[发明专利]基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法和系统

说明书

技术领域

本申请涉及光学测量领域，具体地说，是涉及一种基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法和系统。

背景技术

自然界中，水黾等昆虫可以在水面自由划泳或弹跳而不沉入水中。对其漂浮原理的探究将对未来航海、船舶工业、军事等领域的发展起到重要的作用。以水黾漂浮为代表的固体漂浮现象被认为是重力与浮力、表面张力与毛细力等平衡的结果。由于微小浮力测量困难，表面张力和毛细力实验复杂，导致微小物体的漂浮机理以及水上运动的机理到目前为止还不十分清楚。其中表面张力和微浮力是与液面变形相关的两个极重要的物理量，因此精确测定液面形貌及其变形，对于解释固体漂浮机理以及与液面的相互作用机理是非常重要的。

目前液面微形貌测量技术主要是基于传统的激光干涉法，J.C.Wyant提出了全息剪切干涉法(J.C.Wyant，Appl Opt，1973;12:2057–60.)，K.D.Hinsch提出了全息干涉法（K.D.Hinsch，Appl Opt，1978;17:3101-7.）。这两种测量方法由于利用激光干涉而测量灵敏度达到纳米尺寸，但是测量量程由于激光光束波长的约束而比较小，无法测量大到毫米尺寸的变形。此外，原子力显微镜液位探针探测法也可实现液面离面高度的纳米级精度测量，但其属于探针接触式点测量，只能测量单点的离面变形高度，且测量效率极低，实时性差。这三种通用测量方法所用的设备价格昂贵、测量成本高、操作复杂，不利于方法的推广和普及。A.K.Asundi提出利用条纹反射技术测量液面形貌（Huang L,A.K.Asundi等，Opt Express，2011；12809-14），这种方法操作简单，但是一般透明液体的反光能力差而透光性强会影响相机对光的捕获，使采集的信息缺失导致较大的测量误差，另外，液面曲率较大时将导致反射条纹光线无法记录。赵玉臣等（《中国激光》2012；39（9）：0908001-5），刘战伟等（Optics and Lasers in Engineering,2012；51（2）；167-171）分别提出了基于单向和正交栅线的透射虚栅法测量液面形貌。这两种方法由于使用了透射栅线的方法，放置的栅线主方向很难保证与水平方向（或竖直方向）平行，如有夹角将导致结果有较大的误差，且难于排除。同时，这两种方法一般只适用于液面静态形貌测量而不便于液面动态形貌测量。

因此，如何解决现有的液面形貌测量方法难以对液面动态形貌进行测量，测量量程小，测量效率低，实时性差，且测量方法复杂难以操作，便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法和系统，以解决现有的液面形貌测量方法难以对液面动态形貌进行测量，测量量程小，测量效率低，实时性差，且测量方法复杂难以操作的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量方法，其特征在于，包括：

把一张特制的散斑图置于所述液面底部，捕获所述液面静止时的散斑图像和所述液面变形后各时刻的散斑图像；

对所述散斑图像中的畸变运用数字散斑相关技术进行处理以获取散斑图上各个时刻的面内U、V方向的位移矢量场数据；

根据所述面内U、V方向的位移矢量场数据分别进行迭代处理以获取所述液面各个时刻的两组全场变形数据，然后对该两组全场变形数据进行数值平均处理以获取各个时刻所述液面形貌的最终结果数据，生成所述液面形貌变化图。

进一步地，其中，对所述散斑图像中的畸变运用数字散斑相关技术进行处理以获取散斑图上各个时刻的面内U、V方向的位移矢量场数据，进一步为：根据畸变的方向对发生畸变的散斑点进行处理以获取散斑图中发生畸变的所述散斑点在面内U、V方向的位移矢量场数据。

进一步地，其中，根据所述面内U、V方向的位移矢量场数据进行迭代处理以获取所述液面各个时刻的两组全场变形数据，进一步为：建立所述液面的离面变形与所述散斑图面内位移之间的函数关系，在获取所述面内U、V方向的位移矢量场数据后，根据所述函数关系进行迭代处理获得所述液面各个时刻的两组全场变形数据。

进一步地，其中，所述散斑图像，进一步为：水底散斑图将有效光源反射出所述液面后被图像捕获设备捕获到的图像。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种基于数字散斑相关技术的透明液面微形貌测量系统，其特征在于，包括：图像捕获模块、矢量处理模块以及液面微形貌处理模块；其中，