面向飛行器的高溫數(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動性等特點，是當前和未來航空航天技術(shù)重要的發(fā)展方向[1]。此類飛行器在真實飛行服役環(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)致飛行器面臨嚴酷的氣動熱、氣動噪聲、氣動力與機械振動等耦合載荷環(huán)境，氣動力、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-熱-結(jié)構(gòu)相互耦合問題非常突出，這給飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗驗證提出了極大的挑戰(zhàn)。因此，研究在高溫環(huán)境下熱載荷和機械載荷共同作用下的飛行器熱結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律對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)高溫變形測試技術(shù)大致可分為接觸式和非接觸式兩大類[5]。接觸式變形測量方法主要包括高溫應(yīng)變片、高溫引伸計、高溫傳感器等，在高溫條件下存在測量精度不高、難以直接承受嚴酷環(huán)境、安裝工藝要求高等問題[6]。非接觸式變形測量方法可以在不改變待測試件表面力學(xué)性能的基礎(chǔ)上測量高溫變形。非接觸式變形測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量精度較高，但是對于環(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光學(xué)測量方法，具有測量范圍廣泛、對測量環(huán)境要求低、試驗操作簡單、測量精度高等優(yōu)點，已然成為應(yīng)用最為廣泛的高溫變形測量方法。

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)，重點闡述了高溫環(huán)境下該方法在力熱參數(shù)測量方面的技術(shù)難點和未來發(fā)展趨勢，旨在為飛行器研制過程中力熱參數(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散斑場作為信息載體，通過相機拍攝采集試件表面特征區(qū)域變形前后散斑場的變化，再采用相關(guān)函數(shù)進行搜索計算從而得到試件的位移與變形信息[9]。DIC方法計算原理示意圖如圖1 所示[10]。

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

圖1中左圖為參考圖像，即變形開始前相機所拍攝得到的原始圖像，右圖為變形圖像，即變形發(fā)生后相機所拍攝到的圖像。將計算區(qū)域劃分為若干個計算子圖像，計算子圖像為以待算像素點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)計算便可得到待算像素點在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（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 方法是利用單個相機拍攝物體表面的散斑圖像進行分析計算，而如今應(yīng)用場景更廣泛的3D-DIC 方法則是通過兩臺不同拍攝角度的相機采集相同場景的圖像，其基本原理如圖2 所示[12]，圖中待測物點P分別成像于左相機焦平面上的P1和右相機焦平面上的P2，O1和O2分別為左右相機的光心。根據(jù)小孔成像原理，用標定靶對兩個相機位置進行標定，獲取相機的固有參數(shù)和非固有參數(shù)。所謂固有參數(shù)是根據(jù)小孔成像原理對相機圖像的描述，其參數(shù)分別為焦距f、主點C 的位置坐標、徑向畸變量。非固有參數(shù)即在標定靶所在坐標系中相機的位置參數(shù)，包括平動參數(shù)和轉(zhuǎn)動參數(shù)。根據(jù)所獲取的兩個相機的內(nèi)外參數(shù)確定待測物點P分別在左右相機焦平面的位置，即P1和P2的位置坐標。由于P點位于P1O1和P2O2的延長線的交點上，P點位置可以根據(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點與P′點空間坐標的差值。

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

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600℃下三種金屬的位移、應(yīng)變和熱膨脹系數(shù)進行了測量；1996 年，Lyons J S 等人[14]在650℃高溫環(huán)境下對試件開展了熱膨脹試驗和均勻拉伸試驗，應(yīng)用DIC 方法測量了試件的全場面內(nèi)變形，得到了較為精確的測量數(shù)據(jù)。在早期的研究中，DIC 方法就顯示出了在高溫下測量全場變形的巨大潛力，但高溫環(huán)境下DIC方法如何保證和提高測量精度存在諸多技術(shù)難題，比如氣動熱、氣動力導(dǎo)致的氣動光學(xué)效應(yīng)下的圖像退相關(guān)、圖像抖動、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景下光路遮擋受限等問題。近些年由于廣大學(xué)者與研究人員的關(guān)注，該法已得到了長足的發(fā)展。

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

在高溫環(huán)境下許多材料會產(chǎn)生強烈的可見光，造成材料表面的灰度特征發(fā)生變化，這會對采集到的散在匹配過程中發(fā)生錯斑圖像質(zhì)量造成影響，出現(xiàn)嚴重的退相關(guān)現(xiàn)象，導(dǎo)致誤造成測量精度降低，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量精度對于高溫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算法兩個角度對DIC方法進行了改進。

