高溫構(gòu)件三維尺寸紅外視覺測量的理論和實驗研究.pdf

1、可見光視覺測量技術(shù)是一種常用的非接觸式尺寸測量方法，但是在高溫、高速氣流等惡劣環(huán)境下，可見光相機的成像效果會受到較大影響，并會產(chǎn)生光線偏折的問題。紅外熱成像技術(shù)以接收目標(biāo)自身的熱輻射并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換為基本工作原理，在解決可見光面臨的上述挑戰(zhàn)時具有較大的優(yōu)勢。
　　 以高溫惡劣環(huán)境下的尺寸測量方法為主要研究目標(biāo)，結(jié)合航天某院提出的某測量任務(wù)和要求，提出了高溫構(gòu)件三維尺寸測量的紅外視覺方案，并圍繞此方案的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)展開研究，主

2、要的研究內(nèi)容如下：
　　 1.概括論述了高溫惡劣環(huán)境下尺寸測量的需求和應(yīng)用，總結(jié)分析了國內(nèi)外高溫構(gòu)件尺寸測量方法的發(fā)展?fàn)顩r和紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用研究進(jìn)展，明確了研究方向和意義。
　　 2.從普朗克黑體輻射定律、可見光CCD的響應(yīng)曲線等出發(fā)討論了高溫惡劣環(huán)境下影響視覺成像效果的因素。利用有限元方法分析了高溫空氣場內(nèi)的溫度分布，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合光的色散模型，選取0.38μm、0.65μm和14.0μm三個典型的波長，求解了空

3、氣場內(nèi)各區(qū)域的折射率分布情況和光線在傳輸過程中產(chǎn)生的偏折程度。最后通過實驗進(jìn)一步驗證了可見光視覺和紅外視覺影像誤差的大小。結(jié)果表明，構(gòu)件處于約900℃的高溫狀態(tài)時，在距離約1m處，可見光的影像誤差約為遠(yuǎn)紅外視覺的10倍。
　　 3.從紅外熱像儀的理想透視模型出發(fā)，建立了高溫構(gòu)件三維尺寸紅外視覺測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。提出了兩種比較容易實現(xiàn)的測量方案：簡化的高溫紅外雙目測量方案和基于單熱像儀的測量方案。設(shè)計了紅外視覺測量的總體方案，根

4、據(jù)實際測量條件確定了方案中各硬件的型號參數(shù)。最后，搭建了高溫環(huán)境和被測構(gòu)件模擬系統(tǒng)、紅外與可見光視覺成像對比實驗系統(tǒng)、簡化的高溫紅外視覺測量系統(tǒng)、基于單個熱像儀的高溫紅外視覺測量系統(tǒng)以及高溫紅外視覺標(biāo)定系統(tǒng)等實驗平臺，并進(jìn)行了一些簡單的驗證實驗。
　　 4.研究了高溫構(gòu)件紅外圖像非均勻性校正方法和紅外圖像增強方法。改進(jìn)了傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于非均勻性校正時的一些不足，提高了校正的效果。此外，針對高溫構(gòu)件紅外圖像的紋理不足的特點，

5、提出了基于方向波變換的紅外圖像增強方法，采用方向波變換對圖像進(jìn)行頻域分解，建立多方向性的各向異性濾波器，提高了構(gòu)件紅外圖像的增強效果。
　　 5.研究了高溫紅外視覺測量系統(tǒng)中紅外熱像儀內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定方法。結(jié)合紅外熱成像的原理，設(shè)計了一種專用的高溫紅外視覺測量系統(tǒng)的標(biāo)定靶標(biāo)。分析了可見光視覺測量中基于徑向一致約束(Radial Alignment Constraint，RAC)的標(biāo)定方法和張正友標(biāo)定方法，并利用徑向一致約束準(zhǔn)則結(jié)合

6、遺傳優(yōu)化算法對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果表明，在雙目熱像儀前方距離約900mm處，傳統(tǒng)標(biāo)定方法的誤差最大不超過0.85 mm，改進(jìn)方法的誤差最大不超過0.41mm，改進(jìn)方法提高了系統(tǒng)標(biāo)定的精度。
　　 6.研究了高溫構(gòu)件邊緣提取、雙目特征匹配和三維測量的方法。提出了一種基于脈沖耦合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和空間灰度矩相結(jié)合的紅外亞像素級邊緣檢測方法，有效地提高了檢測的自適應(yīng)性和精度。分析了基于極線約束關(guān)系的初始匹配方法，以及多種手段相結(jié)合的誤匹配剔

7、除方法。通過對三維離散坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，完成了高溫構(gòu)件主要三維尺寸的測量和形貌的重建。
　　 論文的主要創(chuàng)新工作包括：
　　 1.提出了基于紅外熱成像技術(shù)的高溫構(gòu)件三維尺寸測量方案，減小了在高溫環(huán)境下光線偏折等原因?qū)y量結(jié)果的影響。
　　 2.針對高溫構(gòu)件紅外圖像紋理不足的特點，提出了基于方向波變換的紅外圖像增強方法，獲得了良好的效果。
　　 3.研究了一種基于徑向一致約束準(zhǔn)則與遺傳優(yōu)化算法相結(jié)合的紅外雙目