变形检测系统及变形检测方法

1.本发明涉及光学技术领域，尤其是涉及一种变形检测系统及变形检测方法。


背景技术：

2.激光器发出的光质量纯净、光谱稳定可以在很多方面被应用。在使用过程中，激光器发出的激光光束轴与接收位置的中心孔径须对准，当激光光束轴与接收位置的中心孔径之间会出现偏移时，会导致接收装置接收到的激光光束产生变化，因此，激光器可以应用于对房屋或桥梁等建筑物的变形检测。目前基于激光器对建筑物的变形检测技术，主要通过分析光束相位的变化进行测量，需要搭建干涉光路图，存在检测方式复杂且检测精度较低的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种变形检测系统及变形检测方法，能够提升待检测对象的变形检测精度，且无需搭建干涉光路，降低了变形检测的复杂度。
4.为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
5.第一方面，本发明实施例提供了一种变形检测系统，包括：发射装置和接收装置，所述发射装置设置于待检测对象的监测点处，所述接收装置设置于所述待检测对象的接收点处，所述发射装置包括激光器和空间光调制器；所述空间光调制器用于将所述激光器发射至所述接收装置的激光转换为涡旋光束；所述接收装置用于将所述涡旋光束转换为螺旋谱，基于所述螺旋谱判断所述待检测对象是否产生变形。
6.进一步，所述接收装置包括：相关图像传感器及变形检测设备；其中，所述空间光调制器位于所述激光器和所述相关图像传感器之间，所述相关图像传感器的输出端与所述变形检测设备连接；所述相关图像传感器用于将所述涡旋光束由光信号转换为电信号并输出至所述变形检测设备；所述变形检测设备用于基于所述电信号构建所述螺旋谱，并基于所述螺旋谱确定所述涡旋光束的光轴与所述接收装置的中心轴之间的偏移距离，根据所述偏移距离判断所述待检测对象是否产生变形。
7.进一步，所述变形检测系统还包括分束器和相移器；所述分束器设置于所述激光器和所述空间光调制器之间；所述分束器用于将所述激光器发射的激光划分为两部分，并分别传输至所述空间光调制器和所述相移器。
8.进一步，所述相移器还与所述相关图像传感器连接；所述相移器用于将经过的激光生成多个不同相位的激光，以作为外差干涉的参考信号。
9.第二方面，本发明实施例还提供了一种变形检测方法，应用于第一方面任一项所述变形检测系统，所述方法包括：基于所述空间光调制器将所述激光器发射至所述接收装置的激光转换为涡旋光束；基于所述接收装置将所述涡旋光束转换为螺旋谱；基于所述螺旋谱判断所述待检测对象是否产生变形。
10.进一步，所述基于所述接收装置将所述涡旋光束转换为螺旋谱的步骤，包括：基于
所述接收装置中的相关图像传感器将所述涡旋光束由光信号转换为电信号并输出至所述接收装置中的变形检测设备，以使所述变形检测设备基于所述电信号构建所述螺旋谱。
11.进一步，所述基于所述接收装置中的相关图像传感器将所述涡旋光束由光信号转换为电信号并输出至所述接收装置中的变形检测设备，以使所述变形检测设备基于所述电信号构建所述螺旋谱的步骤，包括：基于所述接收装置中的相关图像传感器将所述涡旋光束在感光面上的光像转换为多路电信号；基于所述多路电信号确定所述涡旋光束的振幅和相位，基于所述涡旋光束的振幅和相位构建所述螺旋谱。
12.进一步，所述多路电信号包括g1，g2和g3，所述振幅为，所述振幅为所述相位为
13.进一步，所述基于所述螺旋谱判断所述待检测对象是否产生变形的步骤，包括：获取所述螺旋谱的谐波分量的相对能量，获取各螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系；基于所述螺旋谱的谐波分量的相对能量及所述螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系，确定所述涡旋光束的光轴与所述接收装置的中心轴之间的偏移距离，根据所述偏移距离判断所述待检测对象是否产生变形。
14.第三方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面任一项所述的方法的步骤。
15.本发明实施例提供了一种变形检测系统及变形检测方法，该变形检测系统包括：发射装置和接收装置，发射装置设置于待检测对象的监测点处，接收装置设置于待检测对象的接收点处，发射装置包括激光器和空间光调制器；空间光调制器用于将所述激光器发射至接收装置的激光转换为涡旋光束；接收装置用于将涡旋光束转换为螺旋谱，基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形。本发明通过先将激光转换为涡旋光束，并根据涡旋光束的螺旋谱判断待检测对象是否产生变形，可以准确判断出待检测对象是否产生了变形，提升了待检测对象的变形检测精度，且无需搭建干涉光路，降低了变形检测的复杂度。
