剪切散斑干涉技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

王永紅，呂有斌，高新亞，但西佐，楊連祥，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.美國(guó)奧克蘭大學(xué) 機(jī)械工程系，羅切斯特 48309)

剪切散斑干涉技術(shù)及應(yīng)用研究進(jìn)展

王永紅1*，呂有斌1，高新亞1，但西佐1，楊連祥1，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 儀器與光電工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.美國(guó)奧克蘭大學(xué) 機(jī)械工程系，羅切斯特 48309)

剪切散斑干涉技術(shù)是一種非接觸測(cè)量物體變形缺陷的光學(xué)無損測(cè)量方法，其通過計(jì)算物體變形前后的散斑圖中的相位獲取被測(cè)物的應(yīng)變?nèi)毕菪畔?。近年來該技術(shù)在航空、航天等工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文從系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)、散斑圖像處理技術(shù)兩方面介紹了剪切散斑干涉技術(shù)的研究進(jìn)展，詳細(xì)論述了多種剪切裝置實(shí)現(xiàn)大視角測(cè)量、空間載波實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量、多種圖像處理算法的一系列剪切散斑干涉技術(shù)；最后介紹了剪切散斑干涉技術(shù)的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展，展望了剪切散斑干涉技術(shù)在動(dòng)態(tài)測(cè)量、光滑表面測(cè)量及定量反算形變量等方面的發(fā)展趨勢(shì)。

剪切散斑干涉；大視角；動(dòng)態(tài)測(cè)量；圖像處理

1 引 言

剪切散斑干涉技術(shù)是運(yùn)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理等現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展起來的全場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)，其通過測(cè)量物體變形前后的相位信息來獲取被測(cè)物的變形、應(yīng)變和缺陷信息。20世紀(jì)70年代，人們?cè)陔娮由吒缮?ESPI)的基礎(chǔ)上提出剪切散斑干涉技術(shù)(shearography)[1-2]，它的優(yōu)點(diǎn)是2束物光互相干，不需額外引入?yún)⒖脊?，從而?jiǎn)化了光路，其所用的激光器相干長(zhǎng)度較小，降低了對(duì)測(cè)量環(huán)境的隔振要求。經(jīng)過不斷的研究發(fā)展，該技術(shù)在航空、航天、材料和機(jī)械等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可對(duì)航天飛行器和飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼控制面、游艇殼體、風(fēng)力發(fā)電葉片及雷達(dá)罩等復(fù)合材料構(gòu)件的分層、脫粘、假粘、皺折、裂紋、撞擊損傷等缺陷進(jìn)行無損檢測(cè)[3]。Shearography技術(shù)還可應(yīng)用于殘余應(yīng)力表征、振動(dòng)分析、應(yīng)變測(cè)量、材料特性檢測(cè)等。剪切散斑干涉的測(cè)量過程是通過CCD記錄物體變形前后的散斑圖，并對(duì)散斑圖進(jìn)行相位相減、濾波、解包裹[4-5]等一系列圖像處理后獲得被測(cè)物的變形和應(yīng)變信息。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員圍繞shearography做了大量研究。針對(duì)測(cè)量視場(chǎng)角較小的問題，提出了在原有的剪切散斑光路中植入4f系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了測(cè)量視場(chǎng)角的增大[5]。針對(duì)原先系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)物體的問題，提出了空間相移技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量[6]。隨著新的光路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的研究，shearography測(cè)量速度更快，更精確，應(yīng)用更廣泛。本文將從剪切散斑干涉關(guān)鍵技術(shù)、散斑干涉條紋處理及國(guó)內(nèi)外剪切散斑干涉技術(shù)應(yīng)用等方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 剪切散斑干涉關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

20世紀(jì)70年代初，Leendertz和Hung分別對(duì)剪切散斑干涉技術(shù)進(jìn)行了研究，他們使用不同的剪切裝置得到了散斑圖。20世紀(jì)80年代，剪切散斑技術(shù)名詞出現(xiàn)[7]，并得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可。傳統(tǒng)的剪切裝置類型有邁克爾遜型、馬赫曾德型、反射性光楔型、菲涅爾棱鏡型、渥拉斯頓型等。剪切散斑干涉技術(shù)將被測(cè)物上兩個(gè)相鄰物點(diǎn)的散射光通過剪切裝置相互干涉，并在CCD上成像于一點(diǎn)，從而形成散斑。目前剪切散斑干涉關(guān)鍵技術(shù)有以下幾方面研究熱點(diǎn)：傳統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng)視場(chǎng)角較小限制其發(fā)展應(yīng)用，而實(shí)際應(yīng)用中大視場(chǎng)測(cè)量成為急需解決的問題；此外，在工業(yè)應(yīng)用中需滿足實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量要求，使得近年來動(dòng)態(tài)測(cè)量成為研究熱點(diǎn)。下面針對(duì)這兩方面關(guān)鍵技術(shù)介紹研究進(jìn)展。

2.1 基于大視場(chǎng)的剪切散斑干涉系統(tǒng)

圖1 4f光學(xué)系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of 4f optical system