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，但當溫度達到700℃左右時，會因物體亮度過大而無法得到準確的測量數(shù)據(jù)[14]；二是采用短波長的帶通濾波器，輔以相關(guān)帶通波長的照明光源的方式，由于在高溫下短波長的輻射強度遠遠低于較長波長，因此采用短波長的帶通濾波器可以有效的阻擋高輻射強度的較長波長光波，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 的解決思路開展了大量的研究改進工作，表1 為常規(guī)圖像采集方法與窄帶濾波圖像采集方法對比。Grant B M B 等人[16]提出了一種采用藍色濾光片和單色相機結(jié)合的方法來抑制黑體輻射的干擾，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)該方法能夠明顯提高散斑圖像的采集精度，并準確測量到1000℃時鎳基合金的彈性模量和熱膨脹系數(shù)；潘兵等[17]人設(shè)計了一套窄帶通光學(xué)濾波成像系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)開展了1000℃高溫下鉻鎳奧氏體不銹鋼的熱變形試驗，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效的阻擋波長較長且輻射強度高的光波進入相機靶面，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)開展了1000℃高溫下鋼板熱變形場的測量試驗，試驗結(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量。而研究發(fā)現(xiàn)進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的DIC 測量系統(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)、過濾藍光的DIC 系統(tǒng)進行了對比，結(jié)果表明在更高的溫度下，UV-DIC 系統(tǒng)仍然能夠準確的測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（藍光/紫外照明）和帶通濾波成像（藍色/紫外濾波片）相結(jié)合的基于主動光學(xué)成像技術(shù)的單相機高溫三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過試驗驗證能夠降低高溫產(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)境下不同曝光時間對UV-DIC 系統(tǒng)測量結(jié)果的影響，結(jié)果表明在中等曝光時間下的測量誤差最小，在兩極時誤差會突然增大，并根據(jù)研究結(jié)果提供了一種歸一化指標。

表1 圖像采集方法對比Table 1 Comparison of image acquisition methods

在高溫環(huán)境下除了對試驗系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計以外，改進相關(guān)搜索算法也能夠降低退相關(guān)現(xiàn)象所帶來的測量誤差。

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)與參考圖像自動更新方法相結(jié)合，開發(fā)了一種用于大變形測量的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；也有學(xué)者[23]針對DIC 方法提出了一種在實參數(shù)遺傳算法中添加模擬退火突變過程和自適應(yīng)機制來搜索變形后的相應(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)的改進方法，該方法采用Tikhonov 正則化方法計算圖像灰度梯度，通過反向組合高斯-牛頓（IC-GN）算法計算圖像亞像素位移，能夠增強算法在實際測量中的噪聲魯棒性；宋金連[25]提出了基于改進反向組合高斯-牛頓（IIC-GN）算法的退相關(guān)嚴重散斑圖的初值估計方法，該方法能夠使相關(guān)系數(shù)低的計算點通過相關(guān)系數(shù)高的計算點所建立的模型估計，減少了搜索過程中搜索誤差大或者搜索錯誤的計算點。盡管優(yōu)化算法能夠提高測量精度，但當測量物體的溫度達到600℃時，采集圖像的亮度整體增強，對比度下降嚴重，產(chǎn)生嚴重的退相關(guān)效應(yīng)[17]，如圖3 所示，此種情況任何算法都難以進行分析，因此，僅僅依賴算法來改進高溫導(dǎo)致的圖像退相關(guān)現(xiàn)象存在一定的局限性。在一般材料級試驗中，其方法可解決大部分熱輻射影響問題。然而在飛行器部段級或整彈級熱試驗、熱風洞試驗等工程應(yīng)用場景中，由于試驗環(huán)境復(fù)雜，加熱方式引起的環(huán)境光變化較大，單一的通過窄帶濾波等方法無法完全解決圖像退相關(guān)問題，有時還需要進行圖像灰度實時檢測和曝光調(diào)節(jié)，同時還要配合深度學(xué)習(xí)或其他有效圖像處理算法對圖像進行計算前的預(yù)處理，才能真正實現(xiàn)該技術(shù)在工程場景的應(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“退相關(guān)”這一問題，除了繼續(xù)發(fā)展基于采集硬件改進的高對比度圖像獲取技術(shù)，還要發(fā)展各種圖像處理算法，根據(jù)大量真實熱試驗過程中獲取的圖像信息，構(gòu)建熱圖像數(shù)據(jù)庫，進而建立圖像修正算法庫。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題，尤其是適用于工程現(xiàn)場環(huán)境的熱輻射干擾問題。