16.本发明实施例的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明实施例的上述技术即可得知。
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域谱通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示出了本发明实施例所提供的一种变形检测系统结构示意图；
20.图2示出了本发明实施例所提供的一种lg
01
光束的螺旋谱分布图；
21.图3示出了本发明实施例所提供的一种变形光束的螺旋谱分布图；
22.图4示出了本发明实施例所提供的另一种变形检测系统结构示意图；
23.图5示出了本发明实施例所提供的一种变形检测方法流程图；
24.图6示出了本发明实施例所提供的一种发射光束与接收装置的位置关系图；
25.图7示出了本发明实施例所提供的一种各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移量变化的关系曲线。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
27.本实施例提供了一种变形检测系统，参见如图1所示的变形检测系统结构示意图，该系统包括：发射装置10和接收装置20，发射装置10设置于待检测对象的监测点处，接收装置20设置于待检测对象的接收点处，发射装置包括激光器和空间光调制器。
28.上述待检测对象可以是任意需要进行变形检测的物体，诸如可以是房屋或桥梁等建筑物。上述监测点和接收点可以为待检测对象未变形时预先在待检测对象上设置的，上述监测点可以是在待检测对象产生变形时待检测对象上会产生较为明显位移的位置点，上述接收点可以是能够接收到监测点处的发射装置发射出的激光光束的位置点。
29.当待检测对象未变形时，将发射装置10在监测点处发出的激光光束光轴与接收装置20在接收点处时的中心孔径处于对准状态。上述监测点可以设置为恰好能放下上述发射装置的位置点，上述接收点可以设置为恰好能放下上述接收装置的位置点。当需要监测待检测对象是否产生了变形时，将控制发射装置发射激光光束，以使接收装置根据该光束判断待检测对象是否产生了变形。
30.上述发射装置10包括激光器11和空间光调制器12，空间光调制器12用于将激光器11发射至接收装置20的激光转换为涡旋光束。激光器11发射的激光经过空间光调制器12显示的相位光栅后，生成涡旋光束。
31.上述接收装置20用于将涡旋光束转换为螺旋谱，并基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形。基于螺旋谱判断发射装置是否与接收装置对准，如果是，确定待检测对象未产生变形；如果否，确定待检测对象产生了变形。
32.上述螺旋谱即为涡旋光束的轨道角动量谱，通过对涡旋光束进行轨道角动量分析，可以将涡旋光束展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成轨道角动量谱，也称为螺旋谱。由于涡旋光束的轨道角动量分布即螺旋谱包括较多的信息，通过基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形，可以准确确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，提升了待检测对象变形检测的精确度。
33.当待检测对象未发生变形，发射装置所在的监测点未产生位移，发射装置发射的激光光束的光轴与接收装置的中心孔径是对准状态，接收装置接收到的涡旋光束的螺旋谱分布与空间光调制器发出的涡旋光束具有相同的螺旋谱分布；当激光发射装置发生变形，发射装置所在的监测点产生位移，导致发射装置发射的激光光束光轴与接收装置的接收中心孔径之间出现了偏移，激光光束光轴与接收装置的中心孔径是未准状态，引起接收装置接收到的涡旋光束的螺旋谱弥散，即涡旋光束的能力会分给相邻态，从而可以判断待检测
对象是否产生了变形。
34.在一个示例中，设空间光调制器发出的涡旋光束为lg01光束，参见如图2所示的lg
01
光束的螺旋谱分布图，图1中的横轴m为各谐波分量的拓扑荷数，纵轴p为各分量对应的相对能量。当接收装置接收到的涡旋光束的螺旋谱分布与图1所示的螺旋谱分布相同时，确定基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形，即待检测对象未发生变形；当接收装置接收到的涡旋光束的螺旋谱分布如图3所示时，引起了被接收光束的螺旋谱弥散，m＝1的涡旋光束的能量会分给相邻轨道角动量态m上，激光光束光轴与接收装置的中心孔径是未准状态，即待检测对象发生了变形。
