王永紅，呂有斌，高新亞，但西佐，楊連祥，2

(1.合肥工業(yè)大學 儀器與光電工程學院，安徽 合肥 230009；2.美國奧克蘭大學 機械工程系，羅切斯特 48309)

剪切散斑干涉技術及應用研究進展

王永紅1*，呂有斌1，高新亞1，但西佐1，楊連祥1，2

(1.合肥工業(yè)大學 儀器與光電工程學院，安徽 合肥 230009；2.美國奧克蘭大學 機械工程系，羅切斯特 48309)

剪切散斑干涉技術是一種非接觸測量物體變形缺陷的光學無損測量方法，其通過計算物體變形前后的散斑圖中的相位獲取被測物的應變?nèi)毕菪畔?。近年來該技術在航空、航天等工業(yè)無損檢測領域得到了廣泛的應用。本文從系統(tǒng)關鍵技術、散斑圖像處理技術兩方面介紹了剪切散斑干涉技術的研究進展，詳細論述了多種剪切裝置實現(xiàn)大視角測量、空間載波實現(xiàn)動態(tài)測量、多種圖像處理算法的一系列剪切散斑干涉技術；最后介紹了剪切散斑干涉技術的國內(nèi)外應用進展，展望了剪切散斑干涉技術在動態(tài)測量、光滑表面測量及定量反算形變量等方面的發(fā)展趨勢。

剪切散斑干涉；大視角；動態(tài)測量；圖像處理

1 引 言

剪切散斑干涉技術是運用光學、計算機、數(shù)字圖像處理等現(xiàn)代技術發(fā)展起來的全場無損檢測技術，其通過測量物體變形前后的相位信息來獲取被測物的變形、應變和缺陷信息。20世紀70年代，人們在電子散斑干涉(ESPI)的基礎上提出剪切散斑干涉技術(shearography)[1-2]，它的優(yōu)點是2束物光互相干，不需額外引入?yún)⒖脊?，從而簡化了光路，其所用的激光器相干長度較小，降低了對測量環(huán)境的隔振要求。經(jīng)過不斷的研究發(fā)展，該技術在航空、航天、材料和機械等領域得到廣泛應用，可對航天飛行器和飛機機身、機翼控制面、游艇殼體、風力發(fā)電葉片及雷達罩等復合材料構件的分層、脫粘、假粘、皺折、裂紋、撞擊損傷等缺陷進行無損檢測[3]。Shearography技術還可應用于殘余應力表征、振動分析、應變測量、材料特性檢測等。剪切散斑干涉的測量過程是通過CCD記錄物體變形前后的散斑圖，并對散斑圖進行相位相減、濾波、解包裹[4-5]等一系列圖像處理后獲得被測物的變形和應變信息。

近年來，國內(nèi)外研究人員圍繞shearography做了大量研究。針對測量視場角較小的問題，提出了在原有的剪切散斑光路中植入4f系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了測量視場角的增大[5]。針對原先系統(tǒng)只能實現(xiàn)靜態(tài)或準靜態(tài)物體的問題，提出了空間相移技術，實現(xiàn)動態(tài)測量[6]。隨著新的光路結構和系統(tǒng)關鍵參數(shù)的研究，shearography測量速度更快，更精確，應用更廣泛。本文將從剪切散斑干涉關鍵技術、散斑干涉條紋處理及國內(nèi)外剪切散斑干涉技術應用等方面對該技術進行詳細介紹。

2 剪切散斑干涉關鍵技術研究進展

20世紀70年代初，Leendertz和Hung分別對剪切散斑干涉技術進行了研究，他們使用不同的剪切裝置得到了散斑圖。20世紀80年代，剪切散斑技術名詞出現(xiàn)[7]，并得到學術界的認可。傳統(tǒng)的剪切裝置類型有邁克爾遜型、馬赫曾德型、反射性光楔型、菲涅爾棱鏡型、渥拉斯頓型等。剪切散斑干涉技術將被測物上兩個相鄰物點的散射光通過剪切裝置相互干涉，并在CCD上成像于一點，從而形成散斑。目前剪切散斑干涉關鍵技術有以下幾方面研究熱點：傳統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng)視場角較小限制其發(fā)展應用，而實際應用中大視場測量成為急需解決的問題；此外，在工業(yè)應用中需滿足實時動態(tài)測量要求，使得近年來動態(tài)測量成為研究熱點。下面針對這兩方面關鍵技術介紹研究進展。

2.1 基于大視場的剪切散斑干涉系統(tǒng)

圖1 4f光學系統(tǒng)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of 4f optical system

