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条纹投射轮廓术(Fringe projection profilometry, FPP)可无需扫描机构，直接从二维编码的图像中恢复出待测表面三维数据，是中小尺寸(0.01~1m)三维形貌快速、高精度测量的重要手段。基于光纤干涉的条纹投射轮廓术(Fiber-optic interferometric fringe projection profilometry, FoFPP)不仅装置小巧，投射的条纹密度高、焦深无限，而且无帧率限制，在高速、动态三维形貌测量中有着巨大潜力。同数字FPP一样，FoFPP将形貌测量转化为条纹相位的测量，因此，若要实现高精度动态三维形貌测量，FoFPP需首先实现精确、高速的条纹相位解调。然而，一方面，光纤干涉投射条纹初始相位极易受温度、振动等环境因素干扰发生漂移；另一方面，当使用相移法对条纹相位进行解调时，传统步进相移及线性相移易产生畸变和振铃效应，不适用于高速测量，而正弦相移虽适用于高速测量，但它测得结果的信噪比不高，相位解调速度和精度难以兼顾。此外，光纤干涉投射条纹图像存在固有畸变，在系统校正时若不加以考虑，将在相位图向三维坐标转换的过程中引入误差。因此，本文拟对基于FoFPP的动态三维形貌测量技术进行研究，从相位稳定、相移方式、相移精度及系统标定等几个方面着手，发展一种兼顾高速与高精度的中小尺寸动态三维形貌测量方法，主要研究内容归纳如下：
(1)提出了一种基于同步积分的光纤干涉投射条纹相位稳定方法，在一个测量周期的N(N≥3)个时间段内对光纤端面反射的迈克尔逊干涉信号进行积分，然后对积分结果进行加减和反正切运算解出干扰相位，再结合解算结果使用反馈控制系统对相位漂移进行补偿；搭建了基于同步积分的相位稳定系统，将条纹五分钟内相位漂移稳定在了15mrad以内；实验结果表明，相较于传统交流调制相位跟踪(AC phase tracking, PTAC)稳定方法，所提方法不需引入额外交流相位调制，对条纹对比度无不利影响，计算高效简便，占用微控制器(Micro controller unit, MCU)资源更少，且能获得同样的相位稳定性能。
(2)提出了一种1/4周期正弦相移同步积分相位解调的改进算法，将单幅条纹图像积分时间减少为小于1/4调制周期的任意值，构建了相应的相位解调模型，并据此对调制幅度和初始相位进行了优化设计；改进算法使得一次三维形貌采集可在一个正弦调制周期内完成，提高了测量速度，改善了正弦相移带来的对比度下降问题，且令各项系统参数例如光源功率、调制频率和积分时间的设置更加灵活；仿真和实验结果均表明，积分时间小于1/4周期的正弦相移相位解调可将信噪比提高约2.5dB。
(3)提出了一种正弦相移同步积分相位解调比例系数校准方法，利用相移条纹图像的线性组合构造一个新的二维图像变量，并通过最小化其频谱中条纹频率二次谐波分量的幅值对比例系数进行校准；所提方法避免了对正弦相移调制幅度和初始相位的直接校准，过程简单快捷，且不需要采集光纤端面反射的迈克尔逊干涉信号；使用MATLAB仿真对该方法进行了验证，结果表明，其校准精度高，且对条纹图像随机噪声有较好的鲁棒性。
(4)提出了一种基于小幅度正弦相位调制的相移步距估计方法，首先在干涉相位中引入小幅度正弦调制，然后结合相位生成载波技术(Phase generated carrier, PGC)求解出实时干涉相位并对其积分来获取条纹图像的相移步距；使用估计的相移步距结合最小二乘法对条纹相位进行求解，考虑电路噪声、光强噪声和图像传感器噪声构建了该方法求解相位的噪声模型，并对小幅度正弦相位调制的调制幅度进行了优化设计；实验结果表明，该方法可获得与修正傅里叶变换相移步距估计算法相当的步距估计精度和相位解调精度，但耗费时间仅为后者的六分之一，可有效解决线性相移波形畸变导致的相移步距失准问题，且适用于实时、高速条纹相位解调。
