数字全息干涉技术测量悬臂梁铝板位移场的研究

　　全息干涉是光力学中的经典测试技术^[1] ,但由于该方法需要干板湿处理及条纹的后续处理,试验及分析过程非常复杂,因此理论和试验工作者一直在试图寻求更好的方法。数字全息由Goodman^[2] 提出,其记录光路虽然与普通全息相同,但由于是数字存储及数字再现,因而与普通全息有很大差别。由于数字全息对记录设备的精度和计算机的性能要求较高,所以该方法在被提出后相当一段时间内没什么进展。近年来,数字全息的试验研究才全面展开^[3,4] 。数字全息可重构被记录物体的复振幅分布,也就是可同时获取强度和相位信息,因此为干涉计量术提供了一种全新的方法。从现有文献看,到目前为止,国内偶尔也能见到相关报道,但多是在方法原理上的研究,而将数字全息用于位移和变形等力学量测量的文献很少。另外,由于全息记录时要用激光器作光源,激光散斑噪声对数字全息的图像质量有较大负面影响。小波分析是一种新的时频分析方法,利用噪声与有效信号在小波变换域的不同特点,可有效去除噪声,重构真实信号^[5,6] 。

　　笔者将数字全息用于位移场的测量。为减小激光散斑效应的影响,将小波去噪技术用于图像预处理,提高了测试精度。

　　1　数字全息干涉的原理

　　图1为数字全息的示意图,平面参考光与来自物体表面的散射光在CCD(电荷耦合器件存储器)

　　程中物光波重构可由菲涅尔-基尔霍夫衍射^[7] 关系来完成,xy平面为全息记录面,ξη平面为观察面,在满足菲涅尔近似条件的情况下,重构波前可表示为

　　h(x,y)———全息干涉场光强分布

　　r(x,y)———重构参考光

　　假设存储在CCD上的数字全息图由N×M个离散数值构成,CCD摄像机的像元大小为Δx×Δy,于是上式的离散化表达式为

　　式中　b(n,m)———重构距离为d的观察平面上的离散化复波面

　　上式是复数形式,于是强度分布和相位分布可表示为

　　　　在数字全息干涉中要测量的是干涉相位,也就是物体变形前后对应两状态时数字全息重构波前的相位差,即

　　由于计算机程序中反正切函数的特点是所求取的相位范围为[-π,π],所以必须对取得的相位进行去包裹处理,在此采用最大交叉幅值生成树去包裹法[8]。求得相位后,可由相位与位移的关系求得位移信息^[9]