傳統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng)測量視場角受到光學器件尺寸影響。如常規(guī)的邁克爾遜型和馬赫曾德型剪切散斑干涉系統(tǒng)的測量角受到分光棱鏡尺寸限制，使其視場角不超過28°，限制了單次測量范圍。國內(nèi)外研究人員針對其視場較小問題，設計出各種大視場剪切散斑干涉系統(tǒng)，如在剪切散斑光路中采用4f系統(tǒng)。4f光學圖像傳遞原理如圖1所示，當物體(像)位于透鏡1輸入平面時，所成的像位于透鏡1、透鏡2的共焦平面上，最后成像于透鏡2的探測平面。將成像鏡頭的像平面和透鏡輸入平面重合，將CCD置于探測平面上即可成像，成像放大倍率M=-f2/f1。

傳統(tǒng)的馬赫曾德型剪切裝置視場角受到第一塊分光棱鏡尺寸限制，如圖2所示。2012年，Changqing Cai提出基于4f的馬赫曾德剪切散斑干涉系統(tǒng)，如圖3所示，成像鏡頭1的焦點和透鏡7焦點重合，透鏡7和透鏡8關于平面鏡6的鏡像的焦點重合。一光束通過成像透鏡、透鏡7后成為平行光經(jīng)過分光棱鏡3分成兩束光，兩束光分別經(jīng)過平面鏡5、6反射，通過傾斜其中的一個平面鏡，產(chǎn)生剪切量，最終在CCD形成了兩點。該系統(tǒng)的視場角只取決于成像透鏡的焦距和CCD靶面尺寸[8]，與分光棱鏡尺寸無關，從而可以通過更換不同的成像鏡頭和CCD來滿足不同的測量需求。

圖2 傳統(tǒng)的馬赫曾德干涉示意圖 Fig.2 Schematic diagram of traditional Mach-Zehnder interferometer

圖3 基于4f系統(tǒng)的馬赫曾德干涉示意圖 Fig.3 Schematic diagram of Mach-Zehnder interferometer with 4f system

2014年，朱猛設計出大視場雙縫載頻散斑干涉檢測系統(tǒng)[9]，如圖4所示。該成像系統(tǒng)由廣角成像透鏡和4f成像系統(tǒng)組成，通過更換成像透鏡實現(xiàn)不同視場的切換。該系統(tǒng)中使透鏡2關于反射鏡的鏡像的焦點和透鏡1焦點重合，從而實現(xiàn)4f系統(tǒng)，雙縫可以實現(xiàn)楊氏干涉，剪切量通過光楔調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)大視場動態(tài)測量，通過轉折的方式使光路長度縮小，系統(tǒng)更加緊湊。要實現(xiàn)廣角成像，除了上述4f系統(tǒng)外，反遠距成像光路也是常用方法。2014年，朱猛等人提出將反遠距成像光路加入到剪切散斑系統(tǒng)中以滿足大視場要求[10]，即在一組負透鏡組和標準成像透鏡之間加入邁克爾遜剪切裝置。根據(jù)視場要求，可以增減負透鏡個數(shù)。

圖4 大視場雙孔載頻光路 Fig.4 Optical arrangement of double-slit carrier frequent optical system with large viewing filed

王永紅、吳思進等人研究了基于4f光路的邁克爾遜剪切散斑技術[5]，研制了基于4f的邁克爾遜剪切散斑干涉系統(tǒng)[11]。與傳統(tǒng)剪切散斑系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)的視場角不再受到分光棱鏡尺寸影響，只取決鏡頭焦距和CCD靶面尺寸。且鏡頭外置，通過更換不同的鏡頭滿足不同的測量要求。圖5(a)為研制的新型大視場剪切散斑干涉系統(tǒng)原理，圖5(b)為在同等測試距離下，大視場邁克爾遜剪切散斑干涉系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)測量得到的相位條紋結果，可見新系統(tǒng)的視場范圍明顯增大。

圖5 基于4f系統(tǒng)的剪切散斑干涉系統(tǒng) Fig.5 Shearography system based on 4f system

2.2 基于空間載波的實時動態(tài)測量技術

隨著剪切散斑干涉技術的不斷發(fā)展，對實時動態(tài)無損測量的需求越來越多?？臻g域相位提取成為研究熱點，其包括空間相移法[12]、空間載波相移技術[13]、空間Fourier 變換法[14]。

2012年，李宏躍采用了基于雙孔載頻的菲涅爾雙棱鏡剪切散斑干涉光路[15]。該光路中的剪切單元由一組旋轉光楔組成，可獨立連續(xù)調(diào)節(jié)剪切量大小，雙孔和像距決定了載頻量，通過在一個散斑內(nèi)引入載波，使相鄰像素間產(chǎn)生固定的相位差。2013年，Xin Xie提出基于空間相移的邁克爾遜剪切裝置[16]，如圖6所示，4f光路增大視場角，通過傾斜一個平面鏡來控制剪切量和載波頻率，在空間頻譜上實現(xiàn)分離，并通過在成像透鏡前加上孔徑光闌控制頻譜和散斑大小。在空間頻譜域利用傅里葉變換提取相位。同時使用200 W和500 W像素CCD分別得到同狀態(tài)下的條紋圖，發(fā)現(xiàn)高像素CCD得到的條紋圖更加清晰。