傳統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng)測(cè)量視場(chǎng)角受到光學(xué)器件尺寸影響。如常規(guī)的邁克爾遜型和馬赫曾德型剪切散斑干涉系統(tǒng)的測(cè)量角受到分光棱鏡尺寸限制，使其視場(chǎng)角不超過28°，限制了單次測(cè)量范圍。國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)其視場(chǎng)較小問題，設(shè)計(jì)出各種大視場(chǎng)剪切散斑干涉系統(tǒng)，如在剪切散斑光路中采用4f系統(tǒng)。4f光學(xué)圖像傳遞原理如圖1所示，當(dāng)物體(像)位于透鏡1輸入平面時(shí)，所成的像位于透鏡1、透鏡2的共焦平面上，最后成像于透鏡2的探測(cè)平面。將成像鏡頭的像平面和透鏡輸入平面重合，將CCD置于探測(cè)平面上即可成像，成像放大倍率M=-f2/f1。

傳統(tǒng)的馬赫曾德型剪切裝置視場(chǎng)角受到第一塊分光棱鏡尺寸限制，如圖2所示。2012年，Changqing Cai提出基于4f的馬赫曾德剪切散斑干涉系統(tǒng)，如圖3所示，成像鏡頭1的焦點(diǎn)和透鏡7焦點(diǎn)重合，透鏡7和透鏡8關(guān)于平面鏡6的鏡像的焦點(diǎn)重合。一光束通過成像透鏡、透鏡7后成為平行光經(jīng)過分光棱鏡3分成兩束光，兩束光分別經(jīng)過平面鏡5、6反射，通過傾斜其中的一個(gè)平面鏡，產(chǎn)生剪切量，最終在CCD形成了兩點(diǎn)。該系統(tǒng)的視場(chǎng)角只取決于成像透鏡的焦距和CCD靶面尺寸[8]，與分光棱鏡尺寸無關(guān)，從而可以通過更換不同的成像鏡頭和CCD來滿足不同的測(cè)量需求。

圖2 傳統(tǒng)的馬赫曾德干涉示意圖 Fig.2 Schematic diagram of traditional Mach-Zehnder interferometer

圖3 基于4f系統(tǒng)的馬赫曾德干涉示意圖 Fig.3 Schematic diagram of Mach-Zehnder interferometer with 4f system

2014年，朱猛設(shè)計(jì)出大視場(chǎng)雙縫載頻散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)[9]，如圖4所示。該成像系統(tǒng)由廣角成像透鏡和4f成像系統(tǒng)組成，通過更換成像透鏡實(shí)現(xiàn)不同視場(chǎng)的切換。該系統(tǒng)中使透鏡2關(guān)于反射鏡的鏡像的焦點(diǎn)和透鏡1焦點(diǎn)重合，從而實(shí)現(xiàn)4f系統(tǒng)，雙縫可以實(shí)現(xiàn)楊氏干涉，剪切量通過光楔調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量，通過轉(zhuǎn)折的方式使光路長(zhǎng)度縮小，系統(tǒng)更加緊湊。要實(shí)現(xiàn)廣角成像，除了上述4f系統(tǒng)外，反遠(yuǎn)距成像光路也是常用方法。2014年，朱猛等人提出將反遠(yuǎn)距成像光路加入到剪切散斑系統(tǒng)中以滿足大視場(chǎng)要求[10]，即在一組負(fù)透鏡組和標(biāo)準(zhǔn)成像透鏡之間加入邁克爾遜剪切裝置。根據(jù)視場(chǎng)要求，可以增減負(fù)透鏡個(gè)數(shù)。

圖4 大視場(chǎng)雙孔載頻光路 Fig.4 Optical arrangement of double-slit carrier frequent optical system with large viewing filed

王永紅、吳思進(jìn)等人研究了基于4f光路的邁克爾遜剪切散斑技術(shù)[5]，研制了基于4f的邁克爾遜剪切散斑干涉系統(tǒng)[11]。與傳統(tǒng)剪切散斑系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的視場(chǎng)角不再受到分光棱鏡尺寸影響，只取決鏡頭焦距和CCD靶面尺寸。且鏡頭外置，通過更換不同的鏡頭滿足不同的測(cè)量要求。圖5(a)為研制的新型大視場(chǎng)剪切散斑干涉系統(tǒng)原理，圖5(b)為在同等測(cè)試距離下，大視場(chǎng)邁克爾遜剪切散斑干涉系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量得到的相位條紋結(jié)果，可見新系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍明顯增大。

圖5 基于4f系統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng) Fig.5 Shearography system based on 4f system

2.2 基于空間載波的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

隨著剪切散斑干涉技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無損測(cè)量的需求越來越多。空間域相位提取成為研究熱點(diǎn)，其包括空間相移法[12]、空間載波相移技術(shù)[13]、空間Fourier 變換法[14]。