2.2 熱流擾動消除方法的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

熱流擾動是由于在高溫環(huán)境下試件周圍空氣溫度分布不均勻?qū)е碌?。熱流擾動會影響成像系統(tǒng)的圖像采集，試件周圍溫度不均勻的空氣分布會導(dǎo)致空氣的折射率發(fā)生變化，造成圖像拍攝失真或抖動模糊而造成測量精度大大降低。在消除熱流擾動方面，研究人員同樣開展了大量的研究，包括改進試驗系統(tǒng)、優(yōu)化相關(guān)算法、改變加熱方式等。

Novak M D 等人[26]為了減少熱流擾動對測量結(jié)果的影響，在試件與相機之間安裝了氣刀，經(jīng)過1500℃高溫試驗驗證，該方式能夠顯著降低熱應(yīng)變的測量誤差；段淇元等人[27]針對高溫爐外熱氣流，采用空氣循環(huán)系統(tǒng)使高溫爐觀察窗與相機鏡頭之間的空氣均勻流動，如圖4 所示，消除了高溫爐外熱氣流所造成的影響，提高了測量結(jié)果的準確性；鮑思源[28]提出了一種基于彩色相機能夠消除熱流干擾誤差的變形測量系統(tǒng)，通過彩色相機提取測量結(jié)果中的熱流擾動誤差并建立數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)模擬對試驗結(jié)果進行修正；吳大方等人[29]采取在石英燈周圍安裝輕質(zhì)耐高溫隔熱板和柔性隔熱氈的方法形成密閉空腔，在試驗件受熱面周圍安裝石英玻璃框，和在相機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)者對試驗系統(tǒng)采取了不同的改進方式，但單單憑借加裝外部硬件的方式很難完全消除熱流擾動造成的影響。

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

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

通過對相關(guān)算法的優(yōu)化也可以降低熱流擾動的影響，有學(xué)者[30]提出了可以最小化熱流擾動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系數(shù)，研究了熱流擾動對變形測量精度的影響程度；陳登旭[31]通過加裝外部硬件和優(yōu)化算法相結(jié)合的方式，采用熱流風機與灰度平均方法降低了熱流擾動的影響。此外，采用真空室、長曝光時間[34-35]、折射誤差校正[36]等方法也可以降低熱流擾動的影響，文獻[33]建立了一套帶有真空設(shè)備的高熱通量的試驗平臺，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)時間增加到4 秒，每張圖像為幾百個瞬間的平均值，降低了熱流擾動造成的測量誤差；文獻[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)果進行了對比試驗，結(jié)果表明理論校正模型能夠有效降低折射誤差。

試件的加熱方式對熱流擾動同樣存在較大影響，傳統(tǒng)的高溫爐中試件、窗口、相機之間的空氣會導(dǎo)致較為嚴重的熱流擾動，選擇可以抑制氣體對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)計了一套具有紅外輻射加熱裝置的瞬態(tài)氣動熱試驗?zāi)M系統(tǒng)，能夠精準快速的控制溫度加載，加載上限可達1300℃；Novak M D 等人[38]開發(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行加熱，試件兩端使用水冷式夾具進行固定，Berke R B[40]等人在試件周圍纏繞線圈，通過電磁感應(yīng)的方式對試件進行加熱，最高加熱溫度接近材料的熔點。

表2列舉了文獻中抑制熱流擾動的試件加熱方式。在材料級試驗中，三種方法均可以改善熱氣流擾動的影響。然而在地面熱試驗、熱風洞試驗甚至飛行試驗中熱氣流擾動大量存在，主要體現(xiàn)在氣動光學(xué)效應(yīng)對圖像質(zhì)量的影響，該影響在工程試驗或飛行試驗中很難通過硬件方法減小，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)大量真實熱試驗過程中獲取的圖像信息，將受熱氣流影響的圖像與基準圖像進行配準后，根據(jù)圖像差建立多尺度分析圖像校準算法庫，實現(xiàn)圖像各部分不同尺度高精度修正。累積大量真實試驗圖片，并建立不同尺度圖像修正算法庫，是解決熱氣流擾動問題的一種行之有效的方法。

