一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法

摘要

本发明公开一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，该方法包括：获取一组干涉图像的数据信息；对干涉图像的数据信息进行振动检测分析并筛选处理出高质量干涉图组；采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息。本发明不需要外接任何振动传感装置，对通过移相式激光干涉仪所获取的干涉图组进行检测算法分析，来自动判断干涉仪获取的干涉条纹图是否受到较大的振动干扰，进而筛选出相对受振动干扰小的高质量干涉图组，再结合基于最小二乘法原理的抗振算法进行相位提取工作，可实现更优的抗振效果。

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法。

背景技术

自二十世纪末以来，移相干涉技术(Phase Shifting Interferometry，PSI)因其高分辨率、高精度的优势，逐渐取代了传统的波面测量技术并被作为一种标准波面测量技术沿用至今。PSI是以光波波长作单位的纳米级超高精度测量手段，通过移相式激光干涉仪实现，被广泛应用在光学领域中，特别是在光学系统成像质量评价和光学器件面形检测方面。

PSI虽有高的测量精度，但在现实环境应用中常常被各种外在因素影响：如：干涉仪光学元件质量、激光光源的稳定性、移相器的非线性移相、传感器噪声、环境振动等。在系统实际检测过程中，振动是干涉仪最大的误差来源。由于环境振动多且复杂，为了应对振动影响，在干涉仪的工作环境中常配备相应的隔振设施(如光学平台和隔振垫)，即便如此也很难完全消除振动的干扰。

随着时代发展和科学进步，光学领域处于飞速发展的上升期，因而对光学系统加工和测量的要求也快速提高，这导致移相式激光干涉仪因其易被振动影响的特点也越来越难达到部分应用场景的技术标准，很大程度上限制了其发展。体现在：1)光学器件加工效率受振动影响而大大降低；2)针对尺寸过大或与太空环境等特殊环境相关的光学元件，测量难度加大；3)制造加工设备与测量设备的一体化集成较难完成。

移相式激光干涉仪在外在振动较大的现实环境下是否能达到较好的抗振效果，是当前光学技术发展和面形检测中的一个重点难题。研究移相干涉抗振技术符合未来测量技术发展的大方向，对光学等领域中各类待测元件的加工和测量具有重要的现实意义。当前主流的移相干涉抗振技术根据其原理可分为两大类：主动抗振和被动抗振。

主动移相干涉抗振技术的原理是通过将振动传感器加入干涉系统中以实现对振动信号的实时探测、分析和反馈。当振动导致波前相位改变时，传感器对其改变量进行探测，探测到的信号实时传入高速芯片分析，然后发出反馈命令，通过硬件补偿或者算法补偿来实现振动的主动补偿。然而，该类技术均需要将移相干涉系统外接各式的振动传感器，以起到振动信号捕捉和补偿的作用。其关键在于振动传感器，传感器检测精度的高低影响该技术的抗振性能；虽然传感器可以完成对振动引起误差量的实时检测，并通过硬件或算法的方式补偿振动带来的误差，但补偿机制也需要预先进行严谨的设计和标定，不然可能出现“过度补偿”的情况，反而让系统的抗振性能大大降低。

被动移相干涉抗振技术没有对振动引起误差的主动补偿能力，只能通过外部装置或其他技术方法减少干涉测量过程中振动的影响，被动地减少振动对测量结果的干扰。例如最常见的被动抗振技术就是配置隔振装置。在被动移相干涉抗振技术中，除了配备隔振装置和改善振动源这两类基本的被动抗振方法以外，空间同步移相技术(SimultaneousPhase-Shifting Interferometry，SPSI)和抗振算法的应用也很广泛。SPSI因其在同一时间点下同时获取不同相位干涉图的优势，非常适合瞬时测量和振动干扰较大的环境下测量，但其也存在以下不足：1)系统的光路设计一般是非共光路，容易引入系统误差，对系统设计要求很高；2)多部CCD获取干涉图需要考虑到CCD间的光学性能差异；3)即便用单部CCD将不同移相的干涉图成像至其不同区域，也要考虑像素匹配或图像质量的问题。抗振算法因其不过分依赖硬件设施、仅通过数学模型和计算机编程即可对振动起一定抑制效果的优势，适合在硬件设施不全的场景下使用，大大降低工作成本，但不同的抗振算法也有不同的限制和不足：1)对于时域分析法，移相速度有限制，因而在获取大量干涉图的过程中容易引入过多振动干扰，该方法相对理想化；2)对于空间载频移相法，因为其引入了很大的空间载波，这会导致出现较大的非共路误差；3)迭代法易受干涉图对比度不同的干扰，导致迭代结果不准。

