面向飛行器的高溫?cái)?shù)字圖像相關(guān)方法研究現(xiàn)狀及展望

宮文然 丁可欣 王曉暉 邵新星 高飛

（1 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

高馬赫飛行器具有飛行高度高、速度快以及良好的機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，是當(dāng)前和未來(lái)航空航天技術(shù)重要的發(fā)展方向[1]。此類(lèi)飛行器在真實(shí)飛行服役環(huán)境下，內(nèi)邊界層分離、激波及氣體加熱等效應(yīng)可能導(dǎo)致飛行器面臨嚴(yán)酷的氣動(dòng)熱、氣動(dòng)噪聲、氣動(dòng)力與機(jī)械振動(dòng)等耦合載荷環(huán)境，氣動(dòng)力、彈性力、慣性力以及熱效應(yīng)之間的相互作用將極其顯著[2-3]，即氣動(dòng)-熱-結(jié)構(gòu)相互耦合問(wèn)題非常突出，這給飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，研究在高溫環(huán)境下熱載荷和機(jī)械載荷共同作用下的飛行器熱結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律對(duì)于飛行器的安全和可靠性十分重要[4]。

傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)高溫變形測(cè)試技術(shù)大致可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)[5]。接觸式變形測(cè)量方法主要包括高溫應(yīng)變片、高溫引伸計(jì)、高溫傳感器等，在高溫條件下存在測(cè)量精度不高、難以直接承受?chē)?yán)酷環(huán)境、安裝工藝要求高等問(wèn)題[6]。非接觸式變形測(cè)量方法可以在不改變待測(cè)試件表面力學(xué)性能的基礎(chǔ)上測(cè)量高溫變形。非接觸式變形測(cè)量方法主要包括電子散斑干涉法、云紋干涉法、數(shù)字圖像相關(guān)方法等[7]。電子散斑干涉法和云紋干涉法盡管測(cè)量精度較高，但是對(duì)于環(huán)境的要求較為苛刻，在高溫條件下使用較為困難[8]，而數(shù)字圖像相關(guān)方法作為一種非干涉全場(chǎng)光學(xué)測(cè)量方法，具有測(cè)量范圍廣泛、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，已然成為應(yīng)用最為廣泛的高溫變形測(cè)量方法。

本文從數(shù)字圖像相關(guān)方法的原理與技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，重點(diǎn)闡述了高溫環(huán)境下該方法在力熱參數(shù)測(cè)量方面的技術(shù)難點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，旨在為飛行器研制過(guò)程中力熱參數(shù)獲取提供可持續(xù)發(fā)展技術(shù)路線。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation Method, DIC）是一種基于數(shù)字圖像處理的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法。DIC 方法的基本原理是利用試件表面的自然紋理或人工制造的隨機(jī)散斑場(chǎng)作為信息載體，通過(guò)相機(jī)拍攝采集試件表面特征區(qū)域變形前后散斑場(chǎng)的變化，再采用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行搜索計(jì)算從而得到試件的位移與變形信息[9]。DIC方法計(jì)算原理示意圖如圖1 所示[10]。

圖1 DIC 方法計(jì)算原理圖[10]Fig.1 Schematic diagram of DIC method calculation[10]

圖1中左圖為參考圖像，即變形開(kāi)始前相機(jī)所拍攝得到的原始圖像，右圖為變形圖像，即變形發(fā)生后相機(jī)所拍攝到的圖像。將計(jì)算區(qū)域劃分為若干個(gè)計(jì)算子圖像，計(jì)算子圖像為以待算像素點(diǎn)P（x0,y0）為中心的（2M+ 1） ×（2M+ 1）大小的像素矩形（M為子圖像半寬），變形后在變形圖像中采用適合的相關(guān)函數(shù)尋找與參考子圖像的互相關(guān)系數(shù)為極值的區(qū)域，即以為中心的變形子圖像，經(jīng)計(jì)算便可得到待算像素點(diǎn)在x與y方向上的位移u與v。

