白光散斑法原理及其发展

黄 婧， 刘建军，2， 秦大辉

(1.西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

白光散斑法原理及其发展

黄 婧1， 刘建军1，2， 秦大辉1

(1.西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500;2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学)，四川成都 610500)

白光散斑法——一种较新的用于力学实验分析的方法，从其发展历程出发，简述其在40多年里的发展历史和其目前在中国国内的发展研究现状，并就其基本原理，位移信息提取的两种方法即逐点分析法和全场分析法，做了简要叙述.简单的介绍了白光散斑法的实际测量过程，并简要总结其自身独特的优势、适用的领域和其今后大体发展的趋势.图1，参27.

白光散斑法，DSCM，逐点分析法，全场分析法

从20世纪60年代开始散斑法作为一种比较新的实验分析方法发展起来，它的发展在很大一部分上是由于先于其发展的全息术在某些方面不足而产生的.例如，由于散斑照相测量方法不需要参考光即可实现物体表面变形检测，与全息术相比是一个极大的进步.一方面它使检测系统变得简单，适合面内位移和变形测量;另一方面不需要全息检测要求严格的检测环境，从而使散斑技术在应用中更有优势.不仅如此，散斑法作为一个新的方法，还具有非接触、无损、可遥感等优点.而白光散斑法作为散斑法中的一种，还有不需要相干光照明等优势.主要对白光散斑法的发展及其原理进行简述.

1 白光散斑法的发展及研究现状

1.1 白光散斑法的发展

散斑现象从被认识并加以利用到现在已经有40多年的时间了，散斑是在激光出现之后才被人们注意到的，无论是从散斑自身的性质方面的研究还是到散斑计量技术方面的发展，这些都是全新的领域，因此受到了许多的科技工作者的关注.从其发展的历史中可以看出其在短短的发展时间段中有着非常突出的表现.

1968 年 Burch和Tokaski发现了激光散斑效应，随后Burch首先用这种技术进行了位移测量.但是由于激光器的不便携带性和其光源的高度相关性，使得激光散斑法在某些方面的发展受到了一定的局限.

1975 年Forno提出一种新的技术——白光散斑法，1979年F.P.Chiang首先将其用于应变分析实验.继激光散斑法之后发展起来的白光散斑法，不仅有激光散斑法所具有的不损害被测物体、非接触测量、可以给出全场信息、适合于各种材料和表面形式等优点，同时还有采用非相干光照明、设备简单、灵敏度有较大的调整范围、可测大型结构、便于现场应用等独特优点，所以这一方法有很大的发展潜力［7］.

由于20世纪70年代，微电子技术的发展开始，使得散斑技术发展到了另一个阶段——高精度、高速、自动化.

1971 年Butters和Leendertz首先用光电子器件记录散斑场的光强信息，通过电子处理的方法获得了表示物体的位移、形变的散斑干扰条纹——电子散斑干涉法(ESPI)［8］.

1973 年，Y.Y.Hang，C.E.Taylor提出了用错位散斑照相机来测量位移导数［9］，于是，一种新的技术继电子散斑干涉法后出现——电子错位散斑干涉术(ESSPI).

20 世纪80 年代初，I.Yamaguchi［32］等人初步完成了干涉场的相关特性与计量理论的研究工作，同时，W.H.Peters、W.F.Ranson及其合作作者应用图像相关技术完成了物体表面位移、变形及振动的测量，这些工作标志着数字散斑相关方法(DSCM)的诞生［10］.

由于其相比于前述方法有对复杂环境和测量问题的更好的适应性、光路和设备都简单、测量乏味和灵敏度的可调整性、可全自动处理数据等优势，使DSCM得到了快速的发展，在这20多年里，其发展也逐渐的变得相对成熟了.

因为散斑可分为:激光散斑和白光散斑(人造散斑和天然散斑)，在DSCM发展的这20多年里，科研工作者发现DSCM中测量的散斑图可以通过用白光照明来获取，这种用白光照明来获取的散斑也就成为了DSCM中最常见的散斑，而白光数字散斑相关方法的优点可以说是数字散斑相关方法的优点和白光散斑法的优点的一个融合.

