基于波数扫描干涉的深度表面三维轮廓测量系统及算法研究

摘要

深度表面三维轮廓测量在复合材料检测和超精密加工领域有着广泛的应用。目前这种高精度测量技术通常基于激光干涉原理，激光波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量术是激光干涉测量的一种，是目前检测技术的重要发展方向，其基本原理是通过调制激光器的工作温度进行波数扫描，在此期间CCD相机连续采集N张光轴方向的干涉图像，最后对所有时间分辨干涉图像序列进行傅里叶变换，利用空间相位解卷绕技术高精度还原被测物体深度方向的表面三维轮廓。系统深度表面三维轮廓的测量精度取决于激光器输出波长的调制范围，而实际应用中，激光器的波数调制范围是有限的。针对上述问题，本文所做的主要工作有:　　(1)设计了一套基于激光波数扫描干涉的深度表面三维轮廓高精度测量系统;　　(2)提出一种新的数据解调算法:特征分解子空间最小二乘算法，解决了波数扫描范围变窄后，传统傅里叶变换解调物体深度表面三维轮廓精度低的问题。　　本课题主要研究内容如下:首先介绍了本文的研究背景及意义，并详细介绍了三维轮廓测量的常用方法，为了解决深度表面三维轮廓测量的问题，介绍了基于激光波数扫描干涉的深度表面三维轮廓测量法及其国内外的研究现状。接下来阐述了激光波数扫描干涉测量原理，包括激光波数扫描、波数监测、随机采样傅里叶变换理论以及建立了波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量数学模型。从理论上论证了其应用于深度表面三维轮廓测量的可行性。最后推导了通过特征分解子空间最小二乘算法计算深度方向多表面干涉峰值频率和相位的公式。并通过计算机仿真，验证了本文提出的特征分解子空间最小二乘算法应用于激光波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量系统的可行性和优越性。最后搭建了一套基于迈克尔逊干涉仪原理的深度表面三维轮廓高精度测量系统，利用该系统设计了两组实验，来验证特征分解子空间最小二乘法的性能，实验结果表明本文提出的特征分解子空间最小二乘算法可以明显提高激光波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量精度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景及意义

1．2 表面三维轮廓测量国内外研究现状

1．2．1 接触式表面三维轮廓测量

1．2．2 光学非接触式表面三维轮廓测量

1．2．3 深度表面三维轮廓测量

1．2．4 激光波数扫描深度表面三维轮廓测量存在的问题

1．3 本文主要内容和组织结构

第二章 激光波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量原理

2．1 引言

2．2 激光波数扫描

2．3 在线监测激光波数

2．4 随机采样傅里叶变换

2．5 深度表面三维轮廓测量数学模型

2．6 本章小结

第三章 基于傅里叶变换的深度表面三维轮廓测量

3．1 引言

3．2 基于傅里叶变换的深度表面三维轮廓数据解调

3．3 本章小结

第四章 基于特征分解子空间最小二乘的深度表面三维轮廓测量

4．1 引言

4．2 子空间分解数学模型

4．3 ESPRIT算法

4．3．1 ESPRIT算法原理

4．3．2 信号特征子空间和噪声子空间的划分

4．3．3 时域干涉信号到空域信号的转换

4．4 特征分解子空间最小二乘法深度表面三维轮廓数据解调

4．4．1 干涉频率估计

4．4．2 干涉相位估计

4．5 本章小结

第五章 仿真及实验

5．1 引言

5．2 特征分解子空间最小二乘算法性能仿真

5．2．1 单光强序列仿真

5．2．2 深度三表面激光波数扫描干涉仿真

5．2．3 仿真结果分析

5．3 波数扫描干涉深度表面三维轮廓测量系统设计及轮廓测量

5．3．1 深度表面三维轮廓测量系统设计

5．3．2 基于傅里叶变换的深度表面三维轮廓测量

5．3．3 基于特征分解子空间最小二乘的深度表面三维轮廓测量

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

攻读学位期间参加的课题

声明

致谢