基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统及方法

技术领域

本发明涉及非接触式全场形变和位移监测技术领域，具体地，涉及一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统及方法。

背景技术

非接触式位移测量方法是一种用于测量物体位移的技术。与传统的接触式测量方法相比，非接触式测量方法不需要与被测物体直接接触，可以在不影响被测物体的情况下进行测量，因此被广泛应用于各个领域。

非接触式全场形变和位移监测技术是实现力学测试分析、结构状态监测的重要手段。目前非接触式形变和位移监测技术主要有三种：数字图像相关技术(DIC)、扫描激光多普勒测振技术(SLDV)和基于微波雷达的位移测量技术。

与DIC和SLDV相比，基于微波雷达的位移测量可实现全场同步位移测量，消除视场与灵敏度之间的矛盾。其精度主要取决于微波的波长。在基于微波雷达的位移测量中，缺乏特征的目标需要安装人造的标记点，这会导致轻质结构的动态特性发生不可忽略的变化，且角反射器的尺寸大于加速度计的尺寸，使得对结构进行密集测量变得困难、繁琐。此外，与DIC和SLDV等其他非接触式位移测量技术相比，安装角反射器会导致空间分辨率大大降低；更糟糕的是，在大型结构中安装人工标记通常费时费力，而且在某些情况下(如精密结构表面)无法进行安装。

在公开号为CN201237497Y的中国专利文献中，公开了一种非接触式位移测量仪，包括动尺、光学系统,传输线缆,数显屏,还包括有激光器,其中,激光器和光学系统安装在动尺的底部,传输线缆连接数显屏和动尺。在动尺相对运动的过程中,激光器发出的激光经扩束后照射到被测量对象表面,被测量对象反射的激光束经光学系统采集反射回来的信息,经过处理,通过传输线缆显示在数显屏上,从而达到测量检测的目的，但该方法无法解决上述问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统。

根据本发明提供的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，包括：

微波散斑成像模块：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数；测量目标平面到成像孔径平面的距离，通过二维LFMCW孔径雷达获取目标点的三维回波，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像；

测点跟踪模块：计算主从散斑图像在成像平面的亚像素精度位移；

全场位移提取模块：根据亚像素精度位移匹配测点，选择对应测点进行干涉，计算目标点的全场离面位移。

优选的，所述微波散斑成像模块包括以下子模块：

成像计算模块：计算目标平面到成像孔径平面的参考距离z和二维LFMCW雷达孔径D大小；

二维直线滑台模块：装载单天线线性调频连续波LFMCW模块并运动；

单天线线性调频连续波LFMCW模块：发射LFMCW信号；

上位机模块：与其他模块相连接，根据散斑成像参数，控制二维直线滑台模块在平面内到达指定位置，接收LFMCW信号，获取目标点的三维回波，得到微波散斑图像；

所述二维直线滑台模块和单天线线性调频连续波LFMCW模块使用实孔径LFMCW天线阵列替代，或使用一维直线滑台和多发多收线性调频连续波MIMO-LFMCW替代。

优选的，所述测点跟踪模块包括以下子模块：

二维相关系数计算模块：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数，提取主从散斑图像二维相关系数峰值的大小并改变主散斑图像的亚像素尺寸大小；

亚像素计算模块：在孔径平面建立空间坐标系，选择主从散斑图像二维相关系数x方向或y方向峰附近测点进行非线性回归；根据散斑图像的分辨率和主从散斑图像二维相关系数最大值进行散斑图像回归初值选择，得到目标点的面内亚像素精度位移。

优选的，所述目标表面形貌参数包括粗糙度δ和相关长度l；所述运动范围参数为目标表面法向量最大变化角度Δθ，所述散斑图像质量阈值包括散斑对比度a

式中，

式中，L

式中，D表示微波成像系统孔径，z表示测量目标平面和成像孔径平面的距离，sinc

优选的，所述主从微波散斑图像的成像方法包括距离徙动算法、距离多普勒算法和后向投影算法。

优选的，所述非线性回归的回归函数为M(x，β)＝β(1)sinc[β(2)(x-β(3))]，式中x为回归所用坐标点的横坐标，β＝[β(1),β(2),β(3)]

优选的，所述散斑图像回归初值选择包括：

式中，β

优选的，所述非线性回归的结果与亚像素精度位移的关系为：

式中，Δx,Δy分别表示x方向和y方向的亚像素偏移估计结果，β

优选的，所述全场离面位移测量方法为：

其中，k为微波的波数，φ{·}表示取复数相位，A

根据本发明提供的一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量方法，包括：

步骤S1：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数，通过二维孔径雷达获取目标点的三维回波；

步骤S2：测量目标平面到成像孔径平面的距离，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像；

步骤S3：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数；

步骤S4：在孔径平面建立空间坐标系，选择主从散斑图像二维相关系数x方向或y方向峰附近测点进行非线性回归；根据散斑图像的分辨率和主从散斑图像二维相关系数最大值进行散斑图像回归初值选择，得到目标点的面内亚像素精度位移；