至此白光散斑法的发展也进入了信息化和全自动化的时代.

1.2 白光散斑法在国内的发展现状

在国内，中国科技大学的伍小平研究组、天津大学的秦玉文研究组、西安交通大学的谭玉山研究组、东南大学的何小元研究组、清华大学的金观昌研究组等众多科研工作者对DSCM理论和应用研究进行了大量有重要意义的工作［12］.按其发展过程主要如下:

(1)潘一山［13，14］用 DSCM 方法观测了砂岩和煤的变形局部化现象，并根据变形场的图像测量了局部化带的宽度;

(2)赵永红等［15］用DSCM方法对岩石材料的SEM图像进行了处理，测量了SEM下岩石材料位移场的非均匀分布.

(3)马少鹏，金观昌，潘一山［16］在 DSCM 方法的相关匹配搜索中提出了一个新的相关系数:

以上三式中的f=f(i，j)表示变形前散斑图中待测点的特征子图像，g=g(i+u，j+v)表示变形后散斑图中当前搜索位置特征子图像，u、v表示位移=(f)和=(g)分别为其系综平均.

(4)简龙晖等［17］提出基于小波多级分解的数字散斑相关搜索方法与传统的空域相关计算方法相比，对散斑图像进行的多级分解相计算在更大程度上提高了运算的速度和方法的适用性.

(5)潘兵 等［18］提出将整像素位移搜索和基于微区统计性质的亚像素位移梯度算法结合起来，求解变形物体面内位移的数字图像相关方法在真实情况下对计算精度进行了研究.

(6)马少鹏等［19］在分析两种亚像素求解方法各自优缺点的基础上，提出了一种结合两种算法优势的混合算法.混合算法在保证亚像素求解精度的基础上，大大降低了整个算法的计算消耗.

(7)陈俊达，等［20］用自行设计的DSCM观测系统对一种雁列断层结构加载过程中的变形场演化进行实验研究.DSCM得到的全场变形演化过程可以清晰地显示这种复杂岩石结构的破坏演化过程.

(8)陈凡秀等［21］采用亚像素搜索和曲面拟合相结合的方法表明:数字散斑相关法为研究新型薄膜材料动静态力学性能与物理性能提供了一种有效的、可行的方法.

(9)孟利波等［22］提出了一种基于图像灰度梯度迭代的DSCM方法，这种方法弥补了基于相关系数插值或拟和的DSCM方法在测量大应变位移场方面的不足，并使用该方法研究了复合材料压力容器在水压条件下的变形，给出了位移场和应变场.基于图像灰度梯度迭代的 DSCM方法是一种适宜于现场测量的无损检测方法.

(10)陈凡秀等人［23］验证了数字散斑相关方法测量电致伸缩效应的可行性和有效性.

(11)刘颢文等人［24］利用数字散斑法再现了剪切变形带成核和传播瞬间的三维变形过程.

(12)付广龙等［25］利用数字散斑相关方法有效测定了混凝土表面的变形分布情况，为进一步讨论混凝土材料的本构关系提供了基础.

可以肯定的说，白光散斑法在相关领域的发展将会变得越来越广泛和深入.

2 白光散斑法的基本原理

白光散斑的原理同散斑照相法的原理类似，即用非相干光从某分向照明物体，将照相机对焦于记录的物体，调整好底片后，在物体未变形前，对物体进行第一次拍摄，在物体由于负荷发生变形后，再对该物体拍摄一次，这样，在同一底片上就形成了两个散斑图.在底片的小区域内，所记录的两个散斑图样相同，但有一个相对位移，通过计算可求出该小区域的位移值.白光散斑法可以测量二维和三维变形的问题，其最一般的位移计算表达式如下:

式中 M 为记录时的放大率，cosα，cosβcosγ 为像平面法线向量的方向余弦.

2.1 位移信息的提取

与激光散斑相同，对白光散斑中的双曝光散斑图中位移信息的提取，同样可以用逐点分析法，用其杨氏条纹来求取物面上相应点的位移大小与方向;也可以用全场分析法，用滤波技术求得位移分量条纹.

