基于紅外數(shù)字全息的建筑爆破環(huán)境應(yīng)力場檢測研究

賴本林，張永安，張亞萍，田 麗，趙丹露，黃俊豪，王 剛，趙 航

〈紅外應(yīng)用〉

基于紅外數(shù)字全息的建筑爆破環(huán)境應(yīng)力場檢測研究

賴本林1，張永安1，張亞萍1，田 麗1，趙丹露1，黃俊豪1，王 剛1，趙 航2

（1. 昆明理工大學(xué)理學(xué)院，云南 昆明 650504；2. 北方夜視技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650214）

紅外數(shù)字全息具有實時性強(qiáng)、可在復(fù)雜環(huán)境檢測等優(yōu)點；爆破環(huán)境的粉塵類氣溶膠對可見光有較強(qiáng)的吸收、散射效應(yīng)，紅外波段處于“大氣窗口”波長的紅外光受氣溶膠影響較小，該優(yōu)勢與數(shù)字全息相結(jié)合，本文提出一種可在高濃度粉塵環(huán)境下測量應(yīng)力場的研究方法。將大小適中的光滑水泥板固定于三維施力架上作為研究對象，采用紅外數(shù)字全息方法，改變環(huán)境粉塵濃度，分別測量光滑水泥板在不同壓力作用下的應(yīng)力場變化，對比全息圖、相位差，驗證了該方法的可行性，并設(shè)置可見光數(shù)字全息為對照實驗。結(jié)果表明，紅外數(shù)字全息可在高濃度粉塵環(huán)境下測量出應(yīng)力場的施力點、壓力相對大小及應(yīng)力影響區(qū)域，實現(xiàn)實時、無損、全場檢測，而可見光數(shù)字全息在此環(huán)境下檢測效果不佳甚至無法完成檢測，本文所提方法極大拓展了基于數(shù)字全息干涉計量應(yīng)力檢測手段的實用性。

紅外數(shù)字全息；爆破環(huán)境；應(yīng)力場；實時檢測

0 引言

數(shù)字全息干涉計量作為一種檢測精度高、實時性強(qiáng)的無損檢測技術(shù)[1]，廣泛應(yīng)用于應(yīng)力場檢測、形貌測量、形變測量、粒子場測試、數(shù)字顯微全息、醫(yī)學(xué)診斷等眾多領(lǐng)域[2-4]?？梢姽馀c紅外相比，可見光波段的數(shù)字全息憑借更高的檢測精度、更低的實驗難度等優(yōu)勢占據(jù)了絕大部分的應(yīng)用場景；紅外數(shù)字全息相比可見光數(shù)字全息，有較強(qiáng)的實驗抗干擾能力、更好的非理想環(huán)境成像效果、可實現(xiàn)大尺寸物體檢測等優(yōu)點，近年來隨著紅外全息實驗難點的攻克，紅外數(shù)字全息也成為了研究熱點。當(dāng)前國外針對紅外全息的研究中，Geltrude等人研究了紅外數(shù)字全息在大目標(biāo)檢測上的應(yīng)用[5]；Pasquale等人將紅外數(shù)字全息應(yīng)用于建筑震動無損檢測[6]；Ferraro等人將紅外數(shù)字全息應(yīng)用于三維形貌測量[7]；Pietro等人還將紅外數(shù)字全息應(yīng)用于火場搜救[8-12]。國內(nèi)的研究主要集中于紅外全息的基礎(chǔ)特性研究以及紅外全息圖像處理等領(lǐng)域[13-15]，在無損檢測上鐘杰等人利用紅外數(shù)字全息測量粒子場[16]；史寧昌、張慧慧等人將紅外熱成像技術(shù)應(yīng)用于文物保護(hù)的研究[17-18]。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，舊建筑的重建日益增多，對建筑物的拆除爆破過程合理控制，才能有效保證建筑物爆破的安全性。建筑物拆除爆破的位置、倒塌方向和爆破振動的有效控制是保證安全性的重點也是難點，目前拆除爆破技術(shù)能大體控制倒塌方向，但仍然存在控制精度難的問題[19]。爆破位置、爆破倒塌方向和爆破振動以應(yīng)力場方向判斷為核心，因此能夠高精度、實時檢測爆破面應(yīng)力場是解決難題的關(guān)鍵；爆破現(xiàn)場環(huán)境惡劣，粉塵、振動等因素的影響極大提升了應(yīng)力場檢測難度。如果提出一種在粉塵環(huán)境仍能精確檢測應(yīng)力場的技術(shù)，在爆破領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O大突破。