圖6 空間載波相移系統(tǒng)示意圖 Fig.6 Schematic diagram of spatial carrier phase shift system interferometer

2013年，Xin Xie提出一種基于空間載波的相移技術，可以同時測量物體形變和應變[17]。在邁克爾遜剪切散斑干涉光路中，利用光纖引入一束傾斜角很小的參考光,兩束物光和一束參考光可以同時測量物體的形變及其一階導數(shù)，利用傅里葉變換在空間頻譜域獲得相位差，即可在一幅散斑圖中同時獲得形變及其一階導數(shù)。

2014年，蔡長青將馬赫曾德干涉系統(tǒng)中的第二塊分光棱鏡換成多塊反射鏡，如圖7所示，避免了光能的浪費[18]。系統(tǒng)通過旋轉M3控制剪切角，光路中的雙孔掩模為了引入空間相移所需的空間載波。

圖7 改進型馬赫曾德干涉系統(tǒng)示意圖 Fig.7 Schematic diagram of the improved Mach-Zehnder interferometer

圖8 空間載波相移系統(tǒng)、頻譜圖和相位圖 Fig.8 Spatial carrier phase-shifting shearography system, spectrum and filtered phase map

2015年，王永紅等人提出基于狹縫光闌的動態(tài)測量方法[19]，詳細闡述了散斑尺寸、狹縫尺寸、CCD像素尺寸和剪切角之間的關系，研制了基于狹縫光闌的剪切散斑干涉系統(tǒng)。該系統(tǒng)在成像透鏡前放置狹縫光闌代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓孔光闌，在其空間頻譜域選取高頻信息，利用傅里葉逆變換提取相位，可以在單幅散斑干涉圖完成相位提取，從而實現(xiàn)動態(tài)形變測量。圖8(a)為組建的基于空間載波剪切散斑干涉實驗系統(tǒng)，圖8(b)為采用狹縫光闌獲得的散斑干涉圖的傅立葉頻譜，圖8(c)為利用空間載波相移技術解算獲得的濾波相位圖。

2.3 剪切散斑干涉系統(tǒng)參數(shù)研究

剪切散斑干涉系統(tǒng)的參數(shù)對無損測量也有較大的影響，近年來也得到研究人員的重視。2012年，林翠翠研究了剪切量對測量精度、條紋對比度的影響[20]：剪切量越小，測量精度越高，散斑場的相關性越強。2012年，林超研究了剪切量對降噪的影響[21]，驗證了剪切量的選擇會影響理想光場相位和含有噪聲的光場相位之間的線性關系，得出噪聲較小時，使用較小的剪切量進行降噪處理，反之使用較大的剪切量進行降噪處理的結論。2012年，賈大功介紹了測量剪切量的四種方法[22]：公式法、成像法、莫爾條紋法和相關法，并給出了每種方法最適用的場合。2014年，丁效紅對散斑條紋圖進行二值化及條紋細化得到條紋骨架線，對骨架線沿剪切方向進行相位擬合，再引入高斯插值，可以定量計算出離面位移大小[23]。為了使shearography能適應物體大變形測量，2015年，郭媛利用雙波長的剪切散斑技術對復合材料進行測量[24]，得到的雙波長相位條紋數(shù)是單波長的0.189倍，該方法適用于大變形缺陷的測量，避免了條紋過密或者欠采樣給相位提取和解包裹帶來的困難。

3 散斑干涉條紋處理算法研究

散斑干涉技術測量原理是對物體變形前后記錄的干涉條紋進行處理，從散斑干涉場中提取出與被測物理量相關的相位信息。在散斑干涉測量中，對干涉條紋進行處理可以分為以下幾個階段：(1)相位提取；(2)圖像去噪處理；(3)相位解包裹。下面分別對幾方面進行介紹。