2012年，李宏躍采用了基于雙孔載頻的菲涅爾雙棱鏡剪切散斑干涉光路[15]。該光路中的剪切單元由一組旋轉(zhuǎn)光楔組成，可獨(dú)立連續(xù)調(diào)節(jié)剪切量大小，雙孔和像距決定了載頻量，通過在一個(gè)散斑內(nèi)引入載波，使相鄰像素間產(chǎn)生固定的相位差。2013年，Xin Xie提出基于空間相移的邁克爾遜剪切裝置[16]，如圖6所示，4f光路增大視場(chǎng)角，通過傾斜一個(gè)平面鏡來控制剪切量和載波頻率，在空間頻譜上實(shí)現(xiàn)分離，并通過在成像透鏡前加上孔徑光闌控制頻譜和散斑大小。在空間頻譜域利用傅里葉變換提取相位。同時(shí)使用200 W和500 W像素CCD分別得到同狀態(tài)下的條紋圖，發(fā)現(xiàn)高像素CCD得到的條紋圖更加清晰。

圖6 空間載波相移系統(tǒng)示意圖 Fig.6 Schematic diagram of spatial carrier phase shift system interferometer

2013年，Xin Xie提出一種基于空間載波的相移技術(shù)，可以同時(shí)測(cè)量物體形變和應(yīng)變[17]。在邁克爾遜剪切散斑干涉光路中，利用光纖引入一束傾斜角很小的參考光,兩束物光和一束參考光可以同時(shí)測(cè)量物體的形變及其一階導(dǎo)數(shù)，利用傅里葉變換在空間頻譜域獲得相位差，即可在一幅散斑圖中同時(shí)獲得形變及其一階導(dǎo)數(shù)。

2014年，蔡長(zhǎng)青將馬赫曾德干涉系統(tǒng)中的第二塊分光棱鏡換成多塊反射鏡，如圖7所示，避免了光能的浪費(fèi)[18]。系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)M3控制剪切角，光路中的雙孔掩模為了引入空間相移所需的空間載波。

圖7 改進(jìn)型馬赫曾德干涉系統(tǒng)示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the improved Mach-Zehnder interferometer

圖8 空間載波相移系統(tǒng)、頻譜圖和相位圖 Fig.8 Spatial carrier phase-shifting shearography system, spectrum and filtered phase map

2015年，王永紅等人提出基于狹縫光闌的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法[19]，詳細(xì)闡述了散斑尺寸、狹縫尺寸、CCD像素尺寸和剪切角之間的關(guān)系，研制了基于狹縫光闌的剪切散斑干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)在成像透鏡前放置狹縫光闌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓孔光闌，在其空間頻譜域選取高頻信息，利用傅里葉逆變換提取相位，可以在單幅散斑干涉圖完成相位提取，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)形變測(cè)量。圖8(a)為組建的基于空間載波剪切散斑干涉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圖8(b)為采用狹縫光闌獲得的散斑干涉圖的傅立葉頻譜，圖8(c)為利用空間載波相移技術(shù)解算獲得的濾波相位圖。

2.3 剪切散斑干涉系統(tǒng)參數(shù)研究

剪切散斑干涉系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)無損測(cè)量也有較大的影響，近年來也得到研究人員的重視。2012年，林翠翠研究了剪切量對(duì)測(cè)量精度、條紋對(duì)比度的影響[20]：剪切量越小，測(cè)量精度越高，散斑場(chǎng)的相關(guān)性越強(qiáng)。2012年，林超研究了剪切量對(duì)降噪的影響[21]，驗(yàn)證了剪切量的選擇會(huì)影響理想光場(chǎng)相位和含有噪聲的光場(chǎng)相位之間的線性關(guān)系，得出噪聲較小時(shí)，使用較小的剪切量進(jìn)行降噪處理，反之使用較大的剪切量進(jìn)行降噪處理的結(jié)論。2012年，賈大功介紹了測(cè)量剪切量的四種方法[22]：公式法、成像法、莫爾條紋法和相關(guān)法，并給出了每種方法最適用的場(chǎng)合。2014年，丁效紅對(duì)散斑條紋圖進(jìn)行二值化及條紋細(xì)化得到條紋骨架線，對(duì)骨架線沿剪切方向進(jìn)行相位擬合，再引入高斯插值，可以定量計(jì)算出離面位移大小[23]。為了使shearography能適應(yīng)物體大變形測(cè)量，2015年，郭媛利用雙波長(zhǎng)的剪切散斑技術(shù)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)量[24]，得到的雙波長(zhǎng)相位條紋數(shù)是單波長(zhǎng)的0.189倍，該方法適用于大變形缺陷的測(cè)量，避免了條紋過密或者欠采樣給相位提取和解包裹帶來的困難。

3 散斑干涉條紋處理算法研究

散斑干涉技術(shù)測(cè)量原理是對(duì)物體變形前后記錄的干涉條紋進(jìn)行處理，從散斑干涉場(chǎng)中提取出與被測(cè)物理量相關(guān)的相位信息。在散斑干涉測(cè)量中，對(duì)干涉條紋進(jìn)行處理可以分為以下幾個(gè)階段：(1)相位提取；(2)圖像去噪處理；(3)相位解包裹。下面分別對(duì)幾方面進(jìn)行介紹。

