[发明专利]一种光学干涉条纹快速处理方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量和动态特性分析领域，涉及一种光学干涉条纹快速处理实现方法。

背景技术

在光学测量领域中经常需要对获取的光学干涉图(或称为干涉条纹)进行研究分析。根据干涉方法的不同，常用的干涉图一般包括莫尔条纹图(或称为云纹、叠栅条纹)，全息干涉图，电子散斑干涉图，光栅直接投影的调制条纹图等多种。光学条纹分析技术即利用干涉图的强度信息，通过信号分析理论与方法试图分析条纹的振幅和相位，从而提取出干涉图中蕴含的物理信息，例如物体轮廓、形变/位移、应变/应力、机械特性(热、力分布)等等。由于每种干涉图中条纹的振幅和相位的大小及其变化包含了待研究物体的信息，所以干涉条纹分析，尤其是相位提取技术在光学检测技术中占有十分重要的地位。

通过采用CCD摄像机和数字图像处理技术，现代数字化光学干涉条纹分析技术已经能够实现相位提取的自动化分析。但是在需要对引起相位变化的瞬态变量进行动态测量领域中，例如在电子封装的热可靠性分析、焊点失效特性分析、动态测量中的应变/应力分析、电子器件和机械零部件振动测试等领域，往往只能获取到单幅干涉图，这时采用传统的移相干涉技术分析干涉条纹就不适用了。因此，在测量物体动态特性领域中，要实现高速干涉条纹分析，必须对单幅干涉图进行高精度和高速度的相位分析。

其中连续小波变换(Continuous Wavelet Transform--CWT)技术，由于时频分析窗口可变，具有获取局部信息的能力，或者称为多尺度分析能力，在分析含富频率成分信号时具有得天独厚的优势，逐渐成为光学测量领域中的重要技术之一。但是由于干涉图是二维信号且干扰噪声较强，因此使用一维连续小波变换(1D-CWT)分析干涉条纹时抗干扰能力较差。因此已逐渐被二维连续小波变换(2D-CWT)技术所取代。与传统的单幅干涉图分析技术相比，由于具有更好的抗噪性能，更灵活的时频分析窗，2D-CWT技术在ESPI等光学条纹干涉分析领域成为近些年来的研究热点。运用2D-CWT技术进行高速干涉条纹分析，需要解决的关键问题主要是运算速度问题和噪声干扰等。通过改变缩放因子和旋转因子，2D-CWT具有可变的时频分析窗，从本质上来说是为分析干涉条纹构造了一组参数可变的匹配滤波器，这一特点极大地改善了干涉场的信噪比，使得相位测量精度得到大幅度的提高，测量结果更为可靠。因此，2D-CWT技术非常适合用于干涉图的分析上。另外，由于2D-CWT技术仅需要一幅干涉图即可完成高精度的相位测量，利用这一优势，可以对引起相位变化的瞬态变量进行测量和深入分析，例如动态测量中的应变/应力分析等。

但是，对于单幅512×512像素的干涉图，分析的时间至少要200～400ms，如果提高分析精度或图像像素数，甚至需要10～～30分钟。在动态测量中，例如振动测量，当振动频率为1kHz，处理一幅干涉图的时间最多只有1ms，PC机上实现的算法对高速实时分析场合明显不适用。因此，运算速度问题极大地限制了基于2D-CWT的光学干涉条纹分析技术在工业生产领域的推广和应用。目前，对2D-CWT技术的研究普遍集中在非实时测量领域上，通过PC机对采集后的干涉图进行分析。为了解决高速干涉图分析问题，本发明通过深入研究2D-CWT的原理和干涉图的本质特征，提出将2D-CWT用于高速测量领域的方法，给出干涉条纹相位提取快速实现算法及其FPGA实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种2D-CWT的光学干涉条纹快速处理方法，解决了目前2D-CWT的光学干涉条纹处理方法速度过慢，不适用于高速实时分析场合的问题。

本发明的技术方案按照以下步骤进行：

步骤1.通过干涉仪和振动平台，对待测对象进行测试，并利用高速摄像机采集干涉图，输入至图像数据缓存模块；图像数据缓存模块，用于缓存至少2帧高速采集的干涉图数据，通过先进先出队列实现，图像数据缓存模块包括干涉图输入接口，用于连接高速摄像设备以读取干涉图；图像大小设置接口，用于设置干涉图的尺寸以调整缓存区每帧数据的大小；图像缓存设置接口，用于指定缓存区的帧数和缓存的方式；

步骤2.设置2D-CWT参数设置模块，包括母小波设置接口，用于指定参与后续计算的小波核函数类型；缩放因子和旋转因子设置接口，用于输入参与后续计算的缩放因子序列的起始值和步进大小，以及旋转因子序列的起始值和步进大小；

步骤3：二维小波核函数频谱模块和二维图像频谱模块对步骤1中图像数据缓存模块输入的干涉图进行2D-CWT变换；