劉建偉，侯軍興，趙大旭，蔣志強(qiáng)

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南鄭州450015;2.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300)

0 前言

航空航天裝備、飛行器及零部件由于工況復(fù)雜常常伴隨有變形現(xiàn)象。測(cè)量其變形具有兩方面的意義［1］:一方面可以了解航空材料的變形機(jī)制，驗(yàn)證已有假說和理論，通過實(shí)測(cè)建立理論或經(jīng)驗(yàn)公式，掌握航空材料或航空結(jié)構(gòu)件的變形規(guī)律;另一方面可以檢驗(yàn)飛行器設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性，評(píng)估航空結(jié)構(gòu)件的運(yùn)營能力與壽命，監(jiān)控被測(cè)航空對(duì)象的安全狀況等。當(dāng)前航空航天和國防工業(yè)眾多關(guān)鍵領(lǐng)域都存在三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量需求，如:

(1)航空材料塑性成形中的全場(chǎng)位移與應(yīng)變測(cè)量;

(2)航空輕質(zhì)板料焊接變形測(cè)量;

(3)航空部件震動(dòng)過程的測(cè)定;

(4)全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力變形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析;

(5)飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)動(dòng)態(tài)變形測(cè)量;

(6)飛機(jī)巡航狀態(tài)下左右機(jī)翼對(duì)稱性的動(dòng)態(tài)檢測(cè);

(7)大型飛行器結(jié)構(gòu)件裝配變形、熱力變形、承載變形測(cè)量。

航空裝備的動(dòng)態(tài)變形是指目標(biāo)表面各點(diǎn)變形方向多變，變形速度較快，目標(biāo)形態(tài)持續(xù)變化，中間狀態(tài)不能保持的變形過程。動(dòng)態(tài)變形為瞬時(shí)特性，對(duì)測(cè)量效率要求較高，大多數(shù)面向三維形貌測(cè)量的設(shè)備和手段無法適用于三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量，當(dāng)目標(biāo)為大尺寸大變形物體時(shí)，常規(guī)變形測(cè)量手段往往失效。因而對(duì)航空裝備類大尺寸物體三維變形過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、連續(xù)、動(dòng)態(tài)地測(cè)量一直是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

目前沒有一種通用測(cè)量手段可以勝任所有測(cè)量任務(wù)。傳統(tǒng)變形測(cè)量傳感器中能夠應(yīng)用于航空裝備動(dòng)態(tài)變形測(cè)量的有應(yīng)變式傳感器，位移傳感器，加速度傳感器。這類傳感器都屬于接觸式，會(huì)對(duì)變形過程產(chǎn)生一定的影響;測(cè)點(diǎn)有限，無法反映變形場(chǎng)域信息;量程有限且存在零飄等可靠性問題。由于傳統(tǒng)變形測(cè)量傳感器的局限性，近年來有學(xué)者將自動(dòng)跟蹤全站儀、激光跟蹤儀、GPS、數(shù)字圖像相關(guān)方法、數(shù)字視頻測(cè)量技術(shù)等應(yīng)用于三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量。自動(dòng)跟蹤全站儀、激光跟蹤儀和GPS方法在自動(dòng)跟蹤模式下只能選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)作為合作目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，無法在瞬間完成多目標(biāo)同步測(cè)量;需要在航空裝備上安裝合作目標(biāo)，對(duì)變形體附加了額外載荷;當(dāng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率較高或變形較大時(shí)容易跟蹤丟失。為了解決航空裝備復(fù)雜動(dòng)態(tài)變形的測(cè)量難題，本文作者分析和比較了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)變形測(cè)量手段，對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)和適用性做出評(píng)估，希望為下一步的航空裝備三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)研究提供參考。

1 傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)變形測(cè)量手段及其局限性

接觸式傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息并將檢測(cè)到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。其中，動(dòng)態(tài)變形測(cè)量中常用的傳感器有:應(yīng)變式傳感器、位移傳感器和加速度傳感器等，如圖1所示。

