基于相位测量轮廓术的构造物理模拟系统顶面测量方法研究

论文摘要

构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法,是帮助地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要手段。目前实验中实验体顶面检测技术主要采用照相、摄像、目视或用直尺简单测量等定性测量方法,测量精度低,而且由于实验介质多采用易变形的砂体,用接触式测量方法获取顶面信息时,易破坏顶面面形。为了地质学家准确分析构造变形信息,需要采用非接触测量方法获取模拟实验顶面信息。鉴于光学三维测量技术具有非接触、测量速度较快、精度较高等优点,论文采用了基于光学三维测量技术的相位测量轮廓术来完成实验体顶面变形信息的测量,针对实验体顶面变形信息复杂的特点,对测量中的关键技术,如相位展开算法、测量系统标定等环节进行了深入的研究,具体工作如下:1.论文在分析了相位展开的基本原理、主要相位展开方法的基础上,针对实际测量时,由于砂箱边界阴影、噪声等因素的影响,利用传统的相位展开算法无法精确获取实验体三维形态,对相位展开过程中噪声引起相位误差传递的机理进行了研究,借鉴传统质量图,提出了一种新的质量图（背景梯度-相位导数偏差质量图）,并结合基于可靠性排序的相位展开算法对模拟物体和实际物体进行了相位展开,实验结果表明该算法较好的避免了由噪声引起的误差传递问题,证实了算法的可行性和有效性。2.系统标定是进行三维面形测量的必要前提,标定分为两部分:Z坐标标定和（X,Y）坐标标定,Z标定用于建立物体高度和相位差的对应关系,（X,Y）标定就是建立起图像像素坐标与物体世界坐标（X,Y）的对应关系。文中研究了系统标定的数学模型,借鉴成熟的标定方法和图像处理技术,利用基于Harris角点检测的亚像素定位技术提取角点,插值拟合的隐式标定方法进行相位-高度映射关系的标定,进一步提高了测量系统的标定精度。3.论文从理论上分析了三维面形测量系统的误差来源,结合实际情况,搭建了基于相位测量轮廓术的实验系统。该系统利用计算机控制投影仪产生结构光,由摄像机获取变形的结构光图像,然后采用相位测量轮廓术进行数据处理来获取构造模拟实验体顶面信息,实验结果表明采用相位测量轮廓术进行构造物理模拟实验顶面测量能够获得比较满意的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 三维面形测量
• 1.1.1 被动三维测量
• 1.1.2 主动三维测量
• 1.2 相位测量轮廓术
• 1.2.1 相位测量轮廓术关键技术
• 1.2.2 相位测量轮廓术的应用
• 1.3 当前相位测量轮廓术存在的主要问题
• 1.4 本课题的主要工作
• 第2章 基于相位测量轮廓术的三维面形测量系统设计
• 2.1 光栅投影三维面形测量的基本原理及系统组成
• 2.1.1 光栅投影三维面形测量的基本原理
• 2.1.2 光栅图像投影系统和采集系统
• 2.2 相位的求取过程
• 2.2.1 求取折叠相位
• 2.2.2 折叠相位的展开
• 2.3 展开相位与物体高度的映射关系
• 第3章 相位展开算法在PMP面形测量中的应用研究
• 3.1 相位展开算法原理
• 3.1.1 截断相位与相位展开
• 3.1.2 路经积分相位展开方法
• 3.2 残差
• 3.3 残差定理
• 3.4 质量图
• 3.4.1 常用质量图
• 3.4.2 背景梯度-相位导数偏差质量图
• 3.5 基于路径积分的相位展开
• 3.5.1 经典展开算法
• 3.5.2 基于背景梯度-相位导数偏差质量图的质量导引相位展开算法
• 3.6 本章小结
• 第4章 三维面形测量系统标定方法的研究
• 4.1 系统标定
• 4.1.1 系统结构分析
• 4.1.2 Z 坐标标定
• 4.1.3 X 和Y 坐标标定
• 4.2 图像节点的亚像素定位技术
• 4.2.1 亚像素定位基本原理
• 4.2.2 亚像素定位算法
• 4.3 标定流程
• 4.4 本章小结
• 第5章 相位测量轮廓术测量系统精度及系统误差分析
• 5.1 测量系统误差分析
• 5.2 光栅自身参数对测量的影响试验
• 5.2.1 参数p 的影响
• 5.2.2 参数L 的影响
• 5.2.3 参数d 的影响
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