发明内容

针对上述现有技术无法对受到过度振动干扰的图像进行抗振处理，导致迭代结果不准的问题，本发明提供了一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，可有效从干涉仪获得的干涉图组中，筛选出符合质量要求的受干扰影响小的高质量干涉图，解决了当前大多数抗振技术在振动过大时无法获取合适结果的问题；再结合设计的基于最小二乘原理和迭代法的抗振算法，实现了移相干涉系统的抗振移相，达到了更优的抗振效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，该方法包括：

获取一组干涉图像的数据信息；

对干涉图像的数据信息进行振动检测分析并筛选处理出高质量干涉图组；

采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，具体通过压电陶瓷移相器和光电探测器获取不同移相时刻的干涉图像数据信息。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述筛选处理出高质量干涉图组的流程包括：

判断干涉图像是否符合质量要求；

如是，则采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息，然后输出高质量干涉图组的相位信息；

否则，进一步判断振动检测分析次数是否超过设定次数，若是，输出高质量干涉图组的相位信息，否则，返回获取干涉图像数据信息的步骤。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述对干涉图像的数据进行振动检测分析的流程包括：

获取一组干涉图像，每N帧为一分组；

由每N帧临近图计算出所有像素点的移相量；

统计出最多的移相量作为当前分组的移相量；

分析所有分组的移相量数值的波动情况；

求得整组干涉图像的移相稳定性和移相准确性；

判断每组干涉图像的移相稳定性和移相准确性是否达标；

如是，则对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值；如否，过滤该组干涉图组；

对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值后，统计出最多的移相量作为整组干涉图像的移相量；

分析移相量直方图宽度，评价整体移相质量；

判断整体移相质量是否达标；

如是，则保存该组干涉图组，得到该组干涉图组的面形图及计算结果；如否，过滤该组干涉图组，显示错误码及未达标原因。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述高质量干涉图组是指各干涉图组的移相稳定性、移相准确性、移相质量三项指标均低于预设的阈值。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，

所述干涉图像的移相稳定性用标准差S

所述干涉图像的移相准确性用标准差S

所述整体移相质量用S

其中，

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息的流程包括：

获取通过振动检测的干涉图组；

输入干涉图像数据；

采用解相算法提取初始相位信息，并设波动系数初值均为1；

根据初始相位信息求得移相及波动系数；

根据移相及波动系数求初始相位信息；

判断是否达到收敛精度；

如是，得到高质量干涉图组的相位结果，如否，则返回根据初始相位信息求得移相及波动系数的迭代循环的步骤。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述解相算法为多步平均法。

优选地，上述应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，所述判断是否达到收敛精度的公式如下：

式中ε为迭代精度，设定为一个小量；t表示迭代次数且大于1。

与现有技术相比，本发明不需要外接任何振动传感装置，对通过移相式激光干涉仪所获取的干涉图组进行检测算法分析，来自动判断干涉仪获取的干涉条纹图是否受到较大的振动干扰，进而筛选出相对受振动干扰小的高质量干涉图组，再结合基于最小二乘法原理的抗振算法进行相位提取工作，可实现更优的抗振效果。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明应用于移相式激光干涉仪的振动检测预处理方法流程图；

图2：移相间隔为90°的9帧移相干涉条纹图；

图3：本发明对干涉图像的数据进行振动检测分析的流程图；

图4：单组移项量统计直方图；

图5：本发明采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种应用于移相式激光干涉仪的抗振移相方法，该方法包括：

获取一组干涉图像的数据信息；

对干涉图像的数据信息进行振动检测分析并筛选处理出高质量干涉图组；

采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息。

实施中，本发明实施例移相式激光干涉仪在进行基础的调试工作后开始测量工作，通过控制压电陶瓷驱动器(PZT)移动参考镜位置或者改变激光器波长的方式，令参考光和测试光的光程差改变，从干涉图像中可看出干涉条纹进行了相应的位移。在移相过程中，本发明实施例具体通过光电探测器(CCD或者CMOS)采集不同移相量下的干涉图。