在DIC 方法中，一般采用一階形函數(shù)描述參考子圖像與變形子圖像中任意一點(diǎn)（x,y）與（x′,y′ ）的關(guān)系

定義兩幅圖像子區(qū)的相關(guān)函數(shù)一般采用抗干擾性較好的歸一化最小平方距離相關(guān)[11]函數(shù)CZ N S S D

式中，f（x,y）與g（x′,y′ ）分別為參考子圖像與變形子圖像的灰度值；fm與gm分別為參考子圖像與變形子圖像的灰度平均值。

常用的 DIC 方法有二維數(shù)字圖像相關(guān)（2D-DIC）與三維數(shù)字圖像相關(guān)（3D-DIC）方法。2D-DIC 方法是利用單個(gè)相機(jī)拍攝物體表面的散斑圖像進(jìn)行分析計(jì)算，而如今應(yīng)用場(chǎng)景更廣泛的3D-DIC 方法則是通過(guò)兩臺(tái)不同拍攝角度的相機(jī)采集相同場(chǎng)景的圖像，其基本原理如圖2 所示[12]，圖中待測(cè)物點(diǎn)P分別成像于左相機(jī)焦平面上的P1和右相機(jī)焦平面上的P2，O1和O2分別為左右相機(jī)的光心。根據(jù)小孔成像原理，用標(biāo)定靶對(duì)兩個(gè)相機(jī)位置進(jìn)行標(biāo)定，獲取相機(jī)的固有參數(shù)和非固有參數(shù)。所謂固有參數(shù)是根據(jù)小孔成像原理對(duì)相機(jī)圖像的描述，其參數(shù)分別為焦距f、主點(diǎn)C 的位置坐標(biāo)、徑向畸變量。非固有參數(shù)即在標(biāo)定靶所在坐標(biāo)系中相機(jī)的位置參數(shù)，包括平動(dòng)參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。根據(jù)所獲取的兩個(gè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)確定待測(cè)物點(diǎn)P分別在左右相機(jī)焦平面的位置，即P1和P2的位置坐標(biāo)。由于P點(diǎn)位于P1O1和P2O2的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)上，P點(diǎn)位置可以根據(jù)P1和P2的位置確定，變形后試件表面的P′點(diǎn)的位置能夠以相同的方式得到，所求的三維變形量即是P點(diǎn)與P′點(diǎn)空間坐標(biāo)的差值。

圖2 3D-DIC 方法基本原理示意圖[12]Fig.2 Schematic diagram of the basic principle of the 3D-DIC method[12]

2 高溫環(huán)境下數(shù)字圖像相關(guān)方法研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1990 年，Turner J L 等人[13]首次在高溫環(huán)境下應(yīng)用了DIC 方法，其對(duì)600℃下三種金屬的位移、應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；1996 年，Lyons J S 等人[14]在650℃高溫環(huán)境下對(duì)試件開(kāi)展了熱膨脹試驗(yàn)和均勻拉伸試驗(yàn)，應(yīng)用DIC 方法測(cè)量了試件的全場(chǎng)面內(nèi)變形，得到了較為精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在早期的研究中，DIC 方法就顯示出了在高溫下測(cè)量全場(chǎng)變形的巨大潛力，但高溫環(huán)境下DIC方法如何保證和提高測(cè)量精度存在諸多技術(shù)難題，比如氣動(dòng)熱、氣動(dòng)力導(dǎo)致的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)下的圖像退相關(guān)、圖像抖動(dòng)、模糊及視線偏移，高溫下變形載體制備難度大、力熱解耦困難以及特殊場(chǎng)景下光路遮擋受限等問(wèn)題。近些年由于廣大學(xué)者與研究人員的關(guān)注，該法已得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

2.1 高溫導(dǎo)致圖像退相關(guān)改進(jìn)方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在高溫環(huán)境下許多材料會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見(jiàn)光，造成材料表面的灰度特征發(fā)生變化，這會(huì)對(duì)采集到的散在匹配過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)斑圖像質(zhì)量造成影響，出現(xiàn)嚴(yán)重的退相關(guān)現(xiàn)象，導(dǎo)致誤造成測(cè)量精度降低，因此，降低熱輻射導(dǎo)致退相關(guān)現(xiàn)象的影響從而提高變形測(cè)量精度對(duì)于高溫DIC方法至關(guān)重要，為改善高溫退相關(guān)現(xiàn)象，研究人員主要從窄帶濾波獲取圖像和改進(jìn)算法兩個(gè)角度對(duì)DIC方法進(jìn)行了改進(jìn)。