表2 抑制熱流擾動的試件加熱方式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

采用DIC方法開展變形測量試驗需要在試件表面生成隨機灰度分布的散斑涂層，散斑涂層作為DIC 測量中的變形載體，其制備質(zhì)量影響和制約了DIC 測量方法結(jié)果的一致性和準確性?，F(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導(dǎo)致散斑氧化脫落、對比度降低等現(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；秦強等人[44]認為應(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，否則可能會因為熱膨脹系數(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]將耐高溫無機膠與氧化亞鈷按照一定比例進行混合后使用高壓噴槍噴涂在待測截面上，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，不會受到試件表面溫度的影響。王德普[47]對激光散斑應(yīng)變儀進行了改進，使其能夠在高溫下測量變形，經(jīng)試驗驗證，該儀器在300℃仍可靠；Anwander M 等人[48]開發(fā)了一種激光非接觸式應(yīng)變傳感器，并使用該傳感器開展了高溫拉伸試驗，該傳感器成功在1200℃的高溫環(huán)境下測量到了準確的熱應(yīng)變與機械應(yīng)變。盡管激光散斑在高溫下不存在人工制斑可能會出現(xiàn)的氧化脫落問題，但卻會受到高溫背景輻射和熱流擾動的影響，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)仍有待進一步的研究。戴利霖[49]開發(fā)了一種基于主動激光雙側(cè)照射成像的激光散斑檢測裝置，制定了強背景輻射與熱流擾動影響的抑制方法，并證明其裝置在1700℃高溫環(huán)境下能夠完成變形檢測。

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，但無法保證散斑制作一致性以及標準化制作問題，對測量精度產(chǎn)生一定影響。激光散斑耐溫有限，無法完全滿足熱結(jié)構(gòu)試驗過程中力熱參數(shù)測量需求。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，將計算機優(yōu)化設(shè)計的數(shù)字散斑場復(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)定性以及標準化制作問題，是未來高溫環(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

在實際服役中的飛行器受到瞬態(tài)變化的氣動熱載荷作用，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)方法測量的是被測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，在對應(yīng)求解應(yīng)變時，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)方法無法分離出熱膨脹引起的虛應(yīng)變及力產(chǎn)生的機械應(yīng)變，這就需要同步發(fā)展非接觸式測溫技術(shù)，與數(shù)字圖像相關(guān)方法進行相結(jié)合，進行熱解耦，分離計算出實際需要的熱機械應(yīng)變。

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

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

采用單個彩色相機同步測量變形場與溫度場，不需要對兩組數(shù)據(jù)進行坐標轉(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)計了一種可以被識別為散斑圖案的特殊涂層，該系統(tǒng)僅使用單個紅外相機能夠同時測量變形場與溫度場。

在溫度場與變形場同步非接觸式測量技術(shù)領(lǐng)域，目前大部分工作集中在利用不同類型相機進行不同物理量測量上，不同類型的相機往往存在相機分辨率不匹配，無法真正實現(xiàn)溫度場與變形場一一映射對應(yīng)。利用彩色相機分通道進行溫度場與變形場同步測量，雖然能實現(xiàn)不同物理量場一一對應(yīng)，但該方法的溫度場測量精度受制于比色測溫的精度，無法滿足高精度測量需求。在發(fā)展與數(shù)字圖像相關(guān)方法相結(jié)合的溫度場/變形場同步測量技術(shù)時，可以與目前先進的非接觸測溫技術(shù)相結(jié)合，例如：基于激光誘導(dǎo)磷光測溫方法和基于輔助光源調(diào)制測溫法等，同時從多相機測量向單一、單個相機測量的方式轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)高精度多物理量場一一映射對應(yīng)的溫度場/變形場同步測量技術(shù)。