數(shù)字全息干涉計量可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高精度、實時檢測，而紅外光相比可見光可極大減小氣溶膠對光線的影響，結(jié)合上述優(yōu)點本文提出一種基于紅外數(shù)字全息技術(shù)的建筑爆破環(huán)境應(yīng)力場檢測方法，以自制光滑水泥板代替爆破面，自制揚(yáng)塵氣室模擬粉塵環(huán)境，沿水泥板切面豎直向下施加壓力，分別以紅外光和可見光作為光源測量應(yīng)力場，對比測量結(jié)果，驗證紅外數(shù)字全息方法可在粉塵環(huán)境高精度測量受力面的應(yīng)力場。

1 理論推導(dǎo)

1.1 應(yīng)力場測量原理

全息技術(shù)是利用具有高相干性的兩束物、參光進(jìn)行干涉（通常采用同一激光光束進(jìn)行分束得到物、參光，以滿足高相干性的要求），使用全息干板或CCD等記錄手段，對干涉條紋進(jìn)行采集和記錄，此過程稱為全息的波前記錄；用參考光照射拍攝的全息圖，以再現(xiàn)出物體信息，稱為波前再現(xiàn)。全息的記錄過程就好似物、參光干涉時將物光信息通過干涉進(jìn)行保存，而全息圖的再現(xiàn)過程就好似利用參考光將封存的物光信息充分展現(xiàn)，兩個過程也可稱為干涉記錄與衍射再現(xiàn)[20]。

紅外全息就是將紅外激光作為全息干涉計量的光源。紅外全息的基本原理與以可見光為光源的全息技術(shù)原理相同，都是對全息基本原理的運用，即對波前信息的采集記錄和重構(gòu)再現(xiàn)。假設(shè)兩光束分別為：

物光波：

(,)＝0(,)exp[jo(,)] (1)

參考光波：

(,)＝0(,)exp[jr(,)] (2)

兩光波重合處記錄面的光場分布(,)為：

(,)＝(,)＋(,) (3)

此時記錄面的光強(qiáng)即數(shù)字全息圖(,)為：

為了重構(gòu)物光場(,)，可以先做傅里葉變換將全息圖從空域變換到頻域：

(,)＝{(,)}＝{*}＋{*}＋

{*}＋{*} (5)

與離軸全息的頻譜類似，{*}＋{*}出現(xiàn)在頻域中的低頻區(qū)域，稱為“0”級頻譜，而{*}和{*}對稱地出現(xiàn)在頻域的中、高頻區(qū)域，分別稱為“＋1”級和“－1”級頻譜。如果載頻足夠大，即物、參光的夾角足夠大，各級頻譜充分分離，在頻域中選擇合適的濾波器(,)，可以濾除除“＋1”級頻譜以外的其他級次：

￠(,)＝(,)(,)＝{*} (6)

再對濾波后的頻譜作傅里葉逆變換，可以重構(gòu)含有物光(,)和共軛參考光R(,)的光場＋OR(,)：

＋OR(,)＝－1{￠(,)}＝*(7)

式中：－1{}表示作傅里葉逆變換。物光(,)和參考光(,)的相位差可以用下式重建：

對比重建光場相位和光場相位差可得到施力點、各點應(yīng)力大小對比、應(yīng)力影響區(qū)域，即應(yīng)力場情況。根據(jù)全息干涉計量原理，利用攜帶有待測信息的相干光（物光波）與另一束相干光（參考光波）相互干涉，將待測物信息反映在兩束光波的光程差中，從而進(jìn)行計量或檢測；實驗中對目標(biāo)物體施加壓力前后，結(jié)構(gòu)面的改變引起光程差，對比施加壓力前后的全息圖，進(jìn)行圖像處理即可得到壓力引起的改變量，為該實驗的可行性提供了理論支撐。