圖1 各種類型變形傳感器圖片

1.1 應(yīng)變式傳感器

應(yīng)變式傳感器 (Strain Gauges)是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器，可以直接測(cè)定航空裝備表面測(cè)點(diǎn)在外力作用下的應(yīng)變值，利用變形幾何方程積分即可求得測(cè)點(diǎn)的位移值。圖1(a)所示電阻應(yīng)變片是最常采用的變形應(yīng)變傳感元件，用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)變－應(yīng)力關(guān)系確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗(yàn)應(yīng)力分析方法［2］。在測(cè)量時(shí)，將應(yīng)變片用黏合劑牢固地粘貼在被測(cè)目標(biāo)表面上，隨著目標(biāo)受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與目標(biāo)應(yīng)變成比例的，通過一定測(cè)量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來，就能知道被測(cè)點(diǎn)應(yīng)變量的大小。

應(yīng)變片測(cè)量被測(cè)物體的應(yīng)力應(yīng)變量，其優(yōu)點(diǎn)為:精度和靈敏度高、尺寸小、技術(shù)也比較成熟，采用其進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量是對(duì)工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造、裝配的可靠性和安全性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)價(jià)的常用手段，廣泛應(yīng)用在航空、機(jī)械、車輛、土木等工程領(lǐng)域。但應(yīng)變片的測(cè)量原理也決定了它的技術(shù)缺點(diǎn)，屬于接觸式測(cè)量;測(cè)量結(jié)果為單點(diǎn)一維測(cè)量，應(yīng)用于航空裝備測(cè)量時(shí)無法反映整體三維變形場(chǎng)域信息;測(cè)量結(jié)果為應(yīng)變故需進(jìn)行一次積分才可求得位移，與加速度儀一樣積分時(shí)容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移誤差，因此精度不高;屬于電測(cè)法，一個(gè)應(yīng)變片需要兩根導(dǎo)線構(gòu)成測(cè)量回路，并且需要采取特殊的措施增強(qiáng)系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

1.2 位移傳感器

位 移 傳 感 器［3］(Linear Variable Displacement Transducers，LVDT's)又稱為線性傳感器，是一種接觸式測(cè)量方法，它將設(shè)備的一端安裝在被測(cè)物體上，另一端安裝在被測(cè)物體外固定點(diǎn)上，如圖1(b)所示。常用的位移傳感器主要有:電位器式位移傳感器、電感式位移傳感器、電容式位移傳感器、電渦流傳感器、磁致伸縮直線位移傳感器、反射式光纖位移傳感器、激光干涉型位移傳感器、光電 (CCD)位移傳感器和數(shù)字式位移傳感器。位移傳感器常用于航空材料等結(jié)構(gòu)物模型測(cè)量，其主要缺點(diǎn)是:只能測(cè)量局部的相對(duì)變形，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空裝備等大型結(jié)構(gòu)物的整體變形測(cè)量;屬于接觸式測(cè)量，容易對(duì)測(cè)量對(duì)象的變形過程造成干擾;屬電測(cè)法，每個(gè)傳感器都需要引出導(dǎo)線。

1.3 加速度傳感器

圖1(c)所示為幾種常用的加速度傳感器［4］(Accelerometers)，幾乎所有加速度傳感器都是利用加速度場(chǎng)中的懸臂梁或質(zhì)量塊的位移來產(chǎn)生一定的電信號(hào)或非電信號(hào)輸出，可測(cè)定結(jié)構(gòu)在外界荷載下移動(dòng)時(shí)的加速度，通過對(duì)加速度進(jìn)行二次積分求其位移。按照信號(hào)轉(zhuǎn)換原理，可以將加速度計(jì)分為壓電式、壓阻式、電容式等。以電容式為例，其工作原理為當(dāng)存在加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力使得電容的可動(dòng)極板位置發(fā)生改變，從而引起質(zhì)量塊兩邊的電容發(fā)生改變，電容的變化帶來輸出電壓的改變，并與外加的加速度成正比關(guān)系，實(shí)現(xiàn)加速度的測(cè)量。加速度傳感器的主要缺點(diǎn)有:位移測(cè)量精度不高，主要是由于其位移是通過對(duì)加速度進(jìn)行二次積分求得，初始位移和初始速度較難確定，這樣積分時(shí)容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移誤差;加速度傳感器不能測(cè)定緩慢的近似靜態(tài)位移，如大型飛機(jī)機(jī)翼的緩慢擺動(dòng);需要選擇合適的濾波器來剔除異常信號(hào)，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)位移監(jiān)測(cè)。

