基于形貌相关计算的三维位移测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及对物体的三维位移测量，特别是一种基于形貌相关计算的三维位移测 量方法，该方法对待测物体不需要作任何的要求与处理，一次测量通过计算即可实现对物 体三维位移测量。该方法操作简单，精度较高，对待测目标要求低，因此应用范围较广。
【背景技术】
[0002] 空间三维位移测量对于日常生活、工业生产和科学研究都非常重要。对于人类和 很多动物来说，三维定位是通过双眼对同一物体的不同视角来实现，而目前所使用的诸多 定位方法都或多或者少地采用了类似的原理，即通过在不同的角度对物体进行观测或拍照 并比较所拍摄图像的差别（位移或变型）并基于几何原理计算物体的空间分布，从而达到 空间定位的目的。
[0003] 目前对小目标物体的位移测量定位方式主要有三种：
[0004] 目视几何测量法是通过目视观测待定位物体相对摄像机的空间位置变化来实现 二维位移测量，三个摄像机同时使用实现三维位移测量。这种方法较为直接方便，但基于目 视观测时误差较大（目前SG II靶场靶丸位移测量就是用该方法）。
[0005] 激光测距法，这种方法通过测量待测物体相对于测距机的位置来实现位移测量目 的，测量精度较高但是首先需要合作目标，往往每次只能测一个维度，若要三维位移测量， 则需要三个正交的测距仪分别测量，系统较为复杂。
[0006] 数字散斑相关测量法的思想在上世纪80年代初才被首次由日本学者I Yamaguchi 提出（参见 Yamaguchi I. Simplified laser-speckle strain gauge, Opt. Eng.，1982, 21 (3) :436-440.)。1983年，Peters第一次使用了数字散斑相关方法 测量 了物体的位移（参见 Peters, W. F. Ranson, M. A. Sutton, T. C. Chu, J. Anderson. Application of digital correlation Methods to rigid body Mechanics, Opt. Eng.，1983, 22(6)，738-742)
[0007] 数字散斑相关是通过计算分析物体在运动过程中的产生的散斑图的相关系数，通 过相关程度来测量物体的位移或形变，从而实现对物体的空间位移测量。这种方法的优点 是测量精度高，可以实现亚微米测量，但缺点是对照明均匀度要求高，需要对待测目标进行 人工斑化处理，且一次只能进行二维测量。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提出了一种基于形貌相关计算的三维位移测量方法，该方法对待 测物体不需要作任何的要求与处理，一次测量通过计算即可实现对物体三维位移测量，该 方法具有操作简单、精度较高、对待测目标要求低和应用范围较广的特点。
[0009] 本发明的技术解决方案如下：
[0010] 一种基于形貌相关计算的三维位移测量方法，其特点在于该方法包括如下步骤：
[0011] ①搭建测量光路：该光路由干涉部分和光谱系统组成；所述的干涉部分包括超连 续宽带激光光源、宽带光隔离器、分光器、第一偏振控制系统、第二偏振控制系统、第一准直 系统、宽带反射镜、第二准直系统、二维扫描振镜和聚焦系统；其位置如下：
[0012] 所述的超连续宽带激光光源出射激光通过宽带光隔离器、分光器的端口 a进入所 述分光器，分为参考光与探测光，参考光从所述分光器的端口 b输出，经第一偏振控制系统 控制偏振，经第一准直系统准直，再由宽带反射镜反射，经所述第一准直系统、第一偏振控 制系统，由端口 b进入所述分光器，从端口 a和端口 d分别输出，从端口 a输出光由所述宽带 光隔离器隔离；所述的探测光从所述分光器的端口 c输出，经第二偏振控制系统控制偏振， 经第二准直系统准直，然后经过二维扫描振镜与聚焦系统对待测物体进行逐点二维扫描， 被待测物体反射后依次经过所述的聚焦系统、二维扫描振镜、第二准直系统、第二偏振控制 系统由分光器的端口 c进入所述分光器，从端口 a、端口 d分别输出，从端口 a输出光有所述 宽带光隔离器隔离，返回的探测光与参考光都汇聚到端口 d发生干涉；
[0013] 所述的光谱系统包括第三准直系统、色散元件、聚焦系统、条纹相机和计算机，其 位置如下：由干涉部分从d端口出射的干涉光直接入射到第三准直系统中准直，然后在色 散元件后发生色散，再由聚焦系统聚焦至条纹相机，该条纹相机输出的数据传输至计算机 显示并被记录；
[0014] ②对所述光谱系统进行标定：标定的目的是找出条纹相机中等k分布的插值点； 标定所需光路包括超连续宽带激光光源、宽带分光棱镜、第一宽带反射镜和第二宽带反射 镜，标定方法如下：
[0015] 所述的超连续宽带激光光源出射激光，在自由空间中被宽带分光棱镜分为反射光 束和透射光束，所述的反射光束经所述的第一宽带反射镜，反射经所述的宽带分光棱镜进 入所述光谱系统；所述的透射光束经经所述的第二宽带反射镜反射返回经过所述宽带分光 棱镜入射到所述光谱系统，两束光在所述光谱系统中发生干涉，干涉信号被条纹相机记录 并传输至计算机，干涉条纹的光强分布记为数组I 1，设条纹相机的像素点数为M，则I1为具 有M个数值的数组，精确移动所述第二宽带反射镜的距离Z tl，记录此时的干涉条纹的光强分 布为数组I2;
[0016] 使用计算机提取数组I1第一个点与最后一点的相位分别为％、叫，令
【主权项】
1. 一种基于形貌相关计算的三维位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤： ① 搭建测量光路：该光路由干涉部分和光谱系统（17)组成； 所述的干涉部分包括超连续宽带激光光源（1)、宽带光隔离器（2)、分光器（3)、第一偏 振控制系统（4)、第二偏振控制系统（5)、第一准直系统（6)、宽带反射镜（7)、第二准直系统 (8)、二维扫描振镜（9)和聚焦系统（10);其位置如下： 所述的超连续宽带激光光源（1)出射激光通过宽带光隔离器（2)、分光器（3)的端口 a进入所述分光器（3)，分为参考光与探测光，参考光从所述分光器（3)的端口 b输出，经第 一偏振控制系统（4)控制偏振，经第一准直系统（6)准直，再由宽带反射镜（7)反射，经所 述第一准直系统(6)、第一偏振控制系统（4)，由端口 b进入所述分光器（3)，从端口 a和端 口 d分别输出，从端口 a输出光由所述宽带光隔离器（2)隔离；所述的探测光从所述分光器 (3)的端口 c输出，经第二偏振控制系统（5)控制偏振，经第二准直系统（8)准直，然后经 过二维扫描振镜（9)与聚焦系统（10)对待测物体进行逐点二维扫描，被待测物体反射后依