1.2 紅外透粉塵成像原理

爆破粉塵具有顆粒小、質(zhì)量輕的特點，粒度多處在0.001～0.10mm之間，其中粒徑小于10mm的粉塵占總量的90%以上，在重力作用下，粒徑小于10mm的顆?？砷L期漂浮于空中，粒徑大于10mm的顆粒能較快沉降[21]。因此，爆破后的測量主要受粒徑小于10mm的氣溶膠影響。

光在大氣中傳播時，由于光波所攜帶的能量與大氣介質(zhì)之間的相互作用，光在介質(zhì)中被散射和吸收而衰減；紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中各種氣體分子和懸浮微粒與其相互作用，輻射能量也會明顯地被衰減。在各吸收帶之間的某個區(qū)域可能存在相對透明的“窗口”，輻射透射率比其它區(qū)域高，這種區(qū)域就是所謂的大氣窗口。這些波段都可高透過率傳輸，如1～2.7mm、3～5mm、8～14mm等，本實驗中所用1.064mm紅外激光就屬此范圍[22-23]。

當(dāng)紅外輻射入射到氣溶膠中，理論上紅外輻射能量的衰減是由粉塵粒子的吸收和散射導(dǎo)致，但在干燥的粉塵環(huán)境下，粉塵中的固體微粒子極具穩(wěn)定性，對紅外輻射的吸收很微弱，因此粉塵中粒子對紅外輻射的散射成為了紅外輻射衰減的主要原因[24-26]。

1.3 實驗裝置及步驟

本實驗光路以Mach-Zehnder干涉光路為基礎(chǔ)，實驗光路如圖1所示，該實驗使用的激光器：中心波長為1064nm的在連續(xù)模式下工作的半導(dǎo)體紅外激光器、波長為532.8nm的He-Ne激光器，其中He-Ne激光器作為引導(dǎo)光源用于與紅外光擬合后引導(dǎo)光路搭建，并作為可見光與紅外光復(fù)雜環(huán)境下測量結(jié)果的對比；該紅外光波長可極大降低粉塵環(huán)境對光束的影響，紅外激光器最大可調(diào)功率為115.3mW，橫模模式為TEM00，光束發(fā)散角為1.5mrad，光束直徑為1.329mm，相干長度為20cm。使用的光學(xué)鏡片均為普通透紅外透鏡，分束鏡I分光比為2:1，分束鏡II分光比為1:1，擴(kuò)束鏡放大倍率為20倍，針孔尺寸為15mm，CCD分辨率為1920×1080，像素尺寸為2.9mm，曝光時間設(shè)置為1.8ms；選用7cm×3cm×1cm的自制光滑水泥板為檢測對象。

按光路圖搭建實驗光路，紅外光肉眼不可見只能借助紅外板觀察，為降低實驗難度，需先調(diào)節(jié)紅外與可見光的擬合，擬合標(biāo)準(zhǔn)為過分束鏡I后的紅外光與可見光完全重合，擬合完成后直接通過可見光搭建實驗光路。需注意由于檢測對象不透光，采用反射式實驗光路，其表面光線為漫反射，反射效率低，選用光滑水泥板可增強(qiáng)實驗效果；漫反射降低了物光光強(qiáng)，為使物參光光強(qiáng)相近，分束鏡Ⅰ選擇2:1的光束比以增強(qiáng)物光；將光束照射在檢測對象中心，調(diào)節(jié)物參光使到達(dá)分束鏡II處的光強(qiáng)比為1:1，得到最佳條紋對比度；光滑水泥板7cm×1cm面為上下底面固定于施力架，豎直向下施加壓力，7cm×3cm面為反射面，檢測反射面的應(yīng)力場變化情況，待光路穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。先以紅外光作為實驗光源，采集不同壓力下的全息圖，考慮到壓力過大會損壞待測對象，設(shè)定最大壓力為35N，分別采集0N、10N、35N壓力的全息圖；打開揚(yáng)塵器，在氣室內(nèi)模擬粉塵環(huán)境，設(shè)定CCD采集參數(shù)，間隔1s采集一次，采集30次，分別采集以上3組不同壓力在粉塵環(huán)境改變下的全息圖。為突出紅外光復(fù)雜環(huán)境下的檢測優(yōu)勢，將He-Ne激光器作為光源并按以上步驟再次采集作為對比實驗。