Lyons J S 等人在早期研究中提出了兩種解決思路：一是提高照明設(shè)備的亮度，但當(dāng)溫度達(dá)到700℃左右時(shí)，會(huì)因物體亮度過(guò)大而無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)[14]；二是采用短波長(zhǎng)的帶通濾波器，輔以相關(guān)帶通波長(zhǎng)的照明光源的方式，由于在高溫下短波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于較長(zhǎng)波長(zhǎng)，因此采用短波長(zhǎng)的帶通濾波器可以有效的阻擋高輻射強(qiáng)度的較長(zhǎng)波長(zhǎng)光波，而采用相關(guān)照明光源是為了方便調(diào)整采集圖像的亮度。許多學(xué)者基于Lyons J S 的解決思路開(kāi)展了大量的研究改進(jìn)工作，表1 為常規(guī)圖像采集方法與窄帶濾波圖像采集方法對(duì)比。Grant B M B 等人[16]提出了一種采用藍(lán)色濾光片和單色相機(jī)結(jié)合的方法來(lái)抑制黑體輻射的干擾，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法能夠明顯提高散斑圖像的采集精度，并準(zhǔn)確測(cè)量到1000℃時(shí)鎳基合金的彈性模量和熱膨脹系數(shù)；潘兵等[17]人設(shè)計(jì)了一套窄帶通光學(xué)濾波成像系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)開(kāi)展了1000℃高溫下鉻鎳奧氏體不銹鋼的熱變形試驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效的阻擋波長(zhǎng)較長(zhǎng)且輻射強(qiáng)度高的光波進(jìn)入相機(jī)靶面，在高溫環(huán)境下拍攝到了高質(zhì)量的數(shù)字圖像；蘇蘭海等[18]設(shè)計(jì)了一套光學(xué)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)包括532nm的面振激光、窄帶濾波和可調(diào)式衰減片，并使用該系統(tǒng)開(kāi)展了1000℃高溫下鋼板熱變形場(chǎng)的測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于高溫條件下物體位移與變形的測(cè)量。而研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步采用紫外線濾波的方式能夠阻擋大部分輻射，Berke R B 等人[19]建立了一套采用紫外線照明、紫外線濾光片與紫外線相機(jī)的DIC 測(cè)量系統(tǒng)，稱為UV-DIC，并且在較高溫度下與傳統(tǒng)白光照明DIC 系統(tǒng)、過(guò)濾藍(lán)光的DIC 系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明在更高的溫度下，UV-DIC 系統(tǒng)仍然能夠準(zhǔn)確的測(cè)量物體的位移與變形；俞立平等人[20]建立了采用高亮度單色光照明（藍(lán)光/紫外照明）和帶通濾波成像（藍(lán)色/紫外濾波片）相結(jié)合的基于主動(dòng)光學(xué)成像技術(shù)的單相機(jī)高溫三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠降低高溫產(chǎn)生的熱輻射干擾，兩種方式均得到了準(zhǔn)確的物體熱變形參數(shù)。Thai T Q 等人[21]研究了在高溫環(huán)境下不同曝光時(shí)間對(duì)UV-DIC 系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的影響，結(jié)果表明在中等曝光時(shí)間下的測(cè)量誤差最小，在兩極時(shí)誤差會(huì)突然增大，并根據(jù)研究結(jié)果提供了一種歸一化指標(biāo)。

表1 圖像采集方法對(duì)比Table 1 Comparison of image acquisition methods

在高溫環(huán)境下除了對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，改進(jìn)相關(guān)搜索算法也能夠降低退相關(guān)現(xiàn)象所帶來(lái)的測(cè)量誤差。

有學(xué)者[22]將增量可靠性引導(dǎo)數(shù)字圖像相關(guān)（RG-DIC）技術(shù)與參考圖像自動(dòng)更新方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了一種用于大變形測(cè)量的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；也有學(xué)者[23]針對(duì)DIC 方法提出了一種在實(shí)參數(shù)遺傳算法中添加模擬退火突變過(guò)程和自適應(yīng)機(jī)制來(lái)搜索變形后的相應(yīng)子集的混合遺傳算法；鄭成林[24]提出了一種數(shù)字圖像相關(guān)的改進(jìn)方法，該方法采用Tikhonov 正則化方法計(jì)算圖像灰度梯度，通過(guò)反向組合高斯-牛頓（IC-GN）算法計(jì)算圖像亞像素位移，能夠增強(qiáng)算法在實(shí)際測(cè)量中的噪聲魯棒性；宋金連[25]提出了基于改進(jìn)反向組合高斯-牛頓（IIC-GN）算法的退相關(guān)嚴(yán)重散斑圖的初值估計(jì)方法，該方法能夠使相關(guān)系數(shù)低的計(jì)算點(diǎn)通過(guò)相關(guān)系數(shù)高的計(jì)算點(diǎn)所建立的模型估計(jì)，減少了搜索過(guò)程中搜索誤差大或者搜索錯(cuò)誤的計(jì)算點(diǎn)。盡管優(yōu)化算法能夠提高測(cè)量精度，但當(dāng)測(cè)量物體的溫度達(dá)到600℃時(shí)，采集圖像的亮度整體增強(qiáng)，對(duì)比度下降嚴(yán)重，產(chǎn)生嚴(yán)重的退相關(guān)效應(yīng)[17]，如圖3 所示，此種情況任何算法都難以進(jìn)行分析，因此，僅僅依賴算法來(lái)改進(jìn)高溫導(dǎo)致的圖像退相關(guān)現(xiàn)象存在一定的局限性。在一般材料級(jí)試驗(yàn)中，其方法可解決大部分熱輻射影響問(wèn)題。然而在飛行器部段級(jí)或整彈級(jí)熱試驗(yàn)、熱風(fēng)洞試驗(yàn)等工程應(yīng)用場(chǎng)景中，由于試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，加熱方式引起的環(huán)境光變化較大，單一的通過(guò)窄帶濾波等方法無(wú)法完全解決圖像退相關(guān)問(wèn)題，有時(shí)還需要進(jìn)行圖像灰度實(shí)時(shí)檢測(cè)和曝光調(diào)節(jié)，同時(shí)還要配合深度學(xué)習(xí)或其他有效圖像處理算法對(duì)圖像進(jìn)行計(jì)算前的預(yù)處理，才能真正實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在工程場(chǎng)景的應(yīng)用。