3.1 相位提取算法研究

上世紀(jì)80年代，相移技術(shù)逐漸用到shearography的相位提取中，使靜態(tài)物體的測(cè)量精度得到極大提高。常用的相移法有時(shí)間相移法(TPM)、空間相移法(SPM)和Fourier變換法(FTM)等[25]。TPM是目前應(yīng)用廣泛的相位提取技術(shù)，其中4+4算法應(yīng)用最為廣泛。一些學(xué)者也提出了三步相移算法[26]和五步相移算法[27]。對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)量，時(shí)間域上提出了4+1算法，空間域上提出了空間載波相移技術(shù)，該技術(shù)利用傅里葉變換在空間頻譜中提取相位。近年來，國(guó)內(nèi)外相繼提出一些新的相位提取算法。2011年，Yuanhao Huang提出聚類相位分析方法提取相位[28]，并基于傅里葉變換的相位濾波進(jìn)行條紋頻率分析和自適應(yīng)濾波。2011年，Li Kai提出用最小二乘法計(jì)算連續(xù)兩幅散斑圖相位差的算法[29]，將前一幅圖作為參考圖，不斷刷新測(cè)量中的參考圖，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，并使用窗口傅里葉濾波對(duì)參考圖濾波，解決了散斑去相關(guān)問題和避免了不斷刷新參考圖過程中積累的誤差。2015年，郭媛提出單幅條紋圖提取真實(shí)相位算法[30]。該算法不需要相移解包裹，直接將條紋圖進(jìn)行希爾伯特變換得到泊松方程，然后利用加權(quán)離散余弦變換(WDCL)求解泊松方程，得到的解即真實(shí)相位。

3.2 濾波算法研究

為了獲得真實(shí)的相位分布，需要對(duì)干涉圖進(jìn)行相位解包裹計(jì)算。但是生成的包裹相位圖含有大量的噪聲，嚴(yán)重影響了相位解包裹的結(jié)果和精度，甚至?xí)蛟肼曔^大而造成相位解包裹的失敗。因此濾波成為散斑條紋圖處理的重要部分。近年來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量的研究工作，提出了中值濾波、均值濾波、傅里葉變換濾波等各種算法。傳統(tǒng)的濾波方法，在濾掉散斑噪聲的同時(shí)，也會(huì)濾掉、模糊許多有用的信息。H. A. Aebischer 等人提出了正余弦濾波方法，保留了圖像中的“尖峰”信息；秦玉文等人提出一種基于回歸算法的條紋濾波技術(shù)；于起峰等人提出的一種帶門限的旋濾波方法；王開福等人提出的一種基于同態(tài)濾波原理的條紋濾波方法，對(duì)相位圖去噪的同時(shí)可以增強(qiáng)圖像的對(duì)比度；顧國(guó)慶采用了同態(tài)濾波方法對(duì)條紋圖進(jìn)行濾波[31],該方法是一種將灰度變換和頻域?yàn)V波相結(jié)合的圖像處理方法，通過利用同態(tài)濾波原理設(shè)計(jì)的濾波器將有用信息拓展，將無用信息濾除，既濾除了噪聲，也提高條紋對(duì)比度。王永紅等人采用了將正余弦分解和頻域低通濾波相結(jié)合的濾波方法[32]，該方法將相位圖先進(jìn)行正余弦變換得到兩幅圖，分別對(duì)著兩幅圖進(jìn)行頻域低通濾波，再將這兩幅圖進(jìn)行合成。該方法在有效保留了跳變信息的基礎(chǔ)上，也保證了良好的濾波效果。

3.3 解包裹算法研究

經(jīng)過濾波后得到的是包裹相位圖，相位在[-π～π]之間，并不能反映真實(shí)相位信息，因此解包裹必不可缺。從20世紀(jì)70年代初開始，人們就開始研究一維的相位解包裹算法，通常采用積分的方法，計(jì)算相鄰點(diǎn)的主值差的積分。隨著數(shù)字圖像處理的發(fā)展，相位解包裹算法需要應(yīng)用到二維圖像中，因此二維的相位解包裹技術(shù)得到了快速的發(fā)展。最早的二維相位解包裹算法是由Takeda提出的，他通過行列逐點(diǎn)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原始相位圖的解包裹處理。但這種方法常常會(huì)受到噪聲誤差和條紋間斷區(qū)的影響，出現(xiàn)解調(diào)錯(cuò)誤。近年來研究人員提出了一些新的解包裹算法。2012年，何光宏提出了根據(jù)可靠度引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)解包[33]，各像素相鄰點(diǎn)的鄰接線可靠度的高低決定了解包裹路徑。傳統(tǒng)的最小二乘法不能限制誤差傳遞，也得不到精確的解包裹相位，2012年，錢曉凡分析該算法誤差特點(diǎn)，提出了可以得到精確解包裹相位算法[34]。針對(duì)解包裹速度慢的不足，2014年，郭媛提出一種新的基于最小二乘的解包裹算法[35]，該算法直接求取解包裹算法中的k值，并取整計(jì)算，從而加快了迭代速度，減少了誤差。