3.1 相位提取算法研究

上世紀80年代，相移技術逐漸用到shearography的相位提取中，使靜態(tài)物體的測量精度得到極大提高。常用的相移法有時間相移法(TPM)、空間相移法(SPM)和Fourier變換法(FTM)等[25]。TPM是目前應用廣泛的相位提取技術，其中4+4算法應用最為廣泛。一些學者也提出了三步相移算法[26]和五步相移算法[27]。對動態(tài)運動物體的測量，時間域上提出了4+1算法，空間域上提出了空間載波相移技術，該技術利用傅里葉變換在空間頻譜中提取相位。近年來，國內(nèi)外相繼提出一些新的相位提取算法。2011年，Yuanhao Huang提出聚類相位分析方法提取相位[28]，并基于傅里葉變換的相位濾波進行條紋頻率分析和自適應濾波。2011年，Li Kai提出用最小二乘法計算連續(xù)兩幅散斑圖相位差的算法[29]，將前一幅圖作為參考圖，不斷刷新測量中的參考圖，實現(xiàn)動態(tài)測量，并使用窗口傅里葉濾波對參考圖濾波，解決了散斑去相關問題和避免了不斷刷新參考圖過程中積累的誤差。2015年，郭媛提出單幅條紋圖提取真實相位算法[30]。該算法不需要相移解包裹，直接將條紋圖進行希爾伯特變換得到泊松方程，然后利用加權離散余弦變換(WDCL)求解泊松方程，得到的解即真實相位。

3.2 濾波算法研究

為了獲得真實的相位分布，需要對干涉圖進行相位解包裹計算。但是生成的包裹相位圖含有大量的噪聲，嚴重影響了相位解包裹的結果和精度，甚至會因噪聲過大而造成相位解包裹的失敗。因此濾波成為散斑條紋圖處理的重要部分。近年來，國內(nèi)外許多學者做了大量的研究工作，提出了中值濾波、均值濾波、傅里葉變換濾波等各種算法。傳統(tǒng)的濾波方法，在濾掉散斑噪聲的同時，也會濾掉、模糊許多有用的信息。H. A. Aebischer 等人提出了正余弦濾波方法，保留了圖像中的“尖峰”信息；秦玉文等人提出一種基于回歸算法的條紋濾波技術；于起峰等人提出的一種帶門限的旋濾波方法；王開福等人提出的一種基于同態(tài)濾波原理的條紋濾波方法，對相位圖去噪的同時可以增強圖像的對比度；顧國慶采用了同態(tài)濾波方法對條紋圖進行濾波[31],該方法是一種將灰度變換和頻域濾波相結合的圖像處理方法，通過利用同態(tài)濾波原理設計的濾波器將有用信息拓展，將無用信息濾除，既濾除了噪聲，也提高條紋對比度。王永紅等人采用了將正余弦分解和頻域低通濾波相結合的濾波方法[32]，該方法將相位圖先進行正余弦變換得到兩幅圖，分別對著兩幅圖進行頻域低通濾波，再將這兩幅圖進行合成。該方法在有效保留了跳變信息的基礎上，也保證了良好的濾波效果。

3.3 解包裹算法研究

經(jīng)過濾波后得到的是包裹相位圖，相位在[-π～π]之間，并不能反映真實相位信息，因此解包裹必不可缺。從20世紀70年代初開始，人們就開始研究一維的相位解包裹算法，通常采用積分的方法，計算相鄰點的主值差的積分。隨著數(shù)字圖像處理的發(fā)展，相位解包裹算法需要應用到二維圖像中，因此二維的相位解包裹技術得到了快速的發(fā)展。最早的二維相位解包裹算法是由Takeda提出的，他通過行列逐點算法，實現(xiàn)了對原始相位圖的解包裹處理。但這種方法常常會受到噪聲誤差和條紋間斷區(qū)的影響，出現(xiàn)解調(diào)錯誤。近年來研究人員提出了一些新的解包裹算法。2012年，何光宏提出了根據(jù)可靠度引導實現(xiàn)解包[33]，各像素相鄰點的鄰接線可靠度的高低決定了解包裹路徑。傳統(tǒng)的最小二乘法不能限制誤差傳遞，也得不到精確的解包裹相位，2012年，錢曉凡分析該算法誤差特點，提出了可以得到精確解包裹相位算法[34]。針對解包裹速度慢的不足，2014年，郭媛提出一種新的基于最小二乘的解包裹算法[35]，該算法直接求取解包裹算法中的k值，并取整計算，從而加快了迭代速度，減少了誤差。