步骤S5：根据亚像素精度位移匹配测点，选择对应测点进行干涉，计算目标点的全场离面位移。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的系统及方法能够对发生面内运动的测点进行测量，且无需人工标记和安装包括角反射器在内的靶标，具有较强的环境适应性。

2、本发明提供的系统结构简单，便于产业大规模生产制造，降低了成本。

3、本发明提供的系统及方法具有广泛的适用范围，能够广泛的应用于非接触式监测技术领域。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例的系统流程图。

图2为本发明实施例的系统结构示意图。

图3为本发明实施例中微波波长为3.8mm时的散斑图案对比度等线高度图。

图4为本发明实施例的实验装置示例图。

图5为本发明实施例的粗糙面的亚像素平移前后的散斑图像示例图。

图6为本发明实施例的像素子区大小自动选择的流程图。

图7为本发明实施例的主散斑图像像素子区大小对散斑图像质量指标的影响示例图。

图8为本发明实施例的亚像素拟合的流程图。

图9为本发明实施例的亚像素拟合结果的示例图。

图10为本发明实施例的粗糙面全场位移测量结果示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，本发明提供了一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，包括：微波散斑成像模块、测点跟踪模块和全场位移提取模块。

其中，微波散斑成像模块：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数。目标表面形貌参数包括粗糙度δ和相关长度l，运动范围参数为目标表面法向量最大变化角度Δθ；散斑图像质量阈值包括散斑对比度a

式中，

式中，L

式中D表示微波成像系统孔径，z表示测量目标平面和成像孔径平面的距离，sinc

然后再测量目标平面到成像孔径平面的距离，通过二维LFMCW孔径雷达获取目标点的三维回波，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像。其中，主从微波散斑图像的成像方法包括距离徙动算法、距离多普勒算法和后向投影算法等。

微波散斑成像模块还包括以下子模块：

成像计算模块：计算目标平面到成像孔径平面的参考距离z和二维LFMCW雷达孔径D大小；

二维直线滑台模块：装载单天线线性调频连续波LFMCW模块并运动；

单天线线性调频连续波LFMCW模块：发射LFMCW信号；

上位机模块：与其他模块相连接，根据散斑成像参数，控制二维直线滑台模块在平面内到达指定位置，接收LFMCW信号，获取目标点的三维回波，得到微波散斑图像。

测点跟踪模块：计算主从散斑图像在成像平面的亚像素精度位移；

其中，二维直线滑台模块和单天线线性调频连续波LFMCW模块可以使用实孔径LFMCW天线阵列替代，也可以使用一维直线滑台和多发多收线性调频连续波MIMO-LFMCW替代。

测点跟踪模块包括以下子模块：

二维相关系数计算模块：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数，提取主从散斑图像二维相关系数峰值的大小并改变主散斑图像的亚像素尺寸大小；

亚像素计算模块：在孔径平面建立空间坐标系，选择主从散斑图像二维相关系数x方向或y方向峰附近测点，用sinc函数进行非线性回归；非线性回归的具体回归函数为M(x，β)＝β(1)sinc[β(2)(x-β(3))]，式中β＝[β(1),β(2),β(3)]

式中β

非线性回归的结果与亚像素精度位移的关系为：

全场位移提取模块：根据亚像素精度位移匹配测点，选择对应测点进行干涉，计算目标点的全场离面位移，全场离面位移测量方法为：

其中，φ{·}表示取复数相位，A

以上为本发明的基础实施例，下面通过一个优选实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述说明。

参照图1所示，本发明提供了一种基于微波散斑干涉的测点跟踪与位移测量系统，包括：微波散斑成像模块、测点跟踪模块和全场位移提取模块。

其中，微波散斑成像模块：根据目标表面形貌参数、运动范围参数和散斑图像质量阈值，选择散斑成像参数。

参照图2所示，待测粗糙面放置在与孔径平面接近平行的位置，使用二维电机带动单天线毫米波前端，在x-o-y平面沿Δx＝Δy＝λ/2的步长运动，完成LFMCW的发射和采集后再移动到相邻步长的位置。