4 國(guó)內(nèi)外Shearography技術(shù)應(yīng)用發(fā)展

Shearography具有全場(chǎng)、非接觸、實(shí)時(shí)快速和高精度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在科研、航空航天領(lǐng)域的復(fù)合材料缺陷檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外研究人員用該技術(shù)對(duì)多種材料進(jìn)行了缺陷檢測(cè)。2005年，M.Kalms[36]介紹了用shearography技術(shù)對(duì)處于負(fù)壓中的直升機(jī)螺旋槳轉(zhuǎn)葉進(jìn)行脫粘和結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)，對(duì)于結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜的部件，采用一個(gè)6自由度的機(jī)器人來定位相機(jī)，圖9(a)為固定在機(jī)械臂上的剪切散斑干涉儀，通過控制機(jī)械臂對(duì)被測(cè)物進(jìn)行多方位檢測(cè)，圖9(b)為放置檢測(cè)儀的負(fù)壓裝置。2010年，張堅(jiān)[37]利用shearography技術(shù)對(duì)蒙皮為玻璃鋼，蜂窩結(jié)構(gòu)材料為紙的蜂窩板復(fù)合材料進(jìn)行缺陷檢測(cè)。2011年，李慧娟對(duì)膠接方式連接的復(fù)合材料進(jìn)行了脫膠缺陷檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果精度控制在10%以內(nèi)[38]。2012年，程文[39]對(duì)已知缺陷的雙層蜂窩粘結(jié)復(fù)合材料和多層粘結(jié)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)，該系統(tǒng)靈敏度高，檢測(cè)結(jié)果無遺漏。2014年，張旭剛利用shearography技術(shù)測(cè)量預(yù)埋缺陷的層壓板[40]，該層壓板預(yù)埋了深度不同、尺寸大小不同的缺陷，為了驗(yàn)證缺陷深度、尺寸大小及加熱時(shí)間對(duì)測(cè)量精度的影響。

圖9 6自由度的機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng) Fig.9 Robot detection system with 6 degrees of freedom

2012年，G.De Angelis使用電壓驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)振動(dòng)加載[41]，對(duì)已知缺陷的層壓板進(jìn)行檢測(cè)，從每個(gè)缺陷的振動(dòng)頻率中算出缺陷大小深度。2013年，蔡懷宇提出基于邁克爾遜剪切散斑干涉測(cè)量玻璃厚度的均勻性[42]。待測(cè)玻璃放在一個(gè)平面鏡前，傾斜另一塊平面鏡引入載波，通過傅里葉變換、三角變換法和相位解包裹提取相位信息。用一定長(zhǎng)度的斜率來表示厚度的均勻性。2014年，Leszek結(jié)合holography和shearography技術(shù)[43]，利用擴(kuò)音器使博物館中壁畫表面振動(dòng)，利用振動(dòng)來檢測(cè)缺陷的大小和分布，圖10(a)為原始壁畫圖像，紅色方格表示檢測(cè)區(qū)域,圖10(b)表示檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的兩個(gè)缺陷條紋。

圖10 壁畫的ESSPI檢測(cè)結(jié)果 Fig.10 Test results of mural based on ESSPI

近年來，國(guó)際上激光剪切散斑干涉無損檢測(cè)技術(shù)有了較大發(fā)展，已成功應(yīng)用于航空、航天及機(jī)械的無損檢測(cè)中，例如飛行器部件、復(fù)合材料分離部位、蜂窩結(jié)構(gòu)中的裂紋、分層、開裂和氣孔等缺陷檢測(cè)。如應(yīng)用于阿帕奇直升機(jī)旋翼、波音757擾流板、空客A330發(fā)動(dòng)機(jī)換向器、B-2飛機(jī)蒙皮與芯子粘接層、F-22戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身、F-16前副翼、Marshall宇航飛行中心火箭泡沫隔熱層(SOFI)及固體火箭推進(jìn)器 MSA-2等的缺陷檢測(cè)。此外，剪切散斑檢測(cè)技術(shù)在復(fù)合材料帆船、復(fù)合材料包裹壓力容器、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等的缺陷檢測(cè)方面都有成功應(yīng)用。目前在國(guó)外已經(jīng)有較為成熟的剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)外航空航天等部門都有用戶。國(guó)內(nèi)的一些高校和公司也開發(fā)了剪切散斑干涉系統(tǒng)，應(yīng)用在大學(xué)及實(shí)驗(yàn)室開展教學(xué)和科研，但自動(dòng)化程度較低，尚未達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的要求，與國(guó)外剪切散斑無損檢測(cè)儀器相比還有一定的差距。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重大科學(xué)儀器開發(fā)專項(xiàng)的支持下，合肥工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行剪切散斑無損測(cè)量系統(tǒng)的自主研制與開發(fā)，實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)系統(tǒng)的儀器化和國(guó)產(chǎn)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