4 國內(nèi)外Shearography技術應用發(fā)展

Shearography具有全場、非接觸、實時快速和高精度等優(yōu)點，被廣泛應用在科研、航空航天領域的復合材料缺陷檢測。國內(nèi)外研究人員用該技術對多種材料進行了缺陷檢測。2005年，M.Kalms[36]介紹了用shearography技術對處于負壓中的直升機螺旋槳轉葉進行脫粘和結構缺陷檢測，對于結構相當復雜的部件，采用一個6自由度的機器人來定位相機，圖9(a)為固定在機械臂上的剪切散斑干涉儀，通過控制機械臂對被測物進行多方位檢測，圖9(b)為放置檢測儀的負壓裝置。2010年，張堅[37]利用shearography技術對蒙皮為玻璃鋼，蜂窩結構材料為紙的蜂窩板復合材料進行缺陷檢測。2011年，李慧娟對膠接方式連接的復合材料進行了脫膠缺陷檢測，測量結果精度控制在10%以內(nèi)[38]。2012年，程文[39]對已知缺陷的雙層蜂窩粘結復合材料和多層粘結復合材料進行檢測，該系統(tǒng)靈敏度高，檢測結果無遺漏。2014年，張旭剛利用shearography技術測量預埋缺陷的層壓板[40]，該層壓板預埋了深度不同、尺寸大小不同的缺陷，為了驗證缺陷深度、尺寸大小及加熱時間對測量精度的影響。

圖9 6自由度的機器人檢測系統(tǒng) Fig.9 Robot detection system with 6 degrees of freedom

2012年，G.De Angelis使用電壓驅動器實現(xiàn)動態(tài)振動加載[41]，對已知缺陷的層壓板進行檢測，從每個缺陷的振動頻率中算出缺陷大小深度。2013年，蔡懷宇提出基于邁克爾遜剪切散斑干涉測量玻璃厚度的均勻性[42]。待測玻璃放在一個平面鏡前，傾斜另一塊平面鏡引入載波，通過傅里葉變換、三角變換法和相位解包裹提取相位信息。用一定長度的斜率來表示厚度的均勻性。2014年，Leszek結合holography和shearography技術[43]，利用擴音器使博物館中壁畫表面振動，利用振動來檢測缺陷的大小和分布，圖10(a)為原始壁畫圖像，紅色方格表示檢測區(qū)域,圖10(b)表示檢測區(qū)域內(nèi)的兩個缺陷條紋。

圖10 壁畫的ESSPI檢測結果 Fig.10 Test results of mural based on ESSPI

近年來，國際上激光剪切散斑干涉無損檢測技術有了較大發(fā)展，已成功應用于航空、航天及機械的無損檢測中，例如飛行器部件、復合材料分離部位、蜂窩結構中的裂紋、分層、開裂和氣孔等缺陷檢測。如應用于阿帕奇直升機旋翼、波音757擾流板、空客A330發(fā)動機換向器、B-2飛機蒙皮與芯子粘接層、F-22戰(zhàn)斗機機身、F-16前副翼、Marshall宇航飛行中心火箭泡沫隔熱層(SOFI)及固體火箭推進器 MSA-2等的缺陷檢測。此外，剪切散斑檢測技術在復合材料帆船、復合材料包裹壓力容器、風力發(fā)電機葉片等的缺陷檢測方面都有成功應用。目前在國外已經(jīng)有較為成熟的剪切散斑干涉檢測系統(tǒng)，在國內(nèi)外航空航天等部門都有用戶。國內(nèi)的一些高校和公司也開發(fā)了剪切散斑干涉系統(tǒng)，應用在大學及實驗室開展教學和科研，但自動化程度較低，尚未達到實際工程應用的要求，與國外剪切散斑無損檢測儀器相比還有一定的差距。在國家重點研發(fā)計劃重大科學儀器開發(fā)專項的支持下，合肥工業(yè)大學的研究團隊正在進行剪切散斑無損測量系統(tǒng)的自主研制與開發(fā)，實現(xiàn)無損檢測系統(tǒng)的儀器化和國產(chǎn)化。

5 結束語

Shearography技術經(jīng)過了多年的發(fā)展，其全場、快速、實時、高精度等獨特優(yōu)勢在實踐應用中得到充分體現(xiàn)。未來剪切散斑干涉的技術發(fā)展主要有以下幾方面：(1)剪切散斑干涉技術適應高速動態(tài)的測量應用領域, 重點突破實時相移技術，同時有效改善散斑干涉圖像質量；(2)剪切散斑干涉測量適用于粗糙表面物體，針對光滑表面的測量應用需要研究新的散斑干涉技術方法；(3)剪切散斑干涉獲取的數(shù)據(jù)結果為變形/應變的導數(shù)，需要研究數(shù)據(jù)結果如何快速精確地反算成直接的變形/缺陷數(shù)據(jù)的技術方法，從而實現(xiàn)缺陷的準確定位與定量。隨著計算機技術和圖像處理技術的發(fā)展，大面積動態(tài)散斑測量技術的不斷研究和提高，剪切散斑干涉技術不僅在傳統(tǒng)的航空航天材料無損檢測領域，在汽車、機械、建筑等行業(yè)的檢測與測量領域都將有良好的應用前景。

[1] RASTOGI P K. Speckle and speckle shearing interferometry—II.at the threshold of a new era[J].Optics&LasersinEngineering,1997,26(26):279-282.