綜上所述，采用接觸式傳感器測(cè)量航空裝備的動(dòng)態(tài)變形具有以下局限:(1)傳感器與航空裝備表面接觸，對(duì)裝備表面的物理性能及變形過程會(huì)產(chǎn)生一定的影響，安裝起來也比較麻煩;(2)傳感器的量程有限，只能測(cè)量小范圍的位移量;(3)測(cè)點(diǎn)有限，通常只能在航空裝備表面某些關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)，單個(gè)傳感器僅能獲得被測(cè)一點(diǎn)的應(yīng)變位移，無法反映航空裝備表面的整體變形場(chǎng)、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)等信息。(4)存在可靠性問題，傳感器大多都屬于電測(cè)量法，由于元器件存在零飄且易受周邊環(huán)境干擾，如不能及時(shí)根據(jù)實(shí)測(cè)環(huán)境進(jìn)行校正，會(huì)造成測(cè)量成果的不可信。

1.4 自動(dòng)跟蹤全站儀和激光跟蹤儀

自動(dòng)跟蹤全站儀和激光跟蹤儀 (Total Stations/Laser Trackers)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)跟蹤全站儀和激光跟蹤儀

全站儀和激光跟蹤儀是利用空間幾何原理，通過光學(xué)或電子儀器測(cè)量角度和距離來獲取三維坐標(biāo)的方法［5］，其測(cè)量原理見圖2(a)。自動(dòng)跟蹤全站儀是指具有自動(dòng)跟蹤和測(cè)量功能的全站儀，這種全站儀能自動(dòng)尋找并照準(zhǔn)目標(biāo)，圖2(b)所示為拓普康公司的MS05A型自動(dòng)跟蹤全站儀。該方法是把全站儀架設(shè)在一個(gè)已知固定點(diǎn)上，在測(cè)量對(duì)象上安裝合作目標(biāo)反射棱鏡，通過發(fā)射的激光束自動(dòng)掃描跟蹤，自動(dòng)照準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的反射棱鏡，并利用極坐標(biāo)法自動(dòng)測(cè)量出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，精度可達(dá)毫米級(jí)。激光跟蹤儀的實(shí)質(zhì)是一臺(tái)利用激光干涉測(cè)距和自動(dòng)跟蹤測(cè)角測(cè)距的全站儀，區(qū)別之處在于它沒有望遠(yuǎn)鏡，不需要人工對(duì)準(zhǔn)，圖2(c)所示為API公司出品的Tracker3型激光跟蹤儀。該方法將激光干涉儀架設(shè)在一固定點(diǎn)上，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上安置棱鏡或反射膠片，通過激光干涉測(cè)量原理直接測(cè)量出固定點(diǎn)至監(jiān)測(cè)點(diǎn)的精確距離，其測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)。

自動(dòng)跟蹤全站儀和激光跟蹤儀采用激光測(cè)距原理，量程大、精度高、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低，可用來測(cè)量航空航天類大尺寸、大變形目標(biāo)，并能夠提供絕對(duì)變形信息。但這兩種儀器在航空裝備的三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量中的局限性也很明顯:(1)在自動(dòng)跟蹤模式下只能選擇一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，無法瞬間完成多變形點(diǎn)同步測(cè)量問題;(2)需要在航空裝備表面安裝合作目標(biāo)，前期準(zhǔn)備工作量大，并對(duì)變形部位附加了額外載荷;(3)當(dāng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)頻率較高或出現(xiàn)遮擋時(shí)，容易跟蹤丟失。

1.5 RTK GPS 法

GPS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。GPS法利用靜態(tài)相對(duì)定位原理獲取高精度的基線向量，并以此為觀測(cè)量進(jìn)行平差獲取觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其靜態(tài)測(cè)量精度可達(dá)亞毫米級(jí)，但動(dòng)態(tài)測(cè)量精度較難達(dá)到毫米級(jí)。

