LDV辅助下的全场振动测量(1): 3D-DIC测量分辨率提升方法

进入21世纪之后,随着计算机处理能力的快速提升,基于高速相机的三维数字图像相关(3D-DIC)测振技术开始逐步被应用于不同的科研和工程领域.其优点是能实现全场振动测量,对测量环境的要求比较低,但在时间采样率和测量分辨率上无法满足大部分的振动测量需求.另外一类成熟的振动测量方法是基于单像素光电探测器的激光多普勒测振技术(LDV),这类基于干涉的测量技术具有极高的时间采样率和测量分辨率,测量时对隔振要求也不高,但主要的问题是在空间域上只能实现单点或者少量稀疏点的测量.激光多普勒测振技术在应对稳态振动时,虽然可以采用扫描的方式,但受限于设备的光学景深,扫描范围非常有限,其空间采样率远不如基于图像的方法.本文提出了一种新型的振动测量方法,即利用LDV辅助3D-DIC实现全场振动测量,利用两者各自在测量分辨率和全场测量上的优势,从硬件和数据处理两个方面提升全场3D-DIC的振动测量分辨率,由特征尺寸的10-4量级提升至10-6～10-7量级.所提方法在采用普通帧率相机和没有隔振措施的情况下仍然可以实现干涉量级的全场振动测量,满足大部分结构振动测量的需求.     

相机温度漂移效应建模及补偿方法

首先从成像几何模型出发,推导了相机的像点漂移模型,该模型明确阐述了像点漂移与相机关键参数变化之间的数学关系。为深入剖析大范围温度变化及不同温变速率对像点漂移的影响,基于温控箱搭建了测试环境,系统地采集了多组实验数据。最后引入回归分析方法,构建了温度与相机内外参数变化量之间的映射模型,并对温致像点漂移进行预测补偿。实验结果表明,补偿后的室内环境的像点漂移误差减小了89.34%,室外环境下的位移误差减小了79.31%和85.71%,验证了所提的相机温度漂移效应模型的有效性。该研究为视觉测量系统在大型结构变形长期监测中的应用提供了重要的误差补偿手段。     

基于相机组网的测量误差传递机理及抑制方法

位移监测是结构健康监测最基础、最常规的任务之一。针对桥梁、隧道等长大线状结构形变监测,基于相机组网的位移传递测量是有效手段,但随着相机测站数量的增加,提点误差、模型简化等因素会导致相机网络的误差传递与累积,从而使得测量方程的病态程度增加,如何有效地抑制相机网络误差累积效应是该方法的关键问题之一。为此,本文对相机组网测量误差传递机理进行了系统分析,并提出一种基于误差系数的位移传递测量误差抑制方法,通过误差系数可以对网络测量误差直接进行表征。根据所构建的理论模型,优先在控制点处布置相机测站,尽可能在相机测站处增加标志点,并尽可能在相机测站间多布设标志点,以优化相机网络构型、提高测量精度,并在大跨度斜拉桥上对误差抑制方法进行了现场验证。结果表明,通过优化网络构型,相机网络的传递误差最高可被抑制79.19%。该研究可为相机组网测量在实际工程特别是长大线状结构形变测量中的应用提供有效的累积误差抑制和网络构型优化手段。     

综述：面向工程应用的激光干涉动态测量

进入21世纪之后,激光干涉作为一种成熟的非接触式动态测量技术,开始逐步应用于不同的工业领域.激光干涉动态测量技术主要分成两类:一类是基于高速相机的干涉测量技术,而另一类则是基于单像素光电探测器的干涉测量技术.这两类技术都有其局限性:基于高速相机的技术受限于相机时间轴上的采样率;而基于光电探测器的技术则在空间域上只能进行...     

基于双目视觉的火炮身管指向全自动测量方法

火炮装备前或服役过程中需要进行身管指向测量以校正火控系统偏差。目前普遍使用双经纬仪进行身管指向测量,该方法的测量效率低,难以满足未来战场环境下火控系统的快速标校。提出了基于双目视觉的身管指向高精度、自动化测量方法,利用合作标志点分析身管转动,将身管转动分解为先后两次绕轴运动,结合铅垂线测量实现身管指向解算,利用LM(Levenberg-Marquardt)算法进行指向优化,得到身管指向最终结果。于实验室开展了半实物仿真,并在某火炮厂进行了实测验证。结果表明,火炮身管的高低角测量精度优于0.15°,其方向角测量精度优于0.12°,两姿态角的重复性偏差均优于0.0035°。所提方法具备高精度、高鲁棒性、全自动的优势,可实现未来战场环境下火炮身管指向的全自动测量。     

单目激光散斑投影系统的外参数标定方法

由于缺少可参考的散斑图案,单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器,提前拍摄不同标准距离处的散斑图像,测量效率较低,且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题,提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法,可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿,计算同名散斑点的空间三维坐标,解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系,并对其进行迭代优化,生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明,所提方法的位移测量误差低于0.16 mm,标准球的半径测量误差低于0.13 mm,且在一定的深度范围内,深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。     

基于光学相干层析的激光焊接熔深监测方法

针对熔深间接测量方法测量精度低的问题,基于光学相干层析（OCT）的激光焊接熔深监测方法通过直接测量熔池小孔深度,实现在线质量监测。该方法基于低相干干涉精密测距原理,将测量光束与焊接光束同轴,具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。搭建了基于谱域OCT(SD-OCT)的激光焊接熔深测量系统,在深熔焊条件下测量了熔池小孔深度,并应用百分位滤波算法从测量数据中提取出熔深曲线。针对百分位滤波算法的熔深提取精度受限于OCT测量数据噪声点和该算法需要根据焊接工况来调整滤波参数等问题,提出了一种基于局部离群因子（LOF）和最大值滤波的OCT熔深提取方法,通过与焊缝纵切面的熔深曲线对比发现,熔深提取精度最大提升了32%。实验结果表明,所提方法可有效提高熔深提取精度,且不需要调整算法滤波参数,适用性更强。