[2] 洪友仁,何浩培,何小元.剪切散斑:一種光學測量技術及其應用[J].實驗力學,2006,21(6):667-688. HONG Y R,HE H P,HE X Y. Shearography: an optical measurement technique and applications[J].J.ExperimentalMechanics,2006,21(6):667-688.(in Chinese)

[3] WANG Y H,THOMSA D,ZHANG P,etal.. Whole field strain measurement on complex surfaces by digital speckle pattern interferometry[J].MaterialsEvaluation,2008,66(5):507-512.

[4] 李喃.數(shù)字散斑干涉條紋信息處理技術研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學,2012：11-40. LI N. Research of digital speckle pattern interferometry fringe information process[D]. Hefei:Hefei University of Technology,2012：11-40.(in Chinese)

[5] 吳思進.新型邁克爾遜型數(shù)字剪切散斑干涉術的研究[D].北京：北京交通大學,2012. WU S J. Study of novel Michelson-type digital shearography[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2012. (in Chinese)

[6] XIN X,LIAN X Y,NAN X,etal.. Michelson interferometer based spatial phase shift shearography[J].AppliedOptics,2013,52(17):4063-4071.

[7] HUNG Y Y,GRANT R M. Shearography:a new optical method for nondestructive evaluation of tires[J].RubberChemistry&Technology,1981,54(5):1042-1050.

[8] CAI C,HE L. Improved Mach-Zehnder interferometer-based shearography[J].Optics&LasersinEngineering,2012,50(12):1699-1705.

[9] 朱猛,李翔宇,龍寧波,等.大視場雙縫載頻散斑干涉成像檢測系統(tǒng)[J].光學 精密工程,2014,22(1):13-17. ZHU M,LI X Y,LONG N B,etal.. Double-slit based carrier frequency speckle interferometric system with large viewing field[J].Opt.PrecisionEng.,2014,22(1):13-17.(in Chinese)

[10] 朱猛,李翔宇,李秀明,等.反遠距成像相移剪切散斑干涉檢測系統(tǒng)[J].激光技術,2014,38(1):49-53. ZHU M,LI X Y,LI X M,etal.. Phase shifting and shearing speckle interferometry system with retro-focus imaging[J].LaserTechnology,2014,38(1):49-53.(in Chinese)

[11] 馮家亞,王永紅,王鑫,等.基于4f的大視角剪切散斑干涉系統(tǒng)設計[J].應用光學,2015,36(2):188-193. FENG J Y,WANG Y H,WANG X,etal.. Design of digital shearography with wide angle of view based on 4f system[J].J.AppliedOptics,2015,36(2):188-193.(in Chinese)

[12] 張磊,劉斯寧,林殿陽,等.基于空間載波條紋圖的相位提取方法研究進展[J].激光技術,2005,29(1):90-93. ZHANG L，LIU S N，LIN D Y,etal.. The progress of extracting phase information based on spatial carrier fringe pattern analysis[J].LaserTechnology，2005，29(1)：90-93.(in Chinese)

[13] 劉佩,王永紅,馮家亞,等.偏轉角空間載波相位檢測技術[J].光電工程,2015,42(3):39-43. LIU P,WANG Y H,FENG J Y,etal.. Phase detection technology in spatial carrier based on deflection angle[J].Opto-ElectronicEngineering,2015,42(3):39-43.(in Chinese)

[14] 黃芳,張文靜,王海燕,等.基于FFT的散斑干涉術測物體變形[J].激光與紅外,2012,42(2):124-128. HUANG F，ZHANG W J，WANG H Y,etal.. Object deformation measurement based on FFT speckle pattern interferometry[J].Laser&Infrared，2012，42(2)：124-128.(in Chinese)

[15] 李宏躍.空間載頻剪切散斑干涉技術研究[D].天津：天津大學,2012. LI H Y. Research on technology of spatial carrierfrequency shearography[D]. Tianjin:Tianjin University,2012.(in Chinese)

[16] XIN X,LIAN X Y,NAN X,etal.. Michelson interferometer based spatial phase shift shearography[J].AppliedOptics,2013,52(17):4063-71.

[17] XIE X,XU N,SUN J,etal.. Simultaneous measurement of deformation and the first derivative with spatial phase-shift digital shearography[J].OpticsCommunications,2013,286(1):277-281.