載波相位差分定位技術(shù) (RTK GPS)是一種基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果［6］。由于RTK GPS具有高精度的定位能力，近十年來逐漸成為各種變形測(cè)量監(jiān)測(cè)極為有效的手段，使測(cè)量技術(shù)發(fā)生了重大的變革。作為一種全新的動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法，RTK GPS克服了傳統(tǒng)動(dòng)態(tài)變形測(cè)量方法的眾多缺陷，比較適合用來測(cè)量航空航天類大尺寸裝備，但應(yīng)用于三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量則存在如下局限性:(1)在航空裝備的精密測(cè)量中，垂直位移精度難以滿足測(cè)量要求，從而使其不能真正達(dá)到三維測(cè)量，難以滿足航空航天領(lǐng)域三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量的需求;(2)GPS測(cè)點(diǎn)的數(shù)量有限，每個(gè)測(cè)點(diǎn)都需要布設(shè)接收機(jī)天線，會(huì)對(duì)航空裝備變形部位本身造成干擾且成本較高;(3)由于接收不到GPS信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)或地下作業(yè)。

2 適用于航空裝備三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量的光學(xué)方法

光學(xué)測(cè)量利用各種光學(xué)手段實(shí)現(xiàn)測(cè)量目的，其中占很大比重的是利用光學(xué)圖像進(jìn)行測(cè)量。在眾多光學(xué)測(cè)量方法中，目前在三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用較多的數(shù)字圖像相關(guān)法和視頻測(cè)量法。這些方法都是以像機(jī)拍攝的圖像作為測(cè)量的原始數(shù)據(jù)，單個(gè)像機(jī)拍攝的圖像序列可用于測(cè)量二維的面內(nèi)變形;如果要測(cè)量三維空間變形，必須要結(jié)合立體視覺技術(shù)，采用多像機(jī)從多個(gè)視角采集多個(gè)圖像序列，每個(gè)圖像序列記錄從某一角度捕捉到的目標(biāo)表面的動(dòng)態(tài)變形過程。當(dāng)多像機(jī)系統(tǒng)用于測(cè)量航空裝備表面的三維動(dòng)態(tài)變形時(shí)，攝站位置要在測(cè)量期間保持不變，以使得不同時(shí)刻得到的目標(biāo)三維坐標(biāo)處于同一坐標(biāo)系下，當(dāng)變形測(cè)點(diǎn)為多個(gè)相似目標(biāo)時(shí)，還要確定各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的前后對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 數(shù)字圖像相關(guān)法

數(shù)字圖像相關(guān)法 (Digital Image Correlation Method，DICM)，也稱數(shù)字散斑相關(guān)法，是一種基于物體表面散斑圖像灰度分析，從而獲得物體運(yùn)動(dòng)和變形信息的新型光測(cè)方法，是現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)與光測(cè)力學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物［7］。

數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)變形前后采集的物體表面的兩幅圖像散斑場(chǎng)進(jìn)行相關(guān)處理，以實(shí)現(xiàn)物體變形場(chǎng)的測(cè)量，測(cè)量原理見圖3(a)。數(shù)字圖像相關(guān)方法所使用的光源可以是激光也可以是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者自然紋理。數(shù)字圖像相關(guān)方法可以用于固體變形測(cè)量，也可以用于流體中粒子的運(yùn)動(dòng)測(cè)量。傳統(tǒng)的二維數(shù)字散斑相關(guān)方法，只能測(cè)量物體表面的面內(nèi)位移;將雙目立體視覺測(cè)量技術(shù)和數(shù)字散斑相關(guān)方法相結(jié)合，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維變形的測(cè)量，稱為三維數(shù)字散斑相關(guān)法［8］。近期國外已經(jīng)有應(yīng)用三維數(shù)字散斑相關(guān)方法的產(chǎn)品面世，包括德國GOM公司的ARAMIS系統(tǒng)、DANTEC公司的Q400系統(tǒng)、美國Correlated Solutions公司的VIC－3D系統(tǒng)。圖3(b)所示為GOM公司的ARAMIS系統(tǒng)，其在產(chǎn)品化方面做的尤為出色，但技術(shù)保密且價(jià)格昂貴;國內(nèi)大多機(jī)構(gòu)目前尚處于方法研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，圖3(c)所示為西安交通大學(xué)自主研發(fā)并實(shí)現(xiàn)初步商業(yè)推廣的XJTUDIC三維數(shù)字散斑變形測(cè)量分析系統(tǒng)［9］，已在很多關(guān)鍵算法獲得突破甚至領(lǐng)先，但產(chǎn)品化方面的工作還很欠缺，目前多被應(yīng)用在小尺度小變形量測(cè)量如材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)、相似材料模型實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域［10－11］。