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

對于材料級試驗，高溫環(huán)境下DIC 測量受觀測窗口尺寸的制約；對于部段級或整彈級熱試驗，需要避免從加熱器包圍遮擋的外部測量方式，從而轉(zhuǎn)向從結(jié)構(gòu)內(nèi)部測量方案；對于飛行試驗，DIC測量不但受觀測窗口限制且要求該方法向小型化、集成化設(shè)備轉(zhuǎn)化。對于上述問題，需要減少數(shù)字圖像硬件成像系統(tǒng)的體積和相機數(shù)量的同時滿足三維測量要求，即搭建單相機3D-DIC 系統(tǒng)取代傳統(tǒng)雙相機3D-DIC 系統(tǒng)。潘兵等人[55]對單相機3D-DIC 搭建方法進行了總結(jié)，共有4 種光路設(shè)計方法，分別為：1）基于衍射光柵的單相機系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用微小物體的測量，測試面積不超過視場面積的1/3；2）基于雙棱鏡的單相機系統(tǒng)，該系統(tǒng)的視場范圍由雙棱鏡尺寸和工作距離共同決定，測試面積不超過視場面積的1/2；3）基于平面鏡的單相機系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過四個平面鏡不同位置擺放使得同一個物體在相機平面呈兩個像，取代傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)中用兩個相機呈兩個像，達到三維測量的目的。該系統(tǒng)的測量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測量無異，測試面積不超過視場面積的1/2；4）基于彩色3CCD相機的全畫幅單相機系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要彩色分光儀并結(jié)合彩色3CCD 相機，通過不同顏色分通道采集圖像達到三維測量目的，該系統(tǒng)的測量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)無異，測量面積可以同視場面積一致。

單相機3D-DIC 測試技術(shù)已經(jīng)在常溫靜力試驗和試驗中得以應(yīng)用，在高溫試驗中，已經(jīng)形成了能與高溫爐配合使用的高溫單相機3D-DIC 測試系統(tǒng)，能夠進行材料級高溫試驗。吳立夫等[56]人采用正射投影-單相機3D-DIC 方法，測量了TBC 室溫至1000℃的熱力變形場；還有學(xué)者[57]設(shè)計了一套低成本、便攜和高分辨率單相機立體數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了一臺高分辨率單反相機和一個四鏡片適配器，且集成了單色藍色照明和帶通濾波器，成功開展了鋁陶瓷板和不銹鋼板的高溫變形試驗；Nickerson E K 等人[58]將DAIC 與UV-DIC 相結(jié)合，DAIC 采用兩個衍射光柵使得單個相機能夠進行立體成像，UV-DIC采用紫外線燈與濾光片能夠有效屏蔽高溫熱輻射，二者結(jié)合的UV-DAIC 技術(shù)提供了一種低成本、簡單的在高溫下測量三維變形的方法。北京強度環(huán)境研究所聯(lián)合東南大學(xué)研制了能夠應(yīng)用于艙段級熱試驗局部蒙皮內(nèi)部應(yīng)變場測量的單相機3D-DIC 設(shè)備，如圖8 所示，該設(shè)備把高溫單相機3D-DIC 測試系統(tǒng)進行硬件集成，并進行防隔熱一體化的緊湊設(shè)計，該設(shè)備本身可置于600℃高溫環(huán)境[59]。

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

單相機3D-DIC 方法除了減少相機使用數(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)和標定等優(yōu)勢。目前，把單相機3D-DIC測試系統(tǒng)集成化、使其成為小體積能夠適用于狹小空間測試環(huán)境是該技術(shù)方向未來發(fā)展趨勢。

3 結(jié)論

1）面向更高環(huán)境溫度的測量，減小氣動光學(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)庫和圖像修正算法庫，是未來發(fā)展的方向。

2）針對耐高溫變形載體制備問題，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)計和激光刻蝕工藝，形成耐高溫標準化散斑制作方法，是未來高溫環(huán)境下散斑制作技術(shù)的主要發(fā)展方向。

3）針對熱解耦問題，需要發(fā)展多物理量一體化測量方法，即從不同類型相機、多個相機測量多個物理量的方法逐漸向單一類型或單個相機測量多個物理量三維測量方法過渡，在此技術(shù)路線發(fā)展過程中可結(jié)合光譜分離、光譜波段優(yōu)選等技術(shù)，目前，比較熱門的技術(shù)方向為基于發(fā)光涂層的多物理量一體化測量方法和多光譜多物理量一體化測量。

4）針對特殊場景測量問題，使DIC 測試方法由測量系統(tǒng)向DIC 測量設(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 測量方法未來發(fā)展趨勢。結(jié)合溫度場/應(yīng)變場同步測試技術(shù)、非接觸式溫度場測試技術(shù)、耐高溫傳像技術(shù)等，未來可以研發(fā)一系列面向地面試驗、遙測等進行高溫應(yīng)變場、溫度場、溫度場/應(yīng)變場同步測試不同類型的單相機小型化3D-DIC 設(shè)備，擴大數(shù)字圖像相關(guān)方法在艙段級或整彈級地面試驗或飛行試驗中的應(yīng)用范圍，從而為獲取更多有效試驗數(shù)據(jù)提供技術(shù)支持。