Shearography技術(shù)經(jīng)過了多年的發(fā)展，其全場(chǎng)、快速、實(shí)時(shí)、高精度等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐應(yīng)用中得到充分體現(xiàn)。未來剪切散斑干涉的技術(shù)發(fā)展主要有以下幾方面：(1)剪切散斑干涉技術(shù)適應(yīng)高速動(dòng)態(tài)的測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域, 重點(diǎn)突破實(shí)時(shí)相移技術(shù)，同時(shí)有效改善散斑干涉圖像質(zhì)量；(2)剪切散斑干涉測(cè)量適用于粗糙表面物體，針對(duì)光滑表面的測(cè)量應(yīng)用需要研究新的散斑干涉技術(shù)方法；(3)剪切散斑干涉獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果為變形/應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)，需要研究數(shù)據(jù)結(jié)果如何快速精確地反算成直接的變形/缺陷數(shù)據(jù)的技術(shù)方法，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的準(zhǔn)確定位與定量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展，大面積動(dòng)態(tài)散斑測(cè)量技術(shù)的不斷研究和提高，剪切散斑干涉技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的航空航天材料無損檢測(cè)領(lǐng)域，在汽車、機(jī)械、建筑等行業(yè)的檢測(cè)與測(cè)量領(lǐng)域都將有良好的應(yīng)用前景。

[1] RASTOGI P K. Speckle and speckle shearing interferometry—II.at the threshold of a new era[J].Optics&LasersinEngineering,1997,26(26):279-282.

[2] 洪友仁,何浩培,何小元.剪切散斑:一種光學(xué)測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2006,21(6):667-688. HONG Y R,HE H P,HE X Y. Shearography: an optical measurement technique and applications[J].J.ExperimentalMechanics,2006,21(6):667-688.(in Chinese)

[3] WANG Y H,THOMSA D,ZHANG P,etal.. Whole field strain measurement on complex surfaces by digital speckle pattern interferometry[J].MaterialsEvaluation,2008,66(5):507-512.

[4] 李喃.數(shù)字散斑干涉條紋信息處理技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2012：11-40. LI N. Research of digital speckle pattern interferometry fringe information process[D]. Hefei:Hefei University of Technology,2012：11-40.(in Chinese)

[5] 吳思進(jìn).新型邁克爾遜型數(shù)字剪切散斑干涉術(shù)的研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012. WU S J. Study of novel Michelson-type digital shearography[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2012. (in Chinese)

[6] XIN X,LIAN X Y,NAN X,etal.. Michelson interferometer based spatial phase shift shearography[J].AppliedOptics,2013,52(17):4063-4071.

[7] HUNG Y Y,GRANT R M. Shearography:a new optical method for nondestructive evaluation of tires[J].RubberChemistry&Technology,1981,54(5):1042-1050.

[8] CAI C,HE L. Improved Mach-Zehnder interferometer-based shearography[J].Optics&LasersinEngineering,2012,50(12):1699-1705.

[9] 朱猛,李翔宇,龍寧波,等.大視場(chǎng)雙縫載頻散斑干涉成像檢測(cè)系統(tǒng)[J].光學(xué) 精密工程,2014,22(1):13-17. ZHU M,LI X Y,LONG N B,etal.. Double-slit based carrier frequency speckle interferometric system with large viewing field[J].Opt.PrecisionEng.,2014,22(1):13-17.(in Chinese)

[10] 朱猛,李翔宇,李秀明,等.反遠(yuǎn)距成像相移剪切散斑干涉檢測(cè)系統(tǒng)[J].激光技術(shù),2014,38(1):49-53. ZHU M,LI X Y,LI X M,etal.. Phase shifting and shearing speckle interferometry system with retro-focus imaging[J].LaserTechnology,2014,38(1):49-53.(in Chinese)

[11] 馮家亞,王永紅,王鑫,等.基于4f的大視角剪切散斑干涉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué),2015,36(2):188-193. FENG J Y,WANG Y H,WANG X,etal.. Design of digital shearography with wide angle of view based on 4f system[J].J.AppliedOptics,2015,36(2):188-193.(in Chinese)

[12] 張磊,劉斯寧,林殿陽(yáng),等.基于空間載波條紋圖的相位提取方法研究進(jìn)展[J].激光技術(shù),2005,29(1):90-93. ZHANG L，LIU S N，LIN D Y,etal.. The progress of extracting phase information based on spatial carrier fringe pattern analysis[J].LaserTechnology，2005，29(1)：90-93.(in Chinese)

[13] 劉佩,王永紅,馮家亞,等.偏轉(zhuǎn)角空間載波相位檢測(cè)技術(shù)[J].光電工程,2015,42(3):39-43. LIU P,WANG Y H,FENG J Y,etal.. Phase detection technology in spatial carrier based on deflection angle[J].Opto-ElectronicEngineering,2015,42(3):39-43.(in Chinese)

[14] 黃芳,張文靜,王海燕,等.基于FFT的散斑干涉術(shù)測(cè)物體變形[J].激光與紅外,2012,42(2):124-128. HUANG F，ZHANG W J，WANG H Y,etal.. Object deformation measurement based on FFT speckle pattern interferometry[J].Laser&Infrared，2012，42(2)：124-128.(in Chinese)

[15] 李宏躍.空間載頻剪切散斑干涉技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué),2012. LI H Y. Research on technology of spatial carrierfrequency shearography[D]. Tianjin:Tianjin University,2012.(in Chinese)

[16] XIN X,LIAN X Y,NAN X,etal.. Michelson interferometer based spatial phase shift shearography[J].AppliedOptics,2013,52(17):4063-71.