圖3 數(shù)字散斑相關(guān)原理及三維散斑測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于航空裝備的三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量時(shí)，原始數(shù)據(jù)為多視像機(jī)系統(tǒng)記錄的多視角變形過程視頻圖像，數(shù)據(jù)量大，對(duì)其逐幀圖像處理、相關(guān)搜索、三維重建等過程需要繁重的計(jì)算工作，因此系統(tǒng)運(yùn)算能力和相關(guān)匹配精度是其發(fā)展的關(guān)鍵因素，對(duì)硬件要求較高，較難實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量;另外，由于航空裝備普遍尺寸較大，測(cè)量時(shí)很難保證捕捉的多視圖像光照均勻一致，從而影響相關(guān)搜索的成功率;航空裝備表面的高速振動(dòng)或大幅變形也會(huì)對(duì)時(shí)間軸的相關(guān)計(jì)算造成影響，使部分變形區(qū)域測(cè)量不連續(xù)、不完整。

2.2 視頻測(cè)量法

視頻測(cè)量 (Videogrammetry)是近十幾年來國際上迅速發(fā)展起來的新興交叉學(xué)科，國外有學(xué)者將其稱為動(dòng)態(tài)攝影測(cè)量，國內(nèi)有學(xué)者將其稱為攝像測(cè)量、視覺測(cè)量［12］。視頻測(cè)量技術(shù)是近景攝影測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，近景攝影測(cè)量是通過在不同的位置和方向獲取同一物體的2幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像匹配處理等相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測(cè)點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，如果將攝影測(cè)量的處理對(duì)象換成被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或變形的時(shí)間序列圖像，則這種技術(shù)被稱為視頻測(cè)量技術(shù)。視頻測(cè)量適用于測(cè)量目標(biāo)的形狀、大小、運(yùn)動(dòng)狀態(tài) (包括位置、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等)、位移、變形等信息，作為一種非接觸式全場(chǎng)三維測(cè)量方法，能夠同時(shí)測(cè)量和跟蹤多個(gè)目標(biāo)［13］。圖4示意性地說明了視頻測(cè)量方法的工作原理。

圖4 視頻測(cè)量原理

2個(gè)高速相機(jī)用來記錄物體變形或運(yùn)動(dòng)過程的視頻圖像序列。在時(shí)刻i運(yùn)動(dòng)物體表面上的某一點(diǎn)Mi(X，Y，Z)同步在左右兩個(gè)相機(jī)上成像，其中在左相機(jī)圖像中為像點(diǎn)mi，在右相機(jī)圖像中為像點(diǎn)m'i，通過圖像處理得到兩個(gè)像點(diǎn)的二維圖像坐標(biāo)，利用空間三角交會(huì)可以重建出空間點(diǎn)Mi的三維坐標(biāo)。經(jīng)過一個(gè)相機(jī)采樣時(shí)間間隔即在時(shí)刻i+1，空間點(diǎn)Mi隨物體運(yùn)動(dòng)至Mi+1處，它在左右兩相機(jī)上分別成像為像點(diǎn)mi+1和m'i+1，同樣經(jīng)過圖像處理和空間三角交會(huì)可重建出運(yùn)動(dòng)后空間點(diǎn)Mi+1的三維坐標(biāo)。物體上表面上點(diǎn)Mi在此時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的位移矢量可以表示為Δ=Mi+1－Mi。如果在物體表面布置足夠多的點(diǎn)，并且以足夠高的采樣頻率來記錄物體運(yùn)動(dòng)過程圖像序列，則可以通過三維重建得到每一個(gè)時(shí)刻物體表面的關(guān)鍵點(diǎn)模型及其隨時(shí)間變化的歷史。以此為基礎(chǔ)，可以很方便地計(jì)算物體表面局部或整體的位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、變形場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等數(shù)據(jù)。