[18] 蔡長青,張永山,汪大洋,等.新型剪切散斑干涉系統(tǒng)研究[J].激光與光電子學進展,2014,51(11):135-139. CAI CH Q,ZHANG Y SH,WANG D Y,etal.. Research on new shearing speckle interferometry system[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2014,51(11):135-139.(in Chinese)

[19] 王永紅,馮家亞,王鑫,等.基于狹縫光闌的剪切散斑干涉動態(tài)測量[J].光學 精密工程,2015,23(3):645-651. WANG Y H,FENG J Y,WANG X,etal.. Shearing speckle interferometry based on slit aperture for dynamic measurement[J].Opt.PrecisionEng.,2015,23(3):645-651.(in Chinese)

[20] 林翠翠,劉文耀,王晉疆.電子錯位散斑干涉系統(tǒng)中錯位量的研究[J].光電工程,2012,39(3):88-93. LIN C C，LIU W Y,WANG J J. Research of shear in electronic shearography speckle pattern interferometry[J].Opto-ElectronicEngineering,2012,39(3):88-93.(in Chinese)

[21] 林超,錢曉凡,饒帆,等.剪切量選擇對剪切干涉降噪的影響[J].激光與光電子學進展,2012,49(3):79-83. LIN CH,QIAN X F,RAO F,etal.. The influence of shearing quantity selection in shearing interferometry noise reduction[J].Laser&OptoelectronicsProgress,2012,49(3):79-83.(in Chinese)

[22] 賈大功,武立強,馬彩繽,等.剪切散斑干涉術中剪切量的測量[J].光學 精密工程,2012,20(2):226-232. JIA D G,WU L Q,MA C B,etal.. Shear measurement of shearing speckle interferometry[J].Opt.PrecisionEng.,2012,20(2):226-232.(in Chinese)

[23] 丁效紅.基于數(shù)字剪切散斑定量計算離面位移的方法研究[D].昆明：昆明理工大學,2014. DING X H. Method study on quantitative calculation of out-of-plane displacement based on digital shearography[D]. Kunming:Kunming University of Science and Technology,2014.(in Chinese)

[24] 郭媛,毛琦,陳小天,等.雙波長剪切散斑干涉法在復合材料缺陷檢測中的應用[J].光子學報,2015,44(3):312001-0312001. GUO Y,MAO Q,CHEN X T,etal.. Applied research of dual-wavelength shearography for flaw detection of composite material[J].ActaPhotonicaSinica,2015,44(3):312001-0312001.(in Chinese)

[25] 楊連祥,祝連慶,謝辛,等.電子散斑干涉測量中相移技術的新發(fā)展[J].北京信息科技大學學報:自然科學版,2013,28(2):1-8. YANG L X,ZHU L Q,XIE X,etal.. New development of phase-shift techniques in electronic speckle pattern interferometry[J].J.BeijingInformationScienceandTechnologyUniversity,2013,28(2):1-8.(in Chinese)

[26] CHO J T,CHENG G Q,LUJIE C. Phase retrieval with a three-frame phase-shifting algorithm with an unknown phase shift[J].AppliedOptics,2005,44(8):1401-1409.

[27] NOVAK J. Five-step phase-shifting algorithms with unknown values of phase shift[J].Optik-InternationalJ.LightandElectronOptics,2003,114(2):63-68.

[28] YUANHAO H,FARROKH J S,YUSHENG L,etal.. Dynamic phase measurement in shearography by clustering method and Fourier filtering[J].OpticsExpress,2011,19(2):606-615.

[29] LI K,QIAN K. Dynamic phase retrieval in temporal speckle pattern interferometry using least squares method and windowed Fourier filtering[J].OpticsExpress,2011,19(19):18058-66.

[30] 郭媛,陳小天,毛琦,等.單幅干涉條紋圖相位提取新算法[J].激光與紅外,2015,45(1):94-98. GUO Y,CHEN X T,MAO Q,etal.. Phase extraction algorithm for single interference fringe pattern[J].Laser&Infrared,2015,45(1):94-98.(in Chinese)

[31] 顧國慶,王開福,燕新九.基于同態(tài)濾波的電子散斑干涉圖像處理[J].激光技術,2010,34(6):750-752. GU G Q,WANG K F,YAN X J. Electronic speckle interferometry image processing based on homomorphic filtering[J].LaserTechnology,2010,34(6):750-752.(in Chinese)

[32] 王永紅,李駿睿,孫建飛,等.散斑干涉相位條紋圖的頻域濾波處理[J].中國光學,2014,7(3):389-395. WANG Y H,LI J R,SUN J F,etal.. Frequency domain filtering for phase fringe patterns of digital speckle pattern interferometry[J].ChineseOptics,2014,7(3):389-395.(in Chinese)

[33] 何光宏,禮四同,王茂林,等.可靠度導引的相位解包裹算法[J].激光雜志,2012,33(3):25-26. HE G H,LI S T,WANG M L,etal..Phase unwrapping algorithm based on reliability[J].LaserJournal,2012,33(3):25-26.(in Chinese)