35.本实施例提供的上述变形检测系统，通过先将激光转换为涡旋光束，并根据涡旋光束的螺旋谱判断待检测对象是否产生变形，可以准确判断出待检测对象是否产生了变形，提升了待检测对象的变形检测精度，且无需搭建干涉光路，降低了变形检测的复杂度。
36.在一个实施例中，上述接收装置20包括：相关图像传感器21(correlation image sensor，cis)及变形检测设备22；其中，空间光调制器12位于激光器11和相关图像传感器21之间，相关图像传感器21的输出端与变形检测设备22连接。
37.相关图像传感器21用于将涡旋光束由光信号转换为电信号并输出至变形检测设备22。接收位置处的cis相关图像传感器21利用光电器件转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，并将该电信号输出至变形检测设备，使变形检测设备基于相关图像传感器21输出的电信号获得光束的振幅和相位。
38.变形检测设备22用于基于电信号构建螺旋谱，并基于螺旋谱确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，根据偏移距离判断待检测对象是否产生变形。变形检测设备22基于相关图像传感器输出的多路电信号确定涡旋光束的振幅和相位，基于涡旋光束的振幅和相位构建螺旋谱。变形检测设备22获取螺旋谱的谐波分量的相对能量，获取各螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系；基于螺旋谱的谐波分量的相对能量及螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系，确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离。该偏移距离即为监测点与接收点之间的偏移距离，当该偏移距离等于0时，确定待检测对象未产生变形；当该偏移距离不等于0时，确定待检测对象产生了变形。
39.上述cis相关图像传感器可以输出3个电信号g1，g2和g3，变形检测设备根据该电信号可以计算得到涡旋光束的振幅和相位
40.变形检测设备22基于相关图像传感器输出的电信号确定涡旋光束的振幅和相位，根据涡旋光束的振幅和相位可以构建螺旋谱，任何一束光束，其振幅均可用螺旋谱波函数展开，将光束展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成轨道角动量谱，也称为螺旋谱，根据该螺旋谱确定各谐波分量的能量在总能量中的权重占比，即权重因子，获取预先仿真模拟得到的各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移距离变化的关系图，根据计算得到的各谐波分量的相对能量及各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移距离变化的关系图，可以确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的横向偏移距离。
41.在一个实施例中，参见如图4所示的另一种变形检测系统结构示意图，变形检测系
统还包括：分束器41和相移器42。
42.如图4所示，分束器41设置于激光器10和空间光调制器11之间；分束器41用于将激光器10发射的激光划分为两部分，并分别传输至空间光调制器11和相移器42。
43.相移器42还与相关图像传感器21连接；相移器用于将经过的激光生成多个不同相位的激光，以作为相关图像传感器21的外差干涉的参考信号。
44.上述相移器的数量可以为两个，激光器10发射的激光经过分束器41后分成两部分，一部分经过空间光调制器显示的相位光栅后生成涡旋光束，另一部分经过两个相移器后产生3个不同相位的激光，以作为相关图像传感器的外差干涉的参考信号。相移器产生2π/3的相移，通过设置2个相移器可以产生3束相位之间相差2π/3的参考信号至相关图像传感器21。通过基于相移器将外差干涉的参考信号反馈至相关图像传感器，使相关图像传感器基于涡旋光束及外差干涉的参考信号输出多路电信号。
45.相关图像传感器可用于帮助测得涡旋光束的振幅a和相位当涡旋光束和三束相位相差2π/3的参考信号vi，i＝1,2,3输入进相关图像传感器时，相关图像传感器根据三束参考信号将涡旋光束在感光面上的光像转换为多路电信号，产生相应的三个输出gi，i＝1,2,3，变形检测设备基于这三个输出则可求得涡旋光束的振幅和相位