[17] XIE X,XU N,SUN J,etal.. Simultaneous measurement of deformation and the first derivative with spatial phase-shift digital shearography[J].OpticsCommunications,2013,286(1):277-281.

[18] 蔡長(zhǎng)青,張永山,汪大洋,等.新型剪切散斑干涉系統(tǒng)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2014,51(11):135-139. CAI CH Q,ZHANG Y SH,WANG D Y,etal.. Research on new shearing speckle interferometry system[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(11):135-139.(in Chinese)

[19] 王永紅,馮家亞,王鑫,等.基于狹縫光闌的剪切散斑干涉動(dòng)態(tài)測(cè)量[J].光學(xué) 精密工程,2015,23(3):645-651. WANG Y H,FENG J Y,WANG X,etal.. Shearing speckle interferometry based on slit aperture for dynamic measurement[J].Opt.PrecisionEng.,2015,23(3):645-651.(in Chinese)

[20] 林翠翠,劉文耀,王晉疆.電子錯(cuò)位散斑干涉系統(tǒng)中錯(cuò)位量的研究[J].光電工程,2012,39(3):88-93. LIN C C，LIU W Y,WANG J J. Research of shear in electronic shearography speckle pattern interferometry[J].Opto-ElectronicEngineering,2012,39(3):88-93.(in Chinese)

[21] 林超,錢曉凡,饒帆,等.剪切量選擇對(duì)剪切干涉降噪的影響[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,49(3):79-83. LIN CH,QIAN X F,RAO F,etal.. The influence of shearing quantity selection in shearing interferometry noise reduction[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2012,49(3):79-83.(in Chinese)

[22] 賈大功,武立強(qiáng),馬彩繽,等.剪切散斑干涉術(shù)中剪切量的測(cè)量[J].光學(xué) 精密工程,2012,20(2):226-232. JIA D G,WU L Q,MA C B,etal.. Shear measurement of shearing speckle interferometry[J].Opt.PrecisionEng.,2012,20(2):226-232.(in Chinese)

[23] 丁效紅.基于數(shù)字剪切散斑定量計(jì)算離面位移的方法研究[D].昆明：昆明理工大學(xué),2014. DING X H. Method study on quantitative calculation of out-of-plane displacement based on digital shearography[D]. Kunming:Kunming University of Science and Technology,2014.(in Chinese)

[24] 郭媛,毛琦,陳小天,等.雙波長(zhǎng)剪切散斑干涉法在復(fù)合材料缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào),2015,44(3):312001-0312001. GUO Y,MAO Q,CHEN X T,etal.. Applied research of dual-wavelength shearography for flaw detection of composite material[J].ActaPhotonicaSinica,2015,44(3):312001-0312001.(in Chinese)

[25] 楊連祥,祝連慶,謝辛,等.電子散斑干涉測(cè)量中相移技術(shù)的新發(fā)展[J].北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,28(2):1-8. YANG L X,ZHU L Q,XIE X,etal.. New development of phase-shift techniques in electronic speckle pattern interferometry[J].J.BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,2013,28(2):1-8.(in Chinese)

[26] CHO J T,CHENG G Q,LUJIE C. Phase retrieval with a three-frame phase-shifting algorithm with an unknown phase shift[J].AppliedOptics,2005,44(8):1401-1409.

[27] NOVAK J. Five-step phase-shifting algorithms with unknown values of phase shift[J].Optik-InternationalJ.LightandElectronOptics,2003,114(2):63-68.

[28] YUANHAO H,FARROKH J S,YUSHENG L,etal.. Dynamic phase measurement in shearography by clustering method and Fourier filtering[J].OpticsExpress,2011,19(2):606-615.

[29] LI K,QIAN K. Dynamic phase retrieval in temporal speckle pattern interferometry using least squares method and windowed Fourier filtering[J].OpticsExpress,2011,19(19):18058-66.

[30] 郭媛,陳小天,毛琦,等.單幅干涉條紋圖相位提取新算法[J].激光與紅外,2015,45(1):94-98. GUO Y,CHEN X T,MAO Q,etal.. Phase extraction algorithm for single interference fringe pattern[J].Laser&Infrared,2015,45(1):94-98.(in Chinese)

[31] 顧國(guó)慶,王開福,燕新九.基于同態(tài)濾波的電子散斑干涉圖像處理[J].激光技術(shù),2010,34(6):750-752. GU G Q,WANG K F,YAN X J. Electronic speckle interferometry image processing based on homomorphic filtering[J].LaserTechnology,2010,34(6):750-752.(in Chinese)

[32] 王永紅,李駿睿,孫建飛,等.散斑干涉相位條紋圖的頻域?yàn)V波處理[J].中國(guó)光學(xué),2014,7(3):389-395. WANG Y H,LI J R,SUN J F,etal.. Frequency domain filtering for phase fringe patterns of digital speckle pattern interferometry[J].ChineseOptics,2014,7(3):389-395.(in Chinese)