圖3 普通光學(xué)成像系統(tǒng)采集的不同溫度試件表面圖像[17]Fig.3 Surface images if specimens at different temperatures collected by ordinary optical imaging systems[17]

因此，針對(duì)“退相關(guān)”這一問(wèn)題，除了繼續(xù)發(fā)展基于采集硬件改進(jìn)的高對(duì)比度圖像獲取技術(shù)，還要發(fā)展各種圖像處理算法，根據(jù)大量真實(shí)熱試驗(yàn)過(guò)程中獲取的圖像信息，構(gòu)建熱圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而建立圖像修正算法庫(kù)。上述兩方面相互配合協(xié)調(diào)發(fā)展，才能更好的解決熱輻射干擾問(wèn)題，尤其是適用于工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的熱輻射干擾問(wèn)題。

2.2 熱流擾動(dòng)消除方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

熱流擾動(dòng)是由于在高溫環(huán)境下試件周?chē)諝鉁囟确植疾痪鶆驅(qū)е碌?。熱流擾動(dòng)會(huì)影響成像系統(tǒng)的圖像采集，試件周?chē)鷾囟炔痪鶆虻目諝夥植紩?huì)導(dǎo)致空氣的折射率發(fā)生變化，造成圖像拍攝失真或抖動(dòng)模糊而造成測(cè)量精度大大降低。在消除熱流擾動(dòng)方面，研究人員同樣開(kāi)展了大量的研究，包括改進(jìn)試驗(yàn)系統(tǒng)、優(yōu)化相關(guān)算法、改變加熱方式等。

Novak M D 等人[26]為了減少熱流擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在試件與相機(jī)之間安裝了氣刀，經(jīng)過(guò)1500℃高溫試驗(yàn)驗(yàn)證，該方式能夠顯著降低熱應(yīng)變的測(cè)量誤差；段淇元等人[27]針對(duì)高溫爐外熱氣流，采用空氣循環(huán)系統(tǒng)使高溫爐觀察窗與相機(jī)鏡頭之間的空氣均勻流動(dòng)，如圖4 所示，消除了高溫爐外熱氣流所造成的影響，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性；鮑思源[28]提出了一種基于彩色相機(jī)能夠消除熱流干擾誤差的變形測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)彩色相機(jī)提取測(cè)量結(jié)果中的熱流擾動(dòng)誤差并建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模擬對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正；吳大方等人[29]采取在石英燈周?chē)惭b輕質(zhì)耐高溫隔熱板和柔性隔熱氈的方法形成密閉空腔，在試驗(yàn)件受熱面周?chē)惭b石英玻璃框，和在相機(jī)與試件間加裝隔熱透光通道的方法降低了熱流干擾的影響，采集到了高質(zhì)量的散斑圖像，如圖5 所示。盡管許多學(xué)者對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)采取了不同的改進(jìn)方式，但單單憑借加裝外部硬件的方式很難完全消除熱流擾動(dòng)造成的影響。

圖4 高溫試驗(yàn)系統(tǒng)[27]Fig.4 High temperature testing system[27]

圖5 熱流擾動(dòng)抑制措施示意圖[29]Fig.5 Schematic diagram of heat flow disturbance suppression measures[29]

通過(guò)對(duì)相關(guān)算法的優(yōu)化也可以降低熱流擾動(dòng)的影響，有學(xué)者[30]提出了可以最小化熱流擾動(dòng)影響的灰度平均技術(shù)，并且在高溫散斑圖像中引入了擾動(dòng)系數(shù)，研究了熱流擾動(dòng)對(duì)變形測(cè)量精度的影響程度；陳登旭[31]通過(guò)加裝外部硬件和優(yōu)化算法相結(jié)合的方式，采用熱流風(fēng)機(jī)與灰度平均方法降低了熱流擾動(dòng)的影響。此外，采用真空室、長(zhǎng)曝光時(shí)間[34-35]、折射誤差校正[36]等方法也可以降低熱流擾動(dòng)的影響，文獻(xiàn)[33]建立了一套帶有真空設(shè)備的高熱通量的試驗(yàn)平臺(tái)，并在觀察窗處引入了水冷系統(tǒng)，有效的消除了熱流干擾；Doitrand A 等人[34]將曝光持續(xù)時(shí)間增加到4 秒，每張圖像為幾百個(gè)瞬間的平均值，降低了熱流擾動(dòng)造成的測(cè)量誤差；文獻(xiàn)[36]建立了帶有誤差校正因子的理論校正模型，并與存在折射效應(yīng)的未校正結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明理論校正模型能夠有效降低折射誤差。