46.相关图像传感器中的像素电路包含光电探测器以及具有单独电容加载和读出开关的源极耦合mos晶体管，能将接收到的涡旋光束与3束相位不同的参考信号进行时域相关积分，相关积分的结果存储为电容器中的电荷，再通过mos扫描电路读出，从而输出三路电信号gi，i＝1,2,3。
47.本实施例提供的上述变形检测系统，通过利用涡旋光束的螺旋谱进行变形检测，可以准确检测得到发射装置发射的涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，提升了对待检测对象的变形检测的准确性，实现方式简单，所需设备也更为简单。
48.本实施例提供了一种变形检测方法，应用于上述实施例提供的变形检测系统，参见图5所示的变形检测方法流程图，该方法包括以下步骤：
49.步骤s502，基于空间光调制器将激光器发射至接收装置的激光转换为涡旋光束。
50.激光器发射的激光经过空间光调制器显示的相位光栅后，生成涡旋光束。
51.步骤s504，基于接收装置将涡旋光束转换为螺旋谱。
52.上述螺旋谱即为涡旋光束的轨道角动量谱，通过对涡旋光束进行轨道角动量分析，可以将涡旋光束展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成螺旋谱。
53.步骤s506，基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形。
54.根据该螺旋谱确定各谐波分量的能量在总能量中的权重占比，即权重因子，获取预先仿真模拟得到的各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移距离变化的关系图，根据计算得到的各谐波分量的相对能量及各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移距离变化的关系图，可以确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的横向偏移距离。当该偏移距离等于0时，确定待检测对象未产生变形；当该偏移距离不等于0时，确定待检测对象产生了变形。
55.本实施例提供的上述变形检测方法，通过先将激光转换为涡旋光束，并根据涡旋
光束的螺旋谱判断待检测对象是否产生变形，可以准确判断出待检测对象是否产生了变形，提升了待检测对象的变形检测精度，且无需搭建干涉光路，降低了变形检测的复杂度。
56.在一个实施例中，本实施例提供了基于接收装置将涡旋光束转换为螺旋谱的具体实施方式：
57.基于接收装置中的相关图像传感器将涡旋光束由光信号转换为电信号并输出至接收装置中的变形检测设备，以使变形检测设备基于电信号构建螺旋谱。
58.基于接收装置中的相关图像传感器将涡旋光束在感光面上的光像转换为多路电信号。接收位置处的相关图像传感器利用光电器件转换功能将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号，相关图像传感器输出多路电信号至变形检测设备中。
59.基于多路电信号确定涡旋光束的振幅和相位，基于涡旋光束的振幅和相位构建螺旋谱。变形检测设备基于相关图像传感器输出的多路电信号计算涡旋光束的振幅和相位。
60.在一种具体的实施方式中，上述变形检测系统包括两个相移器，上述多路电信号包括g1，g2和g3三路电信号，振幅为相位为
61.任何一束光束，其振幅e(x,y,z)均可用螺旋谐波展开。光束展开成螺旋谐波函数的线性叠加，便形成螺旋谱，将任意光场分布按螺旋谱谐波展开，可以得到如下公式
[0062][0063]
其中，
[0064]
光束的能量可以写成而螺旋谐波上的能量为则可以求得为该螺旋谐波的相对能量为也就是各谐波分量的权重因子，即得到螺旋谱。
[0065]
其中，(r,φ,z)为圆柱坐标系，u表示光束的光场，m为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态，ε0为真空介电常数。
[0066]
在一个实施例中，基于螺旋谱判断待检测对象是否产生变形的实施方式可以包括如下步骤(1)～步骤(2)：
[0067]
步骤(1)：获取螺旋谱的谐波分量的相对能量，获取各螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系。
[0068]
获取根据涡旋光束的振幅和相位建立的螺旋谱，检测该螺旋谱的螺旋谐波分量的相对能量。根据光束偏移对涡旋光束轨道角动量信息的影响关系，预先利用计算机仿真模拟出各螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系，并存储在变形检测设备中，以便使变形检测设备根据测得的涡旋光束的螺旋谱的谐波分量的相对能量即可得到涡旋光束
