2018-11-03 note : 光纤干涉条纹投射相位测量轮廓术关键技术研究_张超

采用光纤干涉投射条纹，可提高条纹密度，进而提高测量精度，适合于高精度三维形貌测量，同时还具有以下优点：

① 光源远离现场环境，降低了振动等对光源的要求，便于实现远程监测；

② 采用光纤投射，摆脱了传统光学中光学口径必须大于测量范围的要求，便于在受限空间下使用，实现了非定域投射；

③ 光纤投射端面形成光学低通滤波器，提高条纹图像质量，相对与数字投影仪没有调焦要求，实现了自适应投射；

④  耐高温，抗电磁辐射，光纤的相位敏感性使得相移精度高，相移速度快。

但是，相对与其它方法也有不足之处：

①  光纤的随机偏振态变化引起的偏振相关信号衰落；

②  光纤的相位敏感性引起的相位相关信号衰落；

③  激光散斑的影响；

④  光纤投射条纹原理引起的非线性系统误差。

由于在激光器与光纤耦合效率不超过 15%，光在传播过程中的传输损耗和物体表面的吸收损耗，图像传感器探测得到的光强小，对比度较差。

图 2-6 为相机拍摄到的物体表面反射回的变形条纹图，可见条纹对比度差。由于灰度值太小。三通道彩色图像转化为单通道灰度图像，根据本系统的特征，提出了均方根灰度转换算法：

条纹图像噪声分为加性噪声和乘性噪声，其中加性噪声是时变的随机噪声，而乘性噪声是非时变的散斑噪声或相关噪声等.利用保边缘双向滤波器和旋滤波器去除加性噪声，提出频率域阈值滤波法去除条纹激光散斑噪声等乘性噪声.

为保持图像边缘，国外学者在传统滤波的基础上提出双向滤波，其基本思想是在传统滤波窗口中，通过对像素灰度值相同或者相近的像素赋予较高的权重，而对像素灰度值不同或者相差较大的像素赋予较小的权重，从而减少边缘模糊效应，更重要的是双向滤波是线性滤波，相对于中值滤波等方法，经过处理后的条纹图像不会产生非线性失真。针对条纹图像的有向性，旋滤波通过在条纹方向上进行滤波，对加性噪声有很好的抑制能力，其滤波窗口大小一般和条纹周期相同，滤波窗口的大小直接影响滤波效果。

双光纤干涉投射条纹相位稳定不变包括两个方面：

一是由于光纤敏感性引起的在光纤投射前，到达光纤端面后的双光纤干涉投射条纹相位漂移；

二是激光从光纤投射端出来后在空气中传播由于大气扰动带来的折射率变化进而引起的双光纤干涉投射条纹相位波动。

光纤相位控制系统分为两种，第一种是通过调节激光器输出波长，进而控制光纤中传输光的相位变化，第二种是通过压电陶瓷拉伸光纤，改变光纤中传输光的光程，进而改变光纤中传输光的相位。前一种通过激光器调节波长的方法用于非平衡干涉仪中，结构紧凑，但是相位噪声大，成本高；后一种通过压电陶瓷改变光程的方法用于平衡干涉仪中，体积较大，相位噪声小，成本小。

在双光纤干涉条纹投射实时傅里叶变换相位轮廓术中，变换条纹的二维傅里叶变换图像处理相对于条纹图像的一维傅里叶变换处理，有以下几个优势：

1.降低双光纤干涉条纹投射系统的光路调整要求。条纹图像的一维傅里叶变换处理需要完全水平条纹或者垂直条纹，在光路调整中很难得到完全水平或垂直的干涉条纹，条纹图像的二维傅里叶变换处理就没有这一要求，投射条纹可以沿任意方向。

2.与条纹图像的一维傅里叶变换处理相比,  条纹图像的二维傅里叶变换处理能够有效得提取信号当中的基频成分,  获得的信号具有更高的信噪比,  具有更大的可测梯度。

光纤干涉投射条纹图通过傅里叶变换从空间域变换到频率域后，需要频率域带通滤波，从而提取出与物体高度有关的基频，常见的频率带通滤波窗口有矩形窗，高斯窗，汉宁窗等。矩形窗构造简单，最大的限度的保留了原始频带信息，但是有于矩形窗口在频率域的频谱截断，使得在空间域产生振铃现象；高斯窗最大限度的保持了矩形窗的平顶性，但是对噪声的克服的抑制程度有限；汉宁窗能够抑制噪声带来的影响，也没有像矩形窗那样使得空间域产生振铃现象，但是结构相对复杂。