王從政,胡 松,馮 常,高椿明

(1.中國科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，四川 成都610209；2.電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都610054；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

引言

燃料組件是核能系統(tǒng)產(chǎn)生能量的核心部件，其長期工作于反應(yīng)堆的高溫、高壓、高輻射的循環(huán)水中，由于裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力和輻射生長等因素的影響，組件在使用期間會產(chǎn)生局部變形，進(jìn)而組件整體也可能產(chǎn)生形變[1-2]。過大的組件變形會導(dǎo)致其堆內(nèi)裝卸困難，且可能引起燃料組件加速破損、堆芯象限功率傾斜等[3]。了解核燃料組件的變形情況，不僅可以為堆芯燃料組件順利裝載提供數(shù)據(jù)支撐，也可以用于判斷乏燃料組件是否能夠再次循環(huán)利用等。因此，研發(fā)一種操作簡便、高效、適應(yīng)性強(qiáng)、精度高的變形檢測系統(tǒng)對核電安全運(yùn)行具有重要意義。

由于燃料組件處于特殊環(huán)境，對其采用接觸測量存在諸多不便，如參數(shù)種類少、設(shè)備易活化等。相比接觸式設(shè)備，非接觸式測量設(shè)備具有更多優(yōu)勢。目前，常用的非接觸測量方法有：視覺、超聲波、渦流等技術(shù)[4-6]。其中，超聲波檢查主要用于鑒別燃料棒破損；渦流檢測則用于燃料棒局部缺陷的檢測；視覺技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃料組件輪廓尺寸和變形狀態(tài)的測量。因此，基于視覺的燃料測量設(shè)備得到學(xué)者的廣泛關(guān)注。蘭智彬等人[7]開發(fā)了燃料組件包絡(luò)輪廓尺寸全自動檢查裝置，主要用于新燃料組件出廠的最終檢測，其采用了圓光柵+直線光柵的方法對燃料棒長度進(jìn)行自動化測量，保證精度的同時大幅提升工作效率，但其不適用于乏組件的水下輻射環(huán)境。高永明等人[8]基于視頻圖像傳感器與標(biāo)定相結(jié)合的方法進(jìn)行乏燃料組件的變形測量，該測量系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)和靜態(tài)測量，測量參數(shù)有：燃料棒長度、格架寬度、燃料組件變形量等，通過相關(guān)測量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)的組件彎曲變形重復(fù)精度在±1 mm之內(nèi)。另外，文獻(xiàn)[9-10]也介紹了基于激光掃描投影法的測量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模擬燃料組件的變形檢測，但其僅是從理論上分析或進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，有待于進(jìn)一步研制樣機(jī)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的燃料組件變形測量系統(tǒng)基于水下雙目視覺，與上述方法相比，擬設(shè)計(jì)精度更高，精度達(dá)0.2 mm，且操作便捷，滿足組件變形測量需求。

1 檢測系統(tǒng)組成

燃料組件變形檢測系統(tǒng)主要由光學(xué)、機(jī)械、電控和軟件等模塊組成，工作示意圖如圖1所示。各組水下雙目模塊實(shí)現(xiàn)燃料組件對應(yīng)區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)采集，雙目模塊的攝像單元工作于外觸發(fā)模式，邊沿觸發(fā)信號由控制器統(tǒng)一同步提供；所有視頻數(shù)據(jù)經(jīng)控制器轉(zhuǎn)至圖像處理服務(wù)器；在服務(wù)器的主測量軟件中，經(jīng)用戶交互操作，實(shí)現(xiàn)燃料組件各參數(shù)測量和存儲。燃料組件參數(shù)包含格架1～8的寬度、上下管座寬度、第1、9和17根燃料棒的長度、上下管座間的距離、組件彎曲等。其中，寬度參數(shù)為局部量，可由相應(yīng)單組雙目模塊實(shí)現(xiàn)測量，而長度、距離和彎曲參數(shù)為全局量，需雙目模塊聯(lián)合實(shí)現(xiàn)測量。

圖1 燃料組件變形檢測系統(tǒng)工作示意圖Fig.1 Working diagram of deformation detection system of spent fuel assembly

光學(xué)模塊包括水下耐輻照攝像探頭和照明燈，根據(jù)燃料組件結(jié)構(gòu)(約4 000 mm×220 mm×220 mm)及硼酸水環(huán)境特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用8組水下耐輻照攝像探頭和6個水下高均勻性的LED面光源(保障目標(biāo)區(qū)域照度不低于2 000 Lx)。攝像探頭的傳感器分辨率2 448 Pixel×2 048 Pixel，約500萬像素；定焦鏡頭焦距25 mm，分辨力兼容500萬分辨率的相機(jī)，且后續(xù)應(yīng)用進(jìn)行軟件畸變校正，光圈F數(shù)5.6(兼容環(huán)境照度和工作景深)；攝像探頭的各參數(shù)選擇由雙目模塊的設(shè)計(jì)精度指標(biāo)確定。所有光學(xué)部件依次縱向布局，與燃料組件的軸向一致。其中，單組雙目模塊的重疊視場區(qū)域需完全覆蓋相應(yīng)格架，格架尺寸約201.6 mm×30 mm，以便獲取格架寬度參數(shù)；系統(tǒng)中雙目基線取值240 mm，在系統(tǒng)距目標(biāo)1.2 m時，軸向重疊區(qū)域約100 mm。相鄰雙目模塊間距離由相鄰格架間距決定，相鄰雙目模塊距離約570 mm。