的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，即待检测对象上监测点与接收点的偏移距离。
[0069]
诸如，当涡旋光束被发射出去后，参见如图6所示的发射光束与接收装置的位置关系图，图6中的立方体为相关图像传感器，在传输距离z处的接收装置与光束之间出现横向偏移，光束的横向位移为(x0,y0)，把上式转化到圆柱坐标系中，并设x0＝dcosξ，y0＝dsinξ，d为光束轴和接收系统轴之间的偏移量，ξ是光束轴的偏移方向。则在z处，未对准光束的表达式为：
[0070][0071][0072]
其中，w0为光斑半径，z0为瑞利距离，s为拓扑荷，p为径向量子数(为计算方便一般考虑p＝0的情况)，为连带拉盖尔多项式，a为归一化常数，im为m阶第一类修正贝赛尔函数，jn为n阶第一类贝赛尔函数，m为螺旋谱各谐波分量对应的轨道角动量态。
[0073]
根据上述的光束表达式可以用计算机仿真模拟出各螺旋谐波分量的相对能量随监测点的横向偏移距离变化的关系图，参见如图7所示的各螺旋谐波分量的相对能量随横向偏移量变化的关系曲线，该曲线图可以体现出各螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系。
[0074]
步骤(2)：基于螺旋谱的谐波分量的相对能量及螺旋谐波分量的相对能量随偏移距离的变化关系，确定涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，根据偏移距离判断待检测对象是否产生变形。
[0075]
将测得的螺旋谱的谐波分量的相对能量代入上述螺旋谐波分量的相对能量随(监测点的)偏移距离的变化关系，可以根据螺旋谐波分量的相对能量反推出监测点的偏移距
离(即涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离)。该偏移距离即为监测点与接收点之间的偏移距离，当该偏移距离等于0时，确定待检测对象未产生变形；当该偏移距离不等于0时，确定待检测对象产生了变形。诸如，当选用涡旋光束的光斑半径w0为1mm，而测得的m＝1的谐波分量的相对能量为0.8，由图7可得到偏移距离d为0.4*w0，即监测点相对于接收点的偏移距离为0.4mm。
[0076]
本实施例提供的上述变形检测方法，通过利用涡旋光束的螺旋谱进行变形检测，可以准确检测得到涡旋光束的光轴与接收装置的中心轴之间的偏移距离，实现方式简单，所需设备也更为简单，同时也能更为准确的检测变形。
[0077]
本实施例所提供的方法，其实现原理及产生的技术效果和前述实施例相同，为简要描述，方法实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
[0078]
本发明实施例提供了一种电子设备，电子设备包括处理器、存储器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例提供的方法的步骤。
[0079]
本发明实施例提供了一种计算机可读介质，其中，所述计算机可读介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使所述处理器实现上述实施例所述的方法。
[0080]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统具体工作过程，可以参考前述实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0081]
本发明实施例所提供的变形检测系统及变形检测方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0082]
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的谱通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0083]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0084]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0085]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明
的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。