圖1 實驗光路圖

2 數(shù)據(jù)處理及分析

將檢測的光滑水泥塊放置于反射式全息光路中，為了使實驗條件相同，所有拍攝的實驗對象都使用同一個物體，根據(jù)全息干涉計量原理，對物體施加壓力前后，其表面形態(tài)會產(chǎn)生變化，以干涉條紋的形式記錄，對比施壓后、施加不同壓力的全息圖即可得到應(yīng)力場變化，再通過圖像處理方法得到對應(yīng)的應(yīng)力場分布。整個實驗過程保持實驗室環(huán)境恒定，水泥板下端水平，平整且受力均勻，施力點在水泥塊上方中心偏左位置，施加壓力時可從測力表實時讀取施加壓力數(shù)值。圖2分別是紅外、可見光施壓不同壓力的干涉全息圖。

圖2為紅外和可見光在無粉塵環(huán)境下施加0N、10N、35N壓力的全息圖，施加壓力點為中心偏左位置；圖3為圖2對應(yīng)的相位差重建圖。紅外和可見光的全息圖都可明顯觀察到施力點位置及施力點附近的條紋變化，條紋由施力點逐漸向外擴(kuò)散，其他無壓力處條紋沒有明顯改變，驗證了紅外數(shù)字全息法檢測應(yīng)力場的可行性。

圖2 無粉塵環(huán)境不同壓力全息圖

圖3 無粉塵環(huán)境不同壓力相位差重建

全息圖雖然能觀察到應(yīng)力的變化，但應(yīng)力過小時條紋改變不明顯，無法準(zhǔn)確判斷是否有應(yīng)力影響，為了觀察結(jié)果更加明顯、準(zhǔn)確，本實驗通過算法重建應(yīng)力改變前后的相位差，以更直觀展現(xiàn)應(yīng)力場情況。圖3中，對比10N和35N的相位差，隨著壓力增大，條紋數(shù)量增多、密度增大，通過條紋數(shù)量及密度可判斷施力點、壓力的相對大小，紅外與可見光都得到了相同結(jié)果。由于兩種光波長不同，實驗記錄的兩類全息圖有所變化，最終重建的相位差圖樣也存在一定差異。通過觀察紅外相位差圖樣可得出力傳導(dǎo)方向與條紋延展方向一致，應(yīng)力影響區(qū)域明顯，可見光相位差的相位趨勢與紅外光相似，仍可判斷出應(yīng)力傳導(dǎo)方向與條紋延展方向一致。

圖4、圖5分別為紅外和可見光在不同粉塵濃度下壓力為35N的全息圖，其他壓力效果相近，因此不作贅述。極高粉塵濃度環(huán)境下，紅外光能觀察到條紋，對比度低，條紋變化量不明顯，而可見光完全觀察不到條紋；高粉塵濃度環(huán)境下，紅外光的條紋很明顯，對比度也有增加，可大致觀察到條紋變化量，此時可見光可觀察到些許條紋，但無法觀察到條紋變化量；中粉塵濃度環(huán)境下，紅外光條紋清晰，條紋變化量十分明顯，可見光可觀察到條紋變化量；隨著濃度的降低，條紋更清晰，條紋變化量也更明顯。由此可知，在同濃度粉塵環(huán)境下，紅外光受粉塵影響更小。

