空间载波（载频）关键技术及其实现

作者：song
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1. 简介

空间载波移相干涉（Spatial Phase-shift Interference, SPSI），是目前适用性最好的空间移相算法。其一般通过波面倾斜引入线性载波来实现相位调制，故仅一幅干涉图像就可实现相位提取，且可满足动态环境检测需求。相比于时间移相干涉，有效降低了干涉测量的成本，提高了动态响应能力。

空间载波移相干涉（SPSI）技术的本质原理是在干涉图中引入一个空间载波，这个载波可以通过在参考光中设置一个倾斜镜片或者使用倾斜光纤入射的方法实现。载波相位的提取通常可以使用傅里叶变换，余弦变换和小波变换等方法，其中使用最广，运算效率最快的为快速傅里叶变换法。快速傅里叶变换已经在傅里叶光学中得到广泛的应用，本方案以下基于快速傅里叶变换的SPSI为例进行介绍和说明。

2. 基本光路

图1是传统费索干涉仪采用空间载波技术进行形貌测量示意图。如图所示，相干光源（激光器）发出的激光分成两束，即：参考光和物光。参考光由标准镜倾斜一定的角度后反射到CCD相机上。这个倾斜的角度在空间频域中造成了一个空间相移。在这种情况下，参考光即为空间频率载波。物光经扩束镜扩束后，照射在待测表面，这样稳定的干涉分布场就在物体表面上形成了。

图1 空间载波相位提取技术原理图

3. 空间载波原理基本原理

其中，Im与Re为复数的虚、实部。空间载波移相技术（SPSI）仅需单帧图像就可实现相位提取。相比于传统的时间移相技术，SPSI缩短了测量过程，且具有更加优良的抗干扰能力，可适用于动态环境检测。

4. 整体技术路线

本方案所述的空间载波干涉技术技术路线可以分为三个部分：视场标定对准、图像采集及相位提取、回程误差消除，从而更加清晰的阐述本方案的整体技术路线。

空间载波技术的标定对准的准确度将直接影响最终的测量精度，因此，在系统标定对准过程中，须注意以下几点：

1）物光光场和参考光光场需调至固定位置，且相对位置固定（不可互换）；

2）采用模拟条纹技术，保证对准精度；

3）标定过程存储了系统误差文件；

标定过程流程如下所示：

5. 图像采集及相位提取

如前文所述，空间载波技术关键在于通过FFT（或者小波变换）等技术，仅利用一张干涉图像就可实现相位提取，载波技术在实现相位提取过程的关键在于：

1）如何最大限度保留一阶频信息；

2）滤波器的设计；

6. 回程误差（系统误差）消除

载波调制过程不可避免的会引入非共光路误差，因此有必要对回程误差（系统误差）进行消除。目前，回程误差消除是基于高精度标准镜片的标定来实现的，本案例也采用该方法来实现回程误差消除。回程误差消除须注意以下关键点

1）回程误差校正精度取决于标准镜本身的精度；

2）回程误差应控制在一定的范围内（过大将导致检测精度的降低，本方案阈值设定为0.25λ）；

7.结果展示

空间载波干涉条纹图像

RF和TF光场相对位置示例

保证测量精度的模拟条纹显示示意图

测量结果展示

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