剪切散斑干涉条纹图像处理技术研究进展

剪切散斑干涉技术是一种高精度、非接触的光学全场测量方法，可对复合材料构件的分层、脱粘、皱折、裂纹、撞击损伤等缺陷进行无损检测，在航空航天复合材料无损检测领域得到了广泛应用。本文从剪切散斑干涉的技术原理和系统结构展开，结合大视场剪切散斑干涉光路结构分析了相移技术的应用，论述了干涉相位条纹图滤波和相位解包裹技术等条纹图像处理过程中的关键算法，最后介绍了深度学习网络在剪切散斑干涉测量中的应用，并分析讨论其优势与不足，对未来研究方向进行了展望。

剪切散斑干涉技术是结合应用光学、计算机技术和数字图像处理等现代技术发展起来的无损检测技术，是一种高精度、非接触的光学全场测量方法[1]。1973 年，Hung [2]和Leendertz [3]分别独立开始剪切散斑干涉术的研究工作，各自使用不同的剪切装置获得剪切散斑干涉图。Leendertz 描述了剪切散斑干涉原理，并讨论了对物体表面变化曲率的测量；Hung 则系统介绍了剪切散斑干涉测量离面位移空间梯度、应变以及用时间平均法进行振动分析的原理及方法， 对推动剪切散斑干涉术的理论发展以及应用起到了关键作用。

剪切散斑干涉技术可直接测量复合材料在加载状态下微小变形导致的离面位移沿剪切方向的一阶导数，并且根据测量得到的条纹图案直观显示出缺陷的形状和位置等信息，其检测灵敏度高，具有干涉光路简单、集成度高、对刚体位移不敏感、对系统的隔振性能和激光光源的相干长度要求低等特点[4]。

近年来，随着计算机和数字图像处理技术的进步，剪切散斑干涉技术得到了迅猛发展，国内外研究人员逐渐将深度学习网络应用到干涉条纹图像处理与缺陷识别之中。本文将从剪切散斑干涉技术原理、干涉条纹图像处理及深度学习在剪切散斑干涉技术中的应用等方面进行介绍。

2. 剪切散斑干涉技术原理 2.1. 剪切散斑干涉系统 在剪切散斑干涉系统中， 产生干涉的关键是令被测物体在成像面上形成两个带有微小错位的重叠像， 因此剪切装置不可或缺。基于不同的光学原理，国内外学者设计出了适用于不同场景的多种剪切装置， 根据其工作原理可划分为四种类型，分别是基于振幅分割、波前分割、偏振分割和衍射分割原理[5]。剪切装置的功能包括：(1) 能够形成两个振幅相当的重叠像， 从而得到较高对比度的干涉相位条纹图；(2) 便于调节剪切量大小和剪切方向；(3) 能够方便地引入相移技术。

剪切散斑干涉技术的发展对剪切装置也提出了新的需求，例如扩大视场角、提高光能利用率、能够定量调节剪切量大小等。面向这些需求，剪切散斑干涉系统得到了大幅改进与优化。

迈克尔逊结构基于振幅分割原理，作为当前应用最广泛，也是最早被提出的剪切装置之一，其基本结构包含个分光棱镜和两个反射镜。迈克尔逊结构性能优异、易于实现、方便调节，但也存在光能利用率不高、视场角受限等缺点。为扩大迈克尔逊型结构的视场角，从而扩大检测视场，朱猛等[6]利用平凹镜片设计了一种反远距成像迈克尔逊式剪切散斑干涉系统，如图1(a)所示，有效地扩大了成像视场，实现了70˚视场角的散斑干涉检测， 且成像视场大小还能通过改变平凹镜片的焦距和数量进行实时调整。

冯