本发明实施例具体通过压电陶瓷移相器(压电陶瓷驱动器PZT)和光电探测器获取不同移相时刻的干涉图像数据信息。图2所示为一组移相间隔为90°的移相干涉图组。在上述移相干涉测量过程中，干涉图像中的条纹分布是由参考光束和测试光束叠加形成的干涉场导致，干涉场的光强信息与干涉图中像素点的灰度信息相关，其分布函数可表示为：

其中：A(x，y)是干涉图的背景光强，B(x，y)是调制度，

参考镜和被测镜间的面形差P(x，y)与位相分布的关系可表示为：

λ为激光器波长，在移相干涉测量技术中，测量单位为λ。当通过解相算法处理干涉图组的像素数据I

本发明所设计的抗振移相方法应用于移相干涉仪中，主要由振动检测算法和抗振算法组成，两者相辅相成，对通过振动检测算法筛选出的高质量干涉图组，采用抗振算法进行相位提取工作，再结合相位解包裹、面形拟合等基础工作，可实现移相干涉系统的较优抗振效果，达到更高精度的测量目的。

如图1所示，本发明实施例所述筛选出高质量干涉图组的流程包括：

判断干涉图像是否符合质量要求；

如是，则采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息，然后输出高质量干涉图组的相位信息；

否则，进一步判断振动检测分析次数是否超过设定次数，若是，输出高质量干涉图组的相位信息，否则，返回获取干涉图像数据信息的步骤。

实施中，正常的干涉图组应是沿着某个移相方向呈均匀位移的状态，干涉图像间的条纹形状或数量几乎一致，若存在较强振动干扰，则干涉图组的移相情况必定不稳定，通过研究振动干扰对干涉图像的移相影响，来分析系统所获取的干涉图组是否存在振动导致的移相特征异常情况，进而实现对振动的检测和对高质量图组的筛选。

如图3所示，本发明实施例所述对干涉图像的数据进行振动检测分析的流程包括：

获取一组干涉图像，每N帧(N≥2，N为自然数)为一分组；

由每N帧临近图计算出所有像素点的移相量；

统计出最多的移相量作为当前分组的移相量；

分析所有分组的移相量数值的波动情况；

求得整组干涉图像的移相稳定性和移相准确性；

判断每组干涉图像的移相稳定性和移相准确性是否达标；

如是，则对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值；如否，过滤该组干涉图组；

对每个像素点在所有分组对应的移相量累加并取平均值后，统计出最多的移相量作为整组干涉图像的移相量；

分析移相量直方图宽度，评价整体移相质量；

判断整体移相质量是否达标；

如是，则保存该组干涉图组，得到该组干涉图组的面形图及计算结果；如否，过滤该组干涉图组，显示错误码及未达标原因。

本发明根据特定的算法逻辑，分析干涉图像中的移相特征信息，以判断出干涉系统所获取的干涉条纹图像是否受到较强的振动影响，进而确定干涉图像的质量优劣。若某组干涉移相图组可通过振动检测，则说明其受振动影响的程度在可接受的合适范围内，再通过抗振算法处理后的面形图更稳定和准确，且有较好的抗振效果；若不能通过检测，说明此图组受振动干扰较大，即便求解所得的结果也与真实情况相差较大，对其进行过滤可大大减少系统做的无意义运算工作，提高系统运行效率。

优选地，本发明所述高质量干涉图组是指各干涉图组的移相稳定性、移相准确性、移相质量三项指标均低于预设的阈值。

具体实施中，本发明实施例当获取到K帧的移相干涉条纹图(假设尺寸大小为540×720，pixel像素单位)后，取每帧图像中心区域尺寸大小为271×271的像素数据，并将其作为样本区域。干涉图组中每五帧图作为一个移相量计算分组，根据特定的移相求解公式能计算出每个像素点对应的移相量