[34] 錢曉凡,饒帆,李興華,等.精確最小二乘相位解包裹算法[J].中國激光,2012,39(2):183-187. QIAN X F,RAO F,LI X H,etal.. Accurate least-squares phase unwrapping algorithm[J].ChineseJ.Laser,2012,39(2):183-187.(in Chinese)

[35] 郭媛,陳小天.基于最小二乘相位解包裹改進算法的研究[J].中國激光,2014,41(5):189-194. GUO Y,CHEN X T. Study of improved phase unwrapping algorithm based on least squares[J].ChineseJ.Laser,2014,41(5):189-194.(in Chinese)

[36] KALMS M,JUEPTNER W. A mobile shearography system for non-destructive testing of industrial and artwork components[J].KeyEngineeringMaterials,2005,295-296(1):165-170.

[37] 張堅,耿榮生.復合材料的現(xiàn)場電子剪切散斑檢測技術研究[J].無損檢測,2007,29(1):88-92. ZHANG J,GENG R SH. Studies on filed-applicable shearography NDT of airplane composites[J].NDT,2007,29(7):378-381.(in Chinese)

[38] 李慧娟,張京燾,黃振華.激光剪切散斑方法對脫粘缺陷的定量測量[J].宇航材料工藝,2011,41(5):85-88. LI H J,ZHANG J T,HUANG ZH H. Quantitative measurement for disbanding defect using shearograohy[J].AerospaceMaterials&Technology,2011,41(5):85-88.(in Chinese)

[39] 程文,張宏菊.激光剪切散斑檢測技術在飛機復合材料檢測中的應用[J].青島大學學報:工程技術版,2012,27(4):80-83. CHEN W,ZHANG H J. Applide of shearography in aircraft composite material[J].J.QingdaoUniversity(E&T),2012,27(4):80-83.(in Chinese)

[40] 張旭剛,張素香,程旭,等.層壓結構復合材料的激光剪切散斑檢測[J].無損檢測,2014,36(7):56-59. ZHANG X G,ZHANG S X,CHENG X,etal.. Laser Speckle Shearography Testing of Composite Laminate[J].NDT,2014,36 (7):56-59.(in Chinese)

[41] ANGELIS G D,MEO M,ALMOND D P,etal.. A new technique to detect defect size and depth in composite structures using digital shearography and unconstrained optimization[J].Ndt&EInternational,2012,45(1):91-96.

[42] 蔡懷宇,李宏躍,朱猛,等.用空間載頻法測量玻璃平板的厚度均勻性[J].光學 精密工程,2013,21(2):260-266. CAI H Y,LI H Y,ZHU M,etal.. Measurement of thickness uniformity for glass plate by spatial carrier[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(2):260-266.(in Chinese)

[43] LESZEK K. Combining digital speckle pattern interferometry with shearography in a new instrument to characterize surface delamination in museum artefacts[J].J.CulturalHeritage,2015,16(4):544-550.

Research progress in shearography and its applications

WANG Yong-hong1*, LYU You-bin1, GAO Xin-ya1, DAN Xi-zuo1, YANG Lian-xiang1,2

(1.SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,OaklandUniversity,Rochester48309,USA)

Shearography is an optical non-destructive measurement method for defects detection without contacting objects. Using this method we can obtain the information of defects by calculating phases of speckle pattern of the object before and after deformations. This technology has been widely used in aerospace and other industrial non-destructive measurement fields. In this paper, we introduce the progress of shearography from two aspects: its key technologies which include various shearing device for achieving a large viewing angle and spatial carrier technology for dynamic measurement, and speckle image processing technology which includes a variety of image processing algorithms. Finally, we describe the domestic and international application of shearography and prospect the development direction on the application of shearography to the dynamic measurement, measurement of smooth surfaces and back-calculation of deformation derivatives for the amount of deformation quantitatively calculated.

shearography;large viewing angle;dynamic measurement;image processing

2017-01-11；

2017-02-27

國家重點研發(fā)計劃資助項目(No.2016YFF0101803)；國家自然科學基金資助項目(No.51375136) ；中航工業(yè)產(chǎn)學研專項資助項目(No.CXY2013HFGD22) Supported by National Key Research and Development Program(No.2016YFF0101803); National Natural Science Foundation of China(No.51375136); Special Project of Industry-University-Research of AVIC(No.CXY2013HFGD22)

2095-1531(2017)03-0300-10

O436.1; TP394.1

A

10.3788/CO.20171003.0300

王永紅(1972—)，男，博士，教授，主要從事光學精密測試、激光散斑干涉檢測和機器視覺等方面的研究。E-mail：wyhgh@126.com

*Correspondingauthor,E-mail:wyh@126.com