在航空裝備動(dòng)態(tài)變形測(cè)量領(lǐng)域，由于測(cè)量環(huán)境復(fù)雜、干擾多、變形速度快、精度和效率的要求普遍較高，因而相對(duì)于緩慢變形測(cè)量其實(shí)現(xiàn)的難度更大［14－18］。美國航空航天局 (NASA)蘭利中心在飛機(jī)風(fēng)洞模型變形實(shí)驗(yàn)中采用了視頻測(cè)量技術(shù)，作了大量試驗(yàn)性工作［19－26］，如圖5所示，他們?cè)跈C(jī)身上粘貼人工標(biāo)志點(diǎn)，利用立體布置的像機(jī)跟蹤和測(cè)量這些標(biāo)志點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的空間位置隨時(shí)間變化的關(guān)系來分析模型在動(dòng)態(tài)負(fù)載下的變形情況。法國國家航宇研究局 (ONERA)在風(fēng)洞測(cè)量方面也作了深入的研究，對(duì)飛機(jī)模型進(jìn)行了風(fēng)洞變形測(cè)量，應(yīng)用立體視覺原理，用圓型的人工標(biāo)志作為測(cè)量目標(biāo)來跟蹤機(jī)翼在壓力下的變形情況，并開發(fā)出了專用風(fēng)洞模型三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量軟件OD2M。他們還將視頻動(dòng)態(tài)變形測(cè)量技術(shù)與壓力敏感涂料 (PSP)成像技術(shù)相結(jié)合，幫助科學(xué)家更好地了解飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性［27］。Papanyan(2008)用攝影測(cè)量方法對(duì)國際空間站中丟棄物的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了測(cè)量。兩臺(tái)相機(jī)分別安裝在空間站上不同位置，在丟棄物行進(jìn)的不同時(shí)刻拍攝立體相對(duì)序列，下傳到地面上的攝影測(cè)量工作站進(jìn)行計(jì)算，得到目標(biāo)不同時(shí)刻的空間位置和速度矢量?？臻g站上不同位置選擇多個(gè)已知坐標(biāo)的點(diǎn)作為參考點(diǎn)，完成兩臺(tái)相機(jī)的定向。近似實(shí)時(shí)的測(cè)量結(jié)果可以幫助計(jì)算丟棄物的逼近軌道，避免和國際空間站發(fā)生碰撞［28］。由于視頻測(cè)量方法測(cè)量精度和效率較高;可同步測(cè)量廣泛分布的大批測(cè)點(diǎn)從而獲取某時(shí)刻變形場(chǎng)域信息;不與被測(cè)對(duì)象接觸因而不會(huì)影響其變形過程;測(cè)量前也不需在被測(cè)量對(duì)象上進(jìn)行設(shè)備的安裝，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生干擾。相比其他動(dòng)態(tài)測(cè)量方法，視頻測(cè)量方法對(duì)大型航空航天設(shè)備及零部件在復(fù)雜工況條件下三維動(dòng)態(tài)變形最為適用，在部分情況下甚至是唯一可行的方法。

圖5 美國NASA的飛機(jī)模型動(dòng)態(tài)變形視頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)

3 航空裝備應(yīng)用視頻測(cè)量的現(xiàn)存問題及研究方向

從視頻測(cè)量技術(shù)目前的研究現(xiàn)狀來看，圖像校正問題已經(jīng)解決;攝像系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定已基本解決;三維建模問題正在被解決;與三維測(cè)量相關(guān)的成像幾何關(guān)系問題已經(jīng)得到了較成熟的發(fā)展;對(duì)圖像目標(biāo)的識(shí)別、提取和匹配問題逐漸成為基于視覺變形測(cè)量技術(shù)所研究的重點(diǎn)。通過對(duì)航空裝備領(lǐng)域三維動(dòng)態(tài)變形測(cè)量需求的分析可以看出，利用視頻測(cè)量技術(shù)對(duì)航空裝備類大型目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高速度、全視角、高精度和全場(chǎng)測(cè)量是研究的難點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，歸納起來主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵問題有待解決:

(1)海量視頻圖像的快速自動(dòng)處理

在圖像特征識(shí)別算法方面，需要對(duì)復(fù)雜工況下環(huán)境因素 (如震動(dòng)、氣流、風(fēng)速、溫度等)對(duì)光學(xué)成像的影響特性進(jìn)行分析，以便校正這些影響對(duì)圖像識(shí)別的干擾，提高圖像識(shí)別的精度。由于視頻數(shù)據(jù)為連續(xù)海量圖像序列，經(jīng)典的二維圖像處理算法的效率無法滿足準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求，需要研究在不降低識(shí)別精度前提下，更加高效的、自動(dòng)化的圖像處理算法。

(2)多視像機(jī)系統(tǒng)的全局標(biāo)定和人工標(biāo)志的對(duì)應(yīng)問題

為獲取航空裝備負(fù)載變形和受熱變形時(shí)的場(chǎng)域信息和過程數(shù)據(jù)，需要布設(shè)多視相機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)的全局標(biāo)定會(huì)變得困難:由于這些圖像傳感器視角各異，往往無法借助同一標(biāo)定參考物對(duì)所有相機(jī)進(jìn)行全局定位;而借助于經(jīng)緯儀等測(cè)量儀器來定位各個(gè)圖像傳感器過程繁瑣且精度難以控制。另外，視頻測(cè)量通過在被測(cè)對(duì)象上粘貼數(shù)目眾多的合作目標(biāo)，能瞬時(shí)獲取被測(cè)物體大量幾何信息，同步測(cè)量眾多變形點(diǎn)的位移，從而獲得整個(gè)變形場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。由于合作目標(biāo)多為相似目標(biāo)，所以這些人工特征點(diǎn)在圖像域和時(shí)間域的對(duì)應(yīng)問題成為視頻測(cè)量系統(tǒng)的難點(diǎn)問題。

(3)航空裝備高速行為的實(shí)時(shí)測(cè)量

隨著計(jì)算機(jī)硬件、圖像處理分析算法和人工智能的發(fā)展，使得許多視頻測(cè)量任務(wù)能夠?qū)崟r(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)完成，同時(shí)也為視頻測(cè)量開辟了廣闊的、新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控，各種飛行器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的導(dǎo)航等。為了記錄航空裝備復(fù)雜工況環(huán)境中的高速行為，目前高速攝像機(jī)的采樣頻率可達(dá)10000Hz以上，視頻測(cè)量在高幀頻下還不能與影像記錄同步，需要改進(jìn)測(cè)量軟件中的關(guān)鍵算法，降低其復(fù)雜度從而提高視頻測(cè)量速度，實(shí)現(xiàn)高幀頻下的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量。

4 結(jié)論

相對(duì)于其他動(dòng)態(tài)變形測(cè)量手段，視頻測(cè)量方法動(dòng)態(tài)范圍寬、精度高、量程可調(diào)，不易受溫度變化、電磁輻射、振動(dòng)等外界因素的干擾，在航空裝備的機(jī)械載荷試驗(yàn)、熱負(fù)載試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、破裂試驗(yàn)等復(fù)雜受力受熱情況下的位移場(chǎng)和變形場(chǎng)測(cè)量中有較大的應(yīng)用前景。國際上已經(jīng)出現(xiàn)了不少的成功報(bào)道，但多是針對(duì)特定領(lǐng)域特定對(duì)象所提的實(shí)驗(yàn)性方案，缺乏通用性，測(cè)量精度和速度也差次不齊，而且國外的研究成果多與軍事相關(guān)，許多都呈保密狀態(tài)，具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)細(xì)節(jié)在公開文獻(xiàn)中無法查詢。國內(nèi)本領(lǐng)域的研究成果較少，亟需結(jié)合計(jì)算機(jī)和視覺領(lǐng)域出現(xiàn)的新硬件、新技術(shù)、新方法，對(duì)三維動(dòng)態(tài)變形視頻測(cè)量所涉及的各項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究，提出適用于我國航空航天裝備動(dòng)態(tài)行為測(cè)量的完整視頻測(cè)量解決方案。

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