2.1.1 逐点分析法

图1 逐点分析法的光路图Fig.1 Optical path diagram with by-point analysis

用细激光束垂直照明散斑图底片，在距离散斑图L处置观察屏.每次考察底片上一个小区域，由于同一底片上记录了两个同样的但位置稍微错开的散斑图，这样出现的斑对相当于杨氏双孔.由于斑对均按相同方位拉开相同距离，当用相干光束照射时，将获得杨氏条纹，即等间距的平行线:平行线方向垂直物体表面的位移方向，平行线间距反比于位移的大小.

其中:λ——激光波长;Δr——屏上条纹间距;L——屏到散斑图的距离;M——成像散斑的放大率;p、q——各代表物距和像距.

用逐点分析法进行分析时所获得的白光散斑图，可以用激光，也可以用白光.但是用白光得到的杨氏条纹带彩色，难于精确读数.而要精确读数，需在白光光源后面加一块干涉滤光片，这时产生的杨氏条纹由于没有二级散斑(噪声)的存在，条纹比较清晰，全场法条纹也同样可用这方法获得.

逐点分析法可以方便的获得物体表面上某点的变形数据，但是为了获得表面全场的变形数据，就需要分析和处理大量的杨氏条纹图.

2.1.2 全场分析法

图2 全场分析法的光路图Fig.2 Optical path diagram with overall analysis

将双曝光散斑图置于4f的Fourier变换滤波系统 的输入平面，变换平面上有一只能让特定频率分量通过的滤波孔，这样在输出平面上就可以得到全场的等位移线图.滤波孔在谱平面上的位置不同，等位移线表示的位移值也是不同的，所以通过调整滤波孔的位置，就可以得到变灵敏度的全场等位移线［3］.由于底片上某些小区域在频谱面上生成了杨氏条纹，所以当滤波孔位于它的亮纹或暗纹处时，该小区域即为亮的或暗的.杨氏条纹亮纹位于滤波孔处的底片上的那些点就是全场分析法中的亮纹处.

对于波长为λ的单色光，输入平面上的光强度分布为:

在谱平面上用小孔滤波，如果先后把滤波孔放在(rx，0)和(0，ry)两处，可得到两种散斑条纹，即:

白光是由可见光的所有波长的单色光组成的复色光.当采用复式光作光源时，频谱面上总的光辐射强度的空间分布为:

式中Ii(p，q，λi)为频谱面上波长为 λi的光波的光强.

可以看出全场条纹是相等位移分量各点的轨迹，在同样的条纹级次n，滤波孔位置r越大，则可测量的位移量值就越小，即滤波孔位置越远，位移测量灵敏度就越高.

由于逐点分析法能得到一组清晰的等距直线条纹，在进行位移的定量分析时，我们采用该法，但对位移场的变化趋势以及测量区域内有位移突变的地方，全场分析法能较直观地显示出位移变化规律以及等值条纹［5］.全场分析法可以使人们快速地观察到物体表面的全场变形，并能及时地发现到局部的高应变区域.但是与逐点分析法相比较，全场分析法在条纹的自动化处理方面则较为困难.

2.2 白光散斑法的基本实测方法

白光散斑测量方法主要分三个步骤实现:物体表面的斑化处理，物体变形前后信息的记录以及提取、分析记录介质上的位移信息.

(1)物体表面的斑化处理

可以在物体表面上先涂上一层白漆，然后再喷溅细雾状的黑漆而形成散斑，这种方法可以提高散斑图的质量，得到较精确的测试结果.亦可以用悬浮在液体中的玻璃微珠涂在物体的表面，形成许多后向反射点.还可以用激光形成的散斑底片粘贴在物面上作为人造的散斑图.有时，天然细粒状的物体表面(例如水泥墙壁或水泥板)，在白光照明下亦形成天然散斑固.

(2)物体变形前后信息的记录

用上述方法处理物体表面，再经白光照明，利用照相机对焦于被测物体表面，沿选定的方向将变形前后的散斑图记录在同一张底片上就可以得到所需要的信息了.根据实际的需要可以选择在多个方向分别逐一的进行拍摄.