試件的加熱方式對(duì)熱流擾動(dòng)同樣存在較大影響，傳統(tǒng)的高溫爐中試件、窗口、相機(jī)之間的空氣會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的熱流擾動(dòng)，選擇可以抑制氣體對(duì)流的加熱方式被證明是有效的解決方案，比如采用紅外加熱[37]、激光加熱[38-39]、直接歐姆加熱[16]、電磁感應(yīng)加熱[40]等方式。潘兵等人[37]設(shè)計(jì)了一套具有紅外輻射加熱裝置的瞬態(tài)氣動(dòng)熱試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)快速的控制溫度加載，加載上限可達(dá)1300℃；Novak M D 等人[38]開(kāi)發(fā)了一種激光加熱設(shè)備，成功加載了1500℃的高溫；Grant B M B 等人采用了在試件上施加直流電的方式進(jìn)行加熱，試件兩端使用水冷式夾具進(jìn)行固定，Berke R B[40]等人在試件周?chē)p繞線圈，通過(guò)電磁感應(yīng)的方式對(duì)試件進(jìn)行加熱，最高加熱溫度接近材料的熔點(diǎn)。

表2列舉了文獻(xiàn)中抑制熱流擾動(dòng)的試件加熱方式。在材料級(jí)試驗(yàn)中，三種方法均可以改善熱氣流擾動(dòng)的影響。然而在地面熱試驗(yàn)、熱風(fēng)洞試驗(yàn)甚至飛行試驗(yàn)中熱氣流擾動(dòng)大量存在，主要體現(xiàn)在氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響，該影響在工程試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)中很難通過(guò)硬件方法減小，發(fā)展圖像處理算法是一種較好的技術(shù)發(fā)展路線。根據(jù)大量真實(shí)熱試驗(yàn)過(guò)程中獲取的圖像信息，將受熱氣流影響的圖像與基準(zhǔn)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)后，根據(jù)圖像差建立多尺度分析圖像校準(zhǔn)算法庫(kù)，實(shí)現(xiàn)圖像各部分不同尺度高精度修正。累積大量真實(shí)試驗(yàn)圖片，并建立不同尺度圖像修正算法庫(kù)，是解決熱氣流擾動(dòng)問(wèn)題的一種行之有效的方法。

表2 抑制熱流擾動(dòng)的試件加熱方式Table 2 Heating method for suppressing heat flow disturbance of specimens

2.3 高溫環(huán)境散斑制作的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

采用DIC方法開(kāi)展變形測(cè)量試驗(yàn)需要在試件表面生成隨機(jī)灰度分布的散斑涂層，散斑涂層作為DIC 測(cè)量中的變形載體，其制備質(zhì)量影響和制約了DIC 測(cè)量方法結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性。現(xiàn)階段散斑制備一般有三種方法：1）人工在試件表面噴涂黑白漆獲得隨機(jī)分布的散斑圖像[41]；2）直接采用試件表面本身的自然紋理；3）采用激光照射利用試件表面的漫反射形成激光散斑[42]。

人工制斑的方式目前較為常用，但是在高溫環(huán)境下一般的制斑噴漆材料和噴涂工藝可能會(huì)導(dǎo)致散斑氧化脫落、對(duì)比度降低等現(xiàn)象的出現(xiàn)，造成采集圖像的精度降低甚至失真，因此如何在高溫環(huán)境下保證散斑圖案的質(zhì)量十分重要，許多學(xué)者在這方面也開(kāi)展了大量的研究。王翔采用在試件表面鍍銀的方式制備了高溫散斑，并經(jīng)受住了950℃的高溫；秦強(qiáng)等人[44]認(rèn)為應(yīng)選取與試件材料熱膨脹系數(shù)差距不大的高溫噴漆材料，否則可能會(huì)因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)的差異導(dǎo)致散斑脫落，其采用了等離子噴涂的方式將耐高溫材料金屬鎢噴涂在試件表面，如圖6 所示，散斑在2600℃高溫條件下仍能穩(wěn)定存在；研究人員[45]研制了適用于大變形的高性能耐熱涂層材料，該材料能夠耐受1100℃的高溫；段淇元等人[27]基于參數(shù)化模版，研發(fā)了一種可以調(diào)整散斑顆粒大小、分布密度和分布隨機(jī)度的高溫散斑制作工藝，并且以C-SiC復(fù)合材料為基底制備出了能夠耐受1200℃的高溫散斑；楊嬌[46]將耐高溫?zé)o機(jī)膠與氧化亞鈷按照一定比例進(jìn)行混合后使用高壓噴槍噴涂在待測(cè)截面上，制備了可耐1250℃的散斑。