圖4不同粉塵濃度環(huán)境下壓力35N紅外全息圖

圖5 不同粉塵濃度環(huán)境下壓力35N可見光全息圖

圖6、圖7分別是紅外光和可見光在不同粉塵濃度環(huán)境下壓力為35N的重建相位差。當(dāng)粉塵濃度過高時，紅外相位差圖樣可觀察到應(yīng)力場輪廓，但仍能觀察到施壓點、壓力相對大小、力傳導(dǎo)方向及壓力的影響區(qū)域，而可見光相位差圖樣無法觀察到應(yīng)力場分布；中濃度粉塵環(huán)境下，紅外光相位差圖樣清晰，應(yīng)力場分布明顯，與無粉塵環(huán)境下的相位差重建圖樣基本相同，而可見光相位差圖樣只能觀察到應(yīng)力場輪廓。通過對比不同粉塵濃度下的紅外和可見光相位差圖樣，證明了粉塵環(huán)境下紅外光透過率更高，在粉塵環(huán)境下的實用性更強(qiáng)。

圖6 不同粉塵濃度環(huán)境下壓力35N紅外相位差重建

圖7 不同粉塵濃度環(huán)境下壓力35N可見光相位差重建

3 結(jié)論

本文提出一種基于紅外數(shù)字全息技術(shù)的建筑爆破環(huán)境應(yīng)力場檢測方法，通過對比無粉塵環(huán)境下紅外與可見光的實驗結(jié)果，驗證了紅外用于應(yīng)力場檢測的可行性，可由相位差重建圖樣判斷出施壓點位置、施加壓力的相對大小及應(yīng)力的影響區(qū)域，而可見光無法通過相位差圖樣直接判斷出應(yīng)力的影響區(qū)域，只能觀察出施壓點位置和施加壓力的相對大??；對比不同粉塵濃度環(huán)境下的實驗結(jié)果，驗證了紅外可用于粉塵環(huán)境檢測應(yīng)力場，且高濃度粉塵環(huán)境下仍能判斷出施壓點位置、施加壓力的相對大小及應(yīng)力的影響區(qū)域，而可見光無法在高濃度粉塵環(huán)境下得到理想結(jié)果，凸顯了紅外用于非理想環(huán)境檢測的優(yōu)勢。由于實驗中所使用的CCD分辨率不高，面元尺寸小，采集范圍有限，部分信息缺失，存在一定的誤差。

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Research on Stress Field Detection of Building Blasting Environment Based on Infrared Digital Holography

LAI Benlin1，ZHANG Yongan1，ZHANG Yaping1，TIAN Li1，ZHAO Danlu1，HUANG Junhao1，WANG Gang1，ZHAO Hang2

(1. School of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China;2. Northern Night Vision Technology Co., Ltd, Kunming 650214, China)

Infrared digital holography has strong real-time performance, is not easily disturbed by visible light, and can be detected in complex environments. It is widely used in special fields. For example, dust aerosols in a blasting environment have strong absorption and scattering effects on visible light, and infrared light at the wavelength of the ”atmospheric window” in the infrared band is less affected by aerosols. This advantage has been combined with digital holography. A smooth cement plate of moderate size was fixed on a three-dimensional force application frame as the research object, and the infrared digital holography method was used to change the dust concentration in the environment. The stress field changes of smooth cement plates under different pressures were measured, and the feasibility of this method was verified by comparing holograms and phase differences. Visible light digital holography was used as a control experiment. The results show that infrared digital holography can measure the force application point, relative pressure, and stress influence area of the stress field in an environment of high-concentration dust and realize real-time, nondestructive, and full-field detection, while visible digital holography in this environment is poor or even unable to complete the detection. The method proposed in this paper significantly expands the practicality of the stress detection method based on digital holographic interferometry.

infrared digital holography, blasting environment, stress field, real-time detection

TN219

A

1001-8891(2023)01-0102-08

2022-07-26；

2022-09-13.

賴本林（1998-），男，云南麗江人，碩士研究生，主要研究方向為紅外全息檢測及圖像處理。E-mail：1821422635@qq.com。

張永安（1965-），男，云南昆明人，高級實驗師，碩士，主要研究方向為全息及光信息處理。E-mail：1295720542@qq.com。

云南省基礎(chǔ)研究項目（2019FI002，202101AS070018，202101AV070015）。