(3)位移信息的提取、分析

拍摄底片冲洗后用玻璃夹起，根据不同方法布置光路，提取变形信息并借助数字信息处理技术解读信息图中各斑点的运动信息，便可得到物体位移的变形信息［5］.

3 结语与展望

传统的用于实验力学中的光学测量方法(其中包括有光弹贴片、全息干涉、密栅云纹方法等)，一般都要求使用激光作为光源，其光路十分复杂，并且其测量结果容易受到外界振动的影响，而这些条件的限制使得传统光学测量方法只能在具备有隔振台的实验室内进行科学研究的应用，很难在无隔振的实验条件以及野外的工程现场进行测量应用.

与传统的光测方法相比，白光散斑法作为散斑法中的一种光测力学变形测量方法，有其特有的优势，且其优势明显，其中最主要的是对表面的倾斜不敏感，运动规律简单，相关性好，计算比较简单，具有非接触性，若有强的白光光源与闪光灯，还可以对大面积的物体进行拍摄和分析等等.其强劲的发展势头和研究现状，显示出白光散斑法已在数字化和全自动化方向有了较为成熟的发展和一定的突破，如其中的白光DSCM的发展和应用.

散斑测量技术发展至今已成功地用在了材料测试中，涉及结构模型与实物监测、复合材料性能研究、生物力学等方面.就其应用领域来说影响范围也是相当广泛的，例如，在土木水利工程领域方面:测量土木结构、水利设施的形变;在工程测量领域方面，检测各种机械设备的形变、应力、振动、冲击、断裂、粗糙度、刚度和强度等特性，测量高温物体的位移和热变形等;在工业生产领域方面:作为模型设计、分析、样机实验、产品检验和生产过程控制的一种有利工具;在无损检测领域方面:检测复合材料、集成电路、压力容器和焊接物体表面或者内部的缺陷，逐渐成为了X射线、红外和超声等传统无损检测方法的一种有效的补偿手段等.

目前，白光数字散斑相关方法应用在岩石类材料力学测试中的研究工作是比较少的，但是其发展的势头是强劲的，并且在力学实验中能够担起一定重要的任务，将白光数字散斑相关方法灵活运用于力学实验和测试中，可以得到令人相对满意的实验结果.例如:潘一山［26］用DSCM方法观测了砂岩和煤的变形局部化现象，并根据变形场的图像测量了局部化带的宽度;赵永红、方竞等［27］用DSCM方法对岩石材料的SEM图像进行了处理，测量了SEM下岩石材料位移场的非均匀分布.

虽然白光数字散斑相关方法在之前的研究中更多的是应用于固体变形场的测量，但是该方法也应用于流体中对流场的测试，2002年D.Ambrosinia采用白光数字散斑对自然对流进行了研究.不过该方法在流体对流场这一领域的应用不是很多而且其在近期的进展也不是很快［11］.

可见如何把白光散斑方法应用于微观渗流力学方面的研究，会成为一个很值得深思的科研问题，其发展空间和创新空间都是不小的.白光散斑方法作为在这个领域的一种新兴的实验和测试方法，相信其今后在该方向的发展会不断地深入及拓展下去，并且能够产生出一套成熟的系统化的理论及应用.

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Outlined the Development of White Light Speckle Method and Its Principles

HUANG Jing1，LIU Jian-jun1，2，QIN Da-hui1
(1.Department of Civil Engineering and Architecture，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;
2.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation(Southwest Petroleum University)，Chengdu 610500，China)

White light speckle method-a relatively new method used for mechanical experiment analysis，its history more than 40 years and current development in China Research were outlined in this paper started from the development process.Displacement information extraction of two kinds of method，by point analysis and full analysis method，this paper Besides，its basic principle and the two methods of extracting displacement information that is by-point analysis and overall analysis，have been get a brief description.Simple described the actual measurement process of white light speckle method.Furthermore，its own unique advantages，field of application and its future development trend of general have been get brief summary.2tab.，27refs.

White light speckle method，DSCM，by-point analysis，overall analysis

O436.1

A

1671－6361(2012)02－0013－06

2011－03－11

黄 婧(1986－)，女，四川内江人，硕士生，研究方向:光测技术在岩土工程上的应用.