高温构件多光谱非接触式动态测试机理及误差补偿方法研究

Currently, contact electrometric measuring method is the main method of dynamic testing of aeronautical engines. But this method is not working in high-temperature environments and also has the limitations of low efficiency, and low accuracy. High-speed stereo vision with the advantage of non-contact has been gradually developed in recent years. However, it is still difficult to be applied to field test in complex environments. Systemic researches on those dynamic testing problems, including high temperature components in varying temperature field, aim to meet the demand of dynamic testing of aeronautical engines. This project plans to use the difference of refractive index between different spectrums in the field of high temperature to develop a robust testing method of high accuracy which is suitable for varying temperature field. . The first step is to research the establishment of the imaging theoretical model of light wave indifferent spectrums, combined with the hardware structural design of compound eye system, to realize the multi-spectral imaging of compound eye. The following step is to study the application of the difference in multi-spectral imaging for target objective imaging model with inversion calculation method, in order to develop a calibration method of high accuracy and3-d reconstruction algorithm that are suitable for varying temperature field. Finally, the accuracy of the measurement system can be implemented by analyzing experimental error model and compensation mechanism. This project is to lay a solid theoretical foundation and provide experimental bases for non-contact dynamic testing technology to be applied tostructural dynamic testing in complex varying temperature field, and also provides theoretic guidance for analyzing the mechanical characteristic of the surface structure and further improvement of the design.

接触式电测法是当前航空发动机动态测试的主要手段，存在着效率低、测试精度不高、不耐高温等局限；近年来所发展的高速立体视觉非接触式动态测试技术仍难以适应动态高温测试条件。从此类高温构件动态测试需求出发，本项目拟系统研究变温度场下非接触式动态测试机理及误差补偿方法，提出利用多光谱成像的空间差异信息反演成像误差补偿模型，发展适用于变温度场的高精度、鲁棒性强的动态测试方法。首先，研究建立变温度场下不同谱段的非线性成像模型，结合复眼系统硬件结构设计实现复眼式多光谱成像；其次，利用多光谱成像差异性反演计算成像误差补偿模型，研究适用于变温度场的高精度标定方法和三维重建算法；最终，通过实验分析误差模型及补偿机理，实现测量系统的精度保障。本项目将为非接触式动态测试技术应用于复杂变温度场下的结构动态测试奠定坚实的理论基础和实验依据，同时为实现其表面结构的力学特性分析以及进一步改进设计提供理论指导。

本项目以非接触式高温构件的动态测量需求为目标，研究了一种能够基于不同谱段的成像信息反演重建出适用于视觉测量高保真目标信息的处理方法，研究建立了不同温度场下多光谱成像的折射率模型，结合了多光谱和复眼成像方法，提升了高温状态下的立体视觉测量精度，完成了项目申请时的研究设想。主要研究内容为：（1）研究变温度场下不同谱段的非线性成像模型以及适应于变温度场测试条件的鲁棒性标定方法，研究了不同温度场分布下可见光及近红外波段的非线性成像模型。探明了实时温度变化条件下若干光学谱段的成像变化规律。 系统分析了不同空间温度分布情况对标定参数的影响规律，依据温度场分布以及多谱段成像模型参数来实现标定参数补偿修正，最终实现了测试系统在整个温度变化范围内的高精度、高鲁棒性的标定方法。（2）设计多光谱通道的复眼式成像系统以及研究利用多光谱成像的空间差异信息反演成像误差补偿模型的机理，进行复眼式的多光谱成像设计，建立了多光谱成像信息反演成像误差模型，以选取谱段的成像模型为约束对多谱段的图像进行融合并依据补偿模型进行修正，从而消除了温度场的影响。（3）基于时间序列的振动模态分析方法以及动态测试系统标定技术研究，发展出了适用于复杂不确定激励的模态分析方法。系统分析了振动参数对标定参数的影响规律，探索研究了振动测试系统的高精度标定方法。（4）测试系统振动误差分析与高精度三维重建以及非接触式振动测试方法实验验证，深入研究测试系统的误差产生机理及规律的基础上，研究了振动目标图像全场高分辨率精确匹配的理论与方法，实现了高精度三维重建，并对所建立的模型和算法采用系统的实验验证。本项目圆满达到了申请时的设计目标，超额完成了申请时的项目指标，探索了此类高温构件的动态测量新方法，初步应用于航天508所火星探测器的回收试验中的动态姿态三维高精度重建，为航空航天领域中高温环境下的非接触式动态测量提供了理论基础和技术积累。