[33] 何光宏,禮四同,王茂林,等.可靠度導(dǎo)引的相位解包裹算法[J].激光雜志,2012,33(3):25-26. HE G H,LI S T,WANG M L,etal..Phase unwrapping algorithm based on reliability[J].LaserJournal,2012,33(3):25-26.(in Chinese)

[34] 錢曉凡,饒帆,李興華,等.精確最小二乘相位解包裹算法[J].中國(guó)激光,2012,39(2):183-187. QIAN X F,RAO F,LI X H,etal.. Accurate least-squares phase unwrapping algorithm[J].ChineseJ.Laser,2012,39(2):183-187.(in Chinese)

[35] 郭媛,陳小天.基于最小二乘相位解包裹改進(jìn)算法的研究[J].中國(guó)激光,2014,41(5):189-194. GUO Y,CHEN X T. Study of improved phase unwrapping algorithm based on least squares[J].ChineseJ.Laser,2014,41(5):189-194.(in Chinese)

[36] KALMS M,JUEPTNER W. A mobile shearography system for non-destructive testing of industrial and artwork components[J].KeyEngineeringMaterials,2005,295-296(1):165-170.

[37] 張堅(jiān),耿榮生.復(fù)合材料的現(xiàn)場(chǎng)電子剪切散斑檢測(cè)技術(shù)研究[J].無損檢測(cè),2007,29(1):88-92. ZHANG J,GENG R SH. Studies on filed-applicable shearography NDT of airplane composites[J].NDT,2007,29(7):378-381.(in Chinese)

[38] 李慧娟,張京燾,黃振華.激光剪切散斑方法對(duì)脫粘缺陷的定量測(cè)量[J].宇航材料工藝,2011,41(5):85-88. LI H J,ZHANG J T,HUANG ZH H. Quantitative measurement for disbanding defect using shearograohy[J].AerospaceMaterials&Technology,2011,41(5):85-88.(in Chinese)

[39] 程文,張宏菊.激光剪切散斑檢測(cè)技術(shù)在飛機(jī)復(fù)合材料檢測(cè)中的應(yīng)用[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版,2012,27(4):80-83. CHEN W,ZHANG H J. Applide of shearography in aircraft composite material[J].J.QingdaoUniversity(E&T),2012,27(4):80-83.(in Chinese)

[40] 張旭剛,張素香,程旭,等.層壓結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的激光剪切散斑檢測(cè)[J].無損檢測(cè),2014,36(7):56-59. ZHANG X G,ZHANG S X,CHENG X,etal.. Laser Speckle Shearography Testing of Composite Laminate[J].NDT,2014,36 (7):56-59.(in Chinese)

[41] ANGELIS G D,MEO M,ALMOND D P,etal.. A new technique to detect defect size and depth in composite structures using digital shearography and unconstrained optimization[J].Ndt&EInternational,2012,45(1):91-96.

[42] 蔡懷宇,李宏躍,朱猛,等.用空間載頻法測(cè)量玻璃平板的厚度均勻性[J].光學(xué) 精密工程,2013,21(2):260-266. CAI H Y,LI H Y,ZHU M,etal.. Measurement of thickness uniformity for glass plate by spatial carrier[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(2):260-266.(in Chinese)

[43] LESZEK K. Combining digital speckle pattern interferometry with shearography in a new instrument to characterize surface delamination in museum artefacts[J].J.CulturalHeritage,2015,16(4):544-550.

Research progress in shearography and its applications

WANG Yong-hong1*, LYU You-bin1, GAO Xin-ya1, DAN Xi-zuo1, YANG Lian-xiang1,2

(1.SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,OaklandUniversity,Rochester48309,USA)

Shearography is an optical non-destructive measurement method for defects detection without contacting objects. Using this method we can obtain the information of defects by calculating phases of speckle pattern of the object before and after deformations. This technology has been widely used in aerospace and other industrial non-destructive measurement fields. In this paper, we introduce the progress of shearography from two aspects: its key technologies which include various shearing device for achieving a large viewing angle and spatial carrier technology for dynamic measurement, and speckle image processing technology which includes a variety of image processing algorithms. Finally, we describe the domestic and international application of shearography and prospect the development direction on the application of shearography to the dynamic measurement, measurement of smooth surfaces and back-calculation of deformation derivatives for the amount of deformation quantitatively calculated.

shearography;large viewing angle;dynamic measurement;image processing

2017-01-11；

2017-02-27

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.2016YFF0101803)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51375136) ；中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)資助項(xiàng)目(No.CXY2013HFGD22) Supported by National Key Research and Development Program(No.2016YFF0101803); National Natural Science Foundation of China(No.51375136); Special Project of Industry-University-Research of AVIC(No.CXY2013HFGD22)

2095-1531(2017)03-0300-10

O436.1; TP394.1

A

10.3788/CO.20171003.0300

王永紅(1972—)，男，博士，教授，主要從事光學(xué)精密測(cè)試、激光散斑干涉檢測(cè)和機(jī)器視覺等方面的研究。E-mail：wyhgh@126.com

*Correspondingauthor,E-mail:wyh@126.com