干涉條紋的預(yù)處理過(guò)程完成。
3.如權(quán)利要求1所述的一種用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，其特征在于利用預(yù)處理得到的實(shí)際干涉條紋參數(shù)，作莫爾濾波合成計(jì)算。分別將虛擬干涉條紋減去背景a和實(shí)際干涉條紋減去背景c，然后將二者相減的結(jié)果相乘作莫爾疊加，再補(bǔ)上直流背景A’，得到去掉背景干涉條紋的莫爾條紋，通過(guò)空域的低通濾波處理，便得到只有余弦光強(qiáng)分布的莫爾干涉條紋。
全文摘要
一種用于數(shù)字莫爾移相干涉術(shù)的莫爾濾波合成方法，屬于光學(xué)測(cè)量和圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。采用虛擬干涉條紋和實(shí)際干涉條紋分別去背景(直流分量)，然后再數(shù)字相乘疊加的莫爾合成方法，去掉莫爾條紋中的背景干涉條紋，擴(kuò)展莫爾條紋的帶寬，簡(jiǎn)化低通濾波處理節(jié)省濾波處理時(shí)間，以便于硬件快速實(shí)時(shí)的得到正弦分布的莫爾干涉條紋。
文檔編號(hào)G06T9/00GK1563917SQ20041003398
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月22日
發(fā)明者郝群, 朱秋冬, 丁凌 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)