圖6 高溫散斑噴涂示意圖[44]Fig.6 Schematic diagram of high-temperature speckle spraying[44]

激光散斑可以用于高溫環(huán)境，不會(huì)受到試件表面溫度的影響。王德普[47]對(duì)激光散斑應(yīng)變儀進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠在高溫下測(cè)量變形，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該儀器在300℃仍可靠；Anwander M 等人[48]開(kāi)發(fā)了一種激光非接觸式應(yīng)變傳感器，并使用該傳感器開(kāi)展了高溫拉伸試驗(yàn)，該傳感器成功在1200℃的高溫環(huán)境下測(cè)量到了準(zhǔn)確的熱應(yīng)變與機(jī)械應(yīng)變。盡管激光散斑在高溫下不存在人工制斑可能會(huì)出現(xiàn)的氧化脫落問(wèn)題，但卻會(huì)受到高溫背景輻射和熱流擾動(dòng)的影響，導(dǎo)致散斑圖像發(fā)生畸變，出現(xiàn)退相關(guān)現(xiàn)象，測(cè)量高溫三維變形較為困難，且激光散斑的處理較為復(fù)雜，該技術(shù)仍有待進(jìn)一步的研究。戴利霖[49]開(kāi)發(fā)了一種基于主動(dòng)激光雙側(cè)照射成像的激光散斑檢測(cè)裝置，制定了強(qiáng)背景輻射與熱流擾動(dòng)影響的抑制方法，并證明其裝置在1700℃高溫環(huán)境下能夠完成變形檢測(cè)。

目前，人工散斑制作以噴涂工藝為主，雖然能滿足耐高溫要求，但無(wú)法保證散斑制作一致性以及標(biāo)準(zhǔn)化制作問(wèn)題，對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生一定影響。激光散斑耐溫有限，無(wú)法完全滿足熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)過(guò)程中力熱參數(shù)測(cè)量需求。而隨著飛行器抗氧化涂層工藝的發(fā)展，結(jié)合涂層制備與激光蝕刻工藝，將計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字散斑場(chǎng)復(fù)刻到試件表面制成散斑涂層，散斑涂層與抗氧化涂層的性能指標(biāo)一致，該方法可以解決散斑耐溫性、結(jié)合力、穩(wěn)定性以及標(biāo)準(zhǔn)化制作問(wèn)題，是未來(lái)高溫環(huán)境下散斑制作技術(shù)的主要發(fā)展方向。

2.4 熱解耦技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在實(shí)際服役中的飛行器受到瞬態(tài)變化的氣動(dòng)熱載荷作用，熱結(jié)構(gòu)熱響應(yīng)分布與穩(wěn)定溫變不一致，使得熱結(jié)構(gòu)表面溫度分布不均勻且與環(huán)境溫度不一致。由于數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量的是被測(cè)物表面形變而引起的變形，這里面既包含熱膨脹引起的變形又包含力引起的變形，在對(duì)應(yīng)求解應(yīng)變時(shí)，熱膨脹雖然引起變形但不產(chǎn)生應(yīng)變，這就意味著數(shù)字圖像相關(guān)方法無(wú)法分離出熱膨脹引起的虛應(yīng)變及力產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)變，這就需要同步發(fā)展非接觸式測(cè)溫技術(shù)，與數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行相結(jié)合，進(jìn)行熱解耦，分離計(jì)算出實(shí)際需要的熱機(jī)械應(yīng)變。

Bodelot L 等人[50]采用了濾光鏡將紅外輻射與視覺(jué)輻射分別分離透射到紅外相機(jī)與CCD 相機(jī)中，首次在微觀尺度上進(jìn)行了完全耦合的全場(chǎng)變形與溫度場(chǎng)測(cè)量。但這種采用工業(yè)相機(jī)與紅外熱像儀分開(kāi)測(cè)量變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，面臨著兩組數(shù)據(jù)坐標(biāo)不一致的問(wèn)題，需要將測(cè)量的溫度信息與變形信息的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至同一世界坐標(biāo)系下。因此，如何同步測(cè)量變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)受到了研究人員的廣泛關(guān)注，Cholewa N 等人[51]開(kāi)發(fā)了一種紅外熱成像與三維DIC 方法的集成系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)溫度和位移的空間、時(shí)間分布的同步測(cè)量，并使用標(biāo)準(zhǔn)針孔立體校準(zhǔn)模型，開(kāi)發(fā)了一種用3D-DIC 技術(shù)校準(zhǔn)紅外熱像儀的新技術(shù)；也有學(xué)者[52]設(shè)計(jì)了一種紅外相機(jī)與普通相機(jī)的同步校準(zhǔn)方法和紅外圖像與普通圖像的匹配方法，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的精確對(duì)應(yīng)。宮文然[53]等人結(jié)合紅外測(cè)溫與DIC 方法，建立了溫度/變形場(chǎng)耦合測(cè)試方法，并除去虛應(yīng)變得到了機(jī)械熱應(yīng)變，研究了典型薄壁結(jié)構(gòu)熱屈曲行為特點(diǎn)，圖7 為測(cè)試系統(tǒng)示意圖。