对待测量表面的轮廓起伏进行测量，统计出目标表面形貌参数粗糙度δ和相关长度l，估计运动中目标表面法向量最大变化角度Δθ。设定散斑对比度阈值a

式中，

式中，L

式中D表示微波成像系统孔径，z表示测量目标平面和成像孔径平面的距离，sinc

然后再测量目标平面到成像孔径平面的距离，通过二维LFMCW孔径雷达获取目标点的三维回波，得到目标平面运动前后的主从微波散斑图像。其中，主从微波散斑图像的成像方法包括距离徙动算法、距离多普勒算法和后向投影算法等。

微波散斑成像模块还包括以下子模块：

成像计算模块：计算目标平面到成像孔径平面的参考距离z和二维LFMCW雷达孔径D大小；

二维直线滑台模块：装载单天线线性调频连续波LFMCW模块并运动；

单天线线性调频连续波LFMCW模块：发射LFMCW信号；

上位机模块：与其他模块相连接，根据散斑成像参数，控制二维直线滑台模块在平面内到达指定位置，接收LFMCW信号，获取目标点的三维回波，得到微波散斑图像。

测点跟踪模块：计算主从散斑图像在成像平面的亚像素精度位移；

其中，二维直线滑台模块和单天线线性调频连续波LFMCW模块可以使用实孔径LFMCW天线阵列替代，也可以使用一维直线滑台和多发多收线性调频连续波MIMO-LFMCW替代。

参照图2所示，使用二维孔径采集指定带宽的LFMCW基带信号，获取三维回波s

其中，x

式中，c为真空中的光速，f

对每个通道的距离像的峰值的横坐标取平均值，对于与孔径平面平行的目标，距离像的峰值横坐标差异较小，估计参考距离z

R

z

式中，R

A(x,y)＝IFFT

式中，FFT

参照图2和图4所示，采用以下的优选具体实施例：对于粗糙度0.199mm,相关长度1.114mm的粗糙砖面(尺寸100mm×80mm)，计算得到的成像参数为：微波波长＝3.8mm，微波带宽＝4GHz，微波孔径＝152mm×152mm，测试距离＝300mm。在x方向偏移0.8个像素，并沿z轴平移0.5mm，得到的主从散斑图案参照图5所示。可以看出，本发明在不需要任何人工标记的情况下，在粗糙面形成具有特征的灰度图案，克服了现有微波全场测量技术需要安装包括角反射器在内的靶标的使用局限。

参照图6和图7所示，选择A

A′

x∈[x

式中，A′

从i＝1起遍历像素子区的大小并计算A′

式中，C

可以看出，子区像素尺寸超过10后，可以实现稳定的追踪，在像素尺寸为1.9mm×1.9mm的成像参数下，可以在100mm×80mm的粗糙砖面上至多形成2000个左右的测点。能够看出本发明将测点数量从加速度组网级别提升到视觉全场测量方法量级。选择相关系数峰值Γ

式中，

求解优化问题：

式中，Δx,Δy表示x，y方向的亚像素偏移估计结果，argmin表示为求向量二范数的最小值，s.t.为对Δx,Δy的求解约束；

测点跟踪模块包括以下子模块：

二维相关系数计算模块：遍历像素窗的大小，计算满足散斑图像质量阈值要求的主从散斑图像二维相关系数，提取主从散斑图像二维相关系数峰值的大小并改变主散斑图像的亚像素尺寸大小；

亚像素计算模块：在孔径平面建立空间坐标系，选择主从散斑图像二维相关系数x方向或y方向峰附近测点，用sinc函数进行非线性回归；非线性回归的具体回归函数为M(x，β)＝β(1)sinc[β(2)(x-β(3))]，其中β＝[β(1),β(2),β(3)]

式中β

参照图8所示，首先输入最大迭代步数k

A＝J(X)

B＝J(X)

β

β

其中，J表示雅可比矩阵，I为单位矩阵。β

根据下式计算的增益比ρ来调整步长因子，直到满足迭代要求：

式中，e

得到的目标点的面内亚像素精度位移为：

式中，Δx,Δy分别表示x方向和y方向的亚像素偏移估计结果，β

参照图9所示，其中(a)为x方向时的亚像素拟合结果，(b)为y方向时的亚像素拟合结果。可以看到x方向和y方向的亚像素精度均高于0.1倍的像素尺寸。

根据像素位移匹配测点，选择对应测点进行干涉。由于目标平面与孔径平面近似平行，所以忽略电磁波x-，y-方向的分量，计算z方向位移：

其中，k为微波的波数，φ{·}表示取复数相位，A

参照图10所示，其中(a)为全场离面位移测量结果，(b)为全场离面位移测量绝对误差。若使用多个成像系统测量粗糙面的三维全场位移，各系统所得微波散斑图案的配准方式皆可按照本发明所述方法。因此，本发明也为微波三维测量提供方便准确的测点配准方案。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。