(5)提出了一种相位-高度映射模型参数的分块标定方法，将相位图拆分成小区块，并分别将每区块高度、相位及像素坐标进行拟合，只需2~3幅相位图即可完成标定；考虑光纤干涉投射条纹畸变，对该方法和使用18幅相位图进行标定的逐像素标定方法进行了仿真，证明两者抗畸变性能相当且前者抗噪性能显著优于后者；使用该方法对搭建的FoFPP系统进行了标定，并用标定后的系统分别对4mm和7mm量块高度进行了测量，结果表明其精度优于0.05mm；使用标定后的系统进行了动态三维形貌测量实验，以30Hz的速率对慢回弹玩具的变形过程及移动过程中手指的三维形貌进行了测量。
(1)提出了一种基于同步积分的光纤干涉投射条纹相位稳定方法，在一个测量周期的N(N≥3)个时间段内对光纤端面反射的迈克尔逊干涉信号进行积分，然后对积分结果进行加减和反正切运算解出干扰相位，再结合解算结果使用反馈控制系统对相位漂移进行补偿；搭建了基于同步积分的相位稳定系统，将条纹五分钟内相位漂移稳定在了15mrad以内；实验结果表明，相较于传统交流调制相位跟踪(AC phase tracking, PTAC)稳定方法，所提方法不需引入额外交流相位调制，对条纹对比度无不利影响，计算高效简便，占用微控制器(Micro controller unit, MCU)资源更少，且能获得同样的相位稳定性能。
(2)提出了一种1/4周期正弦相移同步积分相位解调的改进算法，将单幅条纹图像积分时间减少为小于1/4调制周期的任意值，构建了相应的相位解调模型，并据此对调制幅度和初始相位进行了优化设计；改进算法使得一次三维形貌采集可在一个正弦调制周期内完成，提高了测量速度，改善了正弦相移带来的对比度下降问题，且令各项系统参数例如光源功率、调制频率和积分时间的设置更加灵活；仿真和实验结果均表明，积分时间小于1/4周期的正弦相移相位解调可将信噪比提高约2.5dB。
(3)提出了一种正弦相移同步积分相位解调比例系数校准方法，利用相移条纹图像的线性组合构造一个新的二维图像变量，并通过最小化其频谱中条纹频率二次谐波分量的幅值对比例系数进行校准；所提方法避免了对正弦相移调制幅度和初始相位的直接校准，过程简单快捷，且不需要采集光纤端面反射的迈克尔逊干涉信号；使用MATLAB仿真对该方法进行了验证，结果表明，其校准精度高，且对条纹图像随机噪声有较好的鲁棒性。
(4)提出了一种基于小幅度正弦相位调制的相移步距估计方法，首先在干涉相位中引入小幅度正弦调制，然后结合相位生成载波技术(Phase generated carrier, PGC)求解出实时干涉相位并对其积分来获取条纹图像的相移步距；使用估计的相移步距结合最小二乘法对条纹相位进行求解，考虑电路噪声、光强噪声和图像传感器噪声构建了该方法求解相位的噪声模型，并对小幅度正弦相位调制的调制幅度进行了优化设计；实验结果表明，该方法可获得与修正傅里叶变换相移步距估计算法相当的步距估计精度和相位解调精度，但耗费时间仅为后者的六分之一，可有效解决线性相移波形畸变导致的相移步距失准问题，且适用于实时、高速条纹相位解调。
(5)提出了一种相位-高度映射模型参数的分块标定方法，将相位图拆分成小区块，并分别将每区块高度、相位及像素坐标进行拟合，只需2~3幅相位图即可完成标定；考虑光纤干涉投射条纹畸变，对该方法和使用18幅相位图进行标定的逐像素标定方法进行了仿真，证明两者抗畸变性能相当且前者抗噪性能显著优于后者；使用该方法对搭建的FoFPP系统进行了标定，并用标定后的系统分别对4mm和7mm量块高度进行了测量，结果表明其精度优于0.05mm；使用标定后的系统进行了动态三维形貌测量实验，以30Hz的速率对慢回弹玩具的变形过程及移动过程中手指的三维形貌进行了测量。