圖7 溫度/變形場(chǎng)耦合測(cè)試系統(tǒng)[53]Fig.7 Temperature/deformation field coupling testing system[53]

采用單個(gè)彩色相機(jī)同步測(cè)量變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)，不需要對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。Maynadier A等人[54]提出了一套紅外圖像相關(guān)（IRIC）系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一種可以被識(shí)別為散斑圖案的特殊涂層，該系統(tǒng)僅使用單個(gè)紅外相機(jī)能夠同時(shí)測(cè)量變形場(chǎng)與溫度場(chǎng)。

在溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)同步非接觸式測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，目前大部分工作集中在利用不同類(lèi)型相機(jī)進(jìn)行不同物理量測(cè)量上，不同類(lèi)型的相機(jī)往往存在相機(jī)分辨率不匹配，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)一一映射對(duì)應(yīng)。利用彩色相機(jī)分通道進(jìn)行溫度場(chǎng)與變形場(chǎng)同步測(cè)量，雖然能實(shí)現(xiàn)不同物理量場(chǎng)一一對(duì)應(yīng)，但該方法的溫度場(chǎng)測(cè)量精度受制于比色測(cè)溫的精度，無(wú)法滿足高精度測(cè)量需求。在發(fā)展與數(shù)字圖像相關(guān)方法相結(jié)合的溫度場(chǎng)/變形場(chǎng)同步測(cè)量技術(shù)時(shí)，可以與目前先進(jìn)的非接觸測(cè)溫技術(shù)相結(jié)合，例如：基于激光誘導(dǎo)磷光測(cè)溫方法和基于輔助光源調(diào)制測(cè)溫法等，同時(shí)從多相機(jī)測(cè)量向單一、單個(gè)相機(jī)測(cè)量的方式轉(zhuǎn)化，最終實(shí)現(xiàn)高精度多物理量場(chǎng)一一映射對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)/變形場(chǎng)同步測(cè)量技術(shù)。

2.5 用于高溫測(cè)量的單相機(jī)3D-DIC 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于材料級(jí)試驗(yàn)，高溫環(huán)境下DIC 測(cè)量受觀測(cè)窗口尺寸的制約；對(duì)于部段級(jí)或整彈級(jí)熱試驗(yàn)，需要避免從加熱器包圍遮擋的外部測(cè)量方式，從而轉(zhuǎn)向從結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)量方案；對(duì)于飛行試驗(yàn)，DIC測(cè)量不但受觀測(cè)窗口限制且要求該方法向小型化、集成化設(shè)備轉(zhuǎn)化。對(duì)于上述問(wèn)題，需要減少數(shù)字圖像硬件成像系統(tǒng)的體積和相機(jī)數(shù)量的同時(shí)滿足三維測(cè)量要求，即搭建單相機(jī)3D-DIC 系統(tǒng)取代傳統(tǒng)雙相機(jī)3D-DIC 系統(tǒng)。潘兵等人[55]對(duì)單相機(jī)3D-DIC 搭建方法進(jìn)行了總結(jié)，共有4 種光路設(shè)計(jì)方法，分別為：1）基于衍射光柵的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用微小物體的測(cè)量，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/3；2）基于雙棱鏡的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍由雙棱鏡尺寸和工作距離共同決定，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/2；3）基于平面鏡的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)四個(gè)平面鏡不同位置擺放使得同一個(gè)物體在相機(jī)平面呈兩個(gè)像，取代傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)中用兩個(gè)相機(jī)呈兩個(gè)像，達(dá)到三維測(cè)量的目的。該系統(tǒng)的測(cè)量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量無(wú)異，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/2；4）基于彩色3CCD相機(jī)的全畫(huà)幅單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要彩色分光儀并結(jié)合彩色3CCD 相機(jī)，通過(guò)不同顏色分通道采集圖像達(dá)到三維測(cè)量目的，該系統(tǒng)的測(cè)量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)異，測(cè)量面積可以同視場(chǎng)面積一致。