对每个移相量计算分组解得的移相量

实施中，干涉移相图组整体质量越佳，则统计的移相数值越集中且靠近预设移相值(一般为90°)；若因外在扰动导致某些像素信息出现偏差，以致计算出复数、NAN值或非预设值，则统计的移相数值分布区域会扩大，并导致在最终结果中有较多的区域未获得理想的结果，即出现所谓的“振动条纹”。对单分组计算移相量并统计，其移相数值分布直方图如图4，图中最高点对应的移相量即

实施中，总组数L等于K-4，对L组求得的L个移相量

同理，也可知移相的准确性，一般移相以90°为基准，即衡量各组所解得的移相量和90°的差距。移相准确性用标准差S

这两个标准差是检测振动非常关键的两项指标。标准差越小则表明该组干涉移相图组的移相情况越好，即图组移相特征不仅稳定且准确，也说明干涉图组移相过程中的移相值受振动影响越小，对其进行解相等系列运算所得结果更优。

对样本区域每个像素点而言，将其在L组中分别对应的移相量

该指标越小说明整体干涉移相图组的移相质量较优，可用求得的极值数据作为整体的移相量，也说明干涉图组整体的数据信息受振动影响越小，所得结果携带的“振动条纹”更少。

由上可知，若S

本发明从算法层面提取干涉图中隐含的特征信息，以达到筛选出较好干涉图组的目的，减少了系统不必要的计算，较大幅度增强了干涉测量的稳定性和准确性，在客户群体中反映极佳；除此之外，其不需要增加任何硬件成本，符合企业的实际发展需求。

如图5所示，本发明实施例采用抗振算法提取高质量干涉图组的相位信息的流程包括：

获取通过振动检测的干涉图组；

输入干涉图像数据；

采用解相算法提取初始相位信息，并设波动系数初值均为1；

根据初始相位信息求得移相及波动系数；

根据移相及波动系数求初始相位信息；

判断是否达到收敛精度；

如是，得到高质量干涉图组的相位结果，如否，则返回根据初始相位信息求得移相及波动系数的迭代循环的步骤。

本发明实施例抗振算法主要过程分为预处理、移相量计算、相位分布计算和迭代中断判断。

预处理：将通过振动检测分析的干涉图组数据输入，采用传统的解相算法(本发明选用多步平均法)进行首次解相工作，假设图像数量为9帧，则采用9A平均算法，以此类推，9A平均算法的公式为：

此时可以得到初始的相位信息，设置背景光强和调制度的波动系数均为1，至此预处理过程完成，开始进行抗振算法迭代流程，如图5所示虚线框内的流程为迭代过程。

移相量计算：将分布函数

改写为：

式中i表示干涉图的序号，共有M帧干涉图；j表示干涉图中像素序号，共有N个像素点，A和B分别是背景光强和调制度，m和n分别是其他帧图像与第一帧图像相比的背景光和调制度波动系数。

假设A和B与像素序号j无关，则可以把上述公式

干涉光强的理论值I′

再结合最小二乘原理有：

X

则可以从解向量X

δ

相位分布计算：再假设A和B与干涉图序号i无关，只与像素序号j有关，则可以把A和B分别表示为A

因此将公式

改写为：

I′

根据最小二乘原理得公式

X

则可以从解向量得到相位分布：

循环迭代与收敛：上述“相位分布计算”和“移相量计算”两个计算过程反复进行构成迭代循环，直到满足以下收敛条件时结束：

式中ε为迭代精度，一般设定为一个小量；t表示迭代次数且大于1，实际上在实验过程中当迭代6到8次后数值后相位计算值便不再有大的变化，所以一般迭代8次就足够了。

本发明在经由振动检测算法分析后筛选的干涉图组，本身图像质量已经符合要求，为了进一步补偿振动带来的影响，采用基于一种迭代算法作为系统的抗振算法，该算法基于最小二乘原理以实现相位求解，当迭代结果收敛至低于预设精度后，认为当前解符合要求，此时的相位信息已经极大程度上减轻了振动带来的干扰。

综上，本发明提供了一种结合振动检测方法和抗振算法的抗振移相方法。通过本发明，基于移相干涉技术原理的移相干涉系统可实现较优的抗振效果，提高检测的精度和稳定性。本发明应用于移相式激光干涉仪的振动检测预处理方法增强了移相干涉系统的抗振能力，在一定程度上也提高了系统的智能化程度，并自动筛选出符合要求的高质量干涉图组。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。