單相機(jī)3D-DIC 測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在常溫靜力試驗(yàn)和試驗(yàn)中得以應(yīng)用，在高溫試驗(yàn)中，已經(jīng)形成了能與高溫爐配合使用的高溫單相機(jī)3D-DIC 測(cè)試系統(tǒng)，能夠進(jìn)行材料級(jí)高溫試驗(yàn)。吳立夫等[56]人采用正射投影-單相機(jī)3D-DIC 方法，測(cè)量了TBC 室溫至1000℃的熱力變形場(chǎng)；還有學(xué)者[57]設(shè)計(jì)了一套低成本、便攜和高分辨率單相機(jī)立體數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一臺(tái)高分辨率單反相機(jī)和一個(gè)四鏡片適配器，且集成了單色藍(lán)色照明和帶通濾波器，成功開(kāi)展了鋁陶瓷板和不銹鋼板的高溫變形試驗(yàn)；Nickerson E K 等人[58]將DAIC 與UV-DIC 相結(jié)合，DAIC 采用兩個(gè)衍射光柵使得單個(gè)相機(jī)能夠進(jìn)行立體成像，UV-DIC采用紫外線燈與濾光片能夠有效屏蔽高溫?zé)彷椛洌呓Y(jié)合的UV-DAIC 技術(shù)提供了一種低成本、簡(jiǎn)單的在高溫下測(cè)量三維變形的方法。北京強(qiáng)度環(huán)境研究所聯(lián)合東南大學(xué)研制了能夠應(yīng)用于艙段級(jí)熱試驗(yàn)局部蒙皮內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的單相機(jī)3D-DIC 設(shè)備，如圖8 所示，該設(shè)備把高溫單相機(jī)3D-DIC 測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行硬件集成，并進(jìn)行防隔熱一體化的緊湊設(shè)計(jì)，該設(shè)備本身可置于600℃高溫環(huán)境[59]。

圖8 耐高溫單相機(jī)3D-DIC 樣機(jī)[59]Fig.8 High temperature resistant single camera 3D-DIC prototype[59]

單相機(jī)3D-DIC 方法除了減少相機(jī)使用數(shù)量從而降低工程使用成本以外，在工程應(yīng)用方面還具有集成設(shè)備后體積比雙目3D-DIC 體積小，方便調(diào)節(jié)和標(biāo)定等優(yōu)勢(shì)。目前，把單相機(jī)3D-DIC測(cè)試系統(tǒng)集成化、使其成為小體積能夠適用于狹小空間測(cè)試環(huán)境是該技術(shù)方向未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)論

1）面向更高環(huán)境溫度的測(cè)量，減小氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的影響，除了從向更短和更窄濾波波段選擇獲取清晰穩(wěn)定數(shù)字圖像外，發(fā)展結(jié)合深度學(xué)習(xí)的圖像處理算法和建立典型熱環(huán)境下的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)和圖像修正算法庫(kù)，是未來(lái)發(fā)展的方向。

2）針對(duì)耐高溫變形載體制備問(wèn)題，與飛行器抗氧化涂層制備工藝一起發(fā)展，再結(jié)合數(shù)字散斑優(yōu)化設(shè)計(jì)和激光刻蝕工藝，形成耐高溫標(biāo)準(zhǔn)化散斑制作方法，是未來(lái)高溫環(huán)境下散斑制作技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3）針對(duì)熱解耦問(wèn)題，需要發(fā)展多物理量一體化測(cè)量方法，即從不同類(lèi)型相機(jī)、多個(gè)相機(jī)測(cè)量多個(gè)物理量的方法逐漸向單一類(lèi)型或單個(gè)相機(jī)測(cè)量多個(gè)物理量三維測(cè)量方法過(guò)渡，在此技術(shù)路線發(fā)展過(guò)程中可結(jié)合光譜分離、光譜波段優(yōu)選等技術(shù)，目前，比較熱門(mén)的技術(shù)方向?yàn)榛诎l(fā)光涂層的多物理量一體化測(cè)量方法和多光譜多物理量一體化測(cè)量。

4）針對(duì)特殊場(chǎng)景測(cè)量問(wèn)題，使DIC 測(cè)試方法由測(cè)量系統(tǒng)向DIC 測(cè)量設(shè)備發(fā)展轉(zhuǎn)化，尤其是向小型化集成化設(shè)備轉(zhuǎn)化，是DIC 測(cè)量方法未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)同步測(cè)試技術(shù)、非接觸式溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)、耐高溫傳像技術(shù)等，未來(lái)可以研發(fā)一系列面向地面試驗(yàn)、遙測(cè)等進(jìn)行高溫應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)同步測(cè)試不同類(lèi)型的單相機(jī)小型化3D-DIC 設(shè)備，擴(kuò)大數(shù)字圖像相關(guān)方法在艙段級(jí)或整彈級(jí)地面試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用范圍，從而為獲取更多有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支持。