機(jī)械模塊主要包括支撐架和水下標(biāo)定機(jī)構(gòu)。鋁合金硬質(zhì)氧化的支撐架用于水下雙目攝像模塊和照明燈的固定，采用抗彎和抗扭性能較好的中空矩形截面設(shè)計(jì)。同時，考慮到設(shè)備主體過長，為了便于加工和運(yùn)輸，支撐架分成上支架和下支架兩部分，兩者采用卡扣式結(jié)構(gòu)連接。水下標(biāo)定機(jī)構(gòu)用于配合水下雙目模塊的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定。

電控模塊包括轉(zhuǎn)接控制器、便攜式工作站和各類連接線纜等，實(shí)物圖如圖2所示。軟件模塊是變形檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，包括相機(jī)標(biāo)定軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和測量軟件。標(biāo)定軟件用于水下雙目模塊的內(nèi)外參數(shù)標(biāo)定，基于張氏標(biāo)定原理[11]。數(shù)據(jù)處理軟件用于各參數(shù)雙目測量結(jié)果坐標(biāo)的二次處理，并將結(jié)果圖形化顯示。測量軟件主要用于工業(yè)現(xiàn)場的燃料組件的在線實(shí)時測量，也可以導(dǎo)入已采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行離線測量，用戶根據(jù)測量目標(biāo)參數(shù)特點(diǎn)，選擇合適的交互工具，最后，完成對應(yīng)目標(biāo)的坐標(biāo)獲取，測量軟件的界面布局圖如圖3所示。

圖2 電學(xué)模塊實(shí)物圖Fig.2 Physical map of electrical module

圖3 測量軟件界面Fig.3 Interface of measuring software

2 基于特征匹配的快速雙目測量

2.1 基于Harris特征和互相關(guān)的快速立體匹配

燃料組件變形檢測系統(tǒng)是基于水下雙目視覺[12]原理，即利用2臺攝像單元的匹配點(diǎn)對，經(jīng)運(yùn)算獲取空間目標(biāo)的坐標(biāo)值。雙目測量中，快速、精確地確定空間點(diǎn)在2臺攝像機(jī)中的圖像坐標(biāo)至關(guān)重要，本文通過Harris特征點(diǎn)[13-14]輔助的方式，使用戶在左圖可精確設(shè)置待測點(diǎn)。同時，由于右圖待匹配的特征點(diǎn)可能包含輻射噪聲，聯(lián)合灰度互相關(guān)法[15]可實(shí)現(xiàn)右圖中對應(yīng)匹配點(diǎn)的快速、魯棒選取。以下管座寬度參數(shù)測量為例，某燃料組件的實(shí)物圖如圖4所示，通過圖中局部區(qū)域放大可得，測量區(qū)域存在輻射噪點(diǎn)。

圖4 下管座實(shí)物圖Fig.4 Physical map of lower tube seat

Harris特征點(diǎn)檢測的基本流程如下：

(1)

(2)

(3)

3)對圖像進(jìn)行遍歷，依次獲取每個像素的Harris響應(yīng)值R：

R={R:det(M)-k(trace(M))2}

(4)

式中，det(M)和trace(M)分別是對稱矩陣M的行列式和跡;k為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

4)對響應(yīng)值R的矩陣進(jìn)行局部最大搜索，局部最大點(diǎn)即為Harris角點(diǎn)。

對雙目模塊的左、右圖進(jìn)行Harris角點(diǎn)提取，結(jié)果如圖5所示，其中，淺色圈內(nèi)像素通過人工判斷，可確定為輻射噪聲，而特征提取會誤將其識別為特征點(diǎn)；深色圈內(nèi)為識別正確的目標(biāo)點(diǎn)，在后續(xù)匹配中會受到輻射噪聲的干擾。

圖5 雙目模塊Harris點(diǎn)提取結(jié)果圖Fig.5 Results of Harris point extraction of binocular module

由于Harris點(diǎn)匹配存在輻射噪聲影響，系統(tǒng)采用基于區(qū)域灰度的以各Harris點(diǎn)為中心的區(qū)域互相關(guān)進(jìn)行配準(zhǔn)，歸一化互相關(guān)法NCC計(jì)算方法如下：

NCC(p,d)=

(5)

由于輻射噪聲一般為孤立噪點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于區(qū)域灰度的處理方式可有效降低輻射噪聲干擾，實(shí)現(xiàn)快速、魯棒的特征配準(zhǔn)。

2.2 雙目視覺模塊組間坐標(biāo)模型

(6)

以此類推，其余各組雙目模塊的測量坐標(biāo)映射也可同理進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全局參數(shù)的測量。燃料棒長度測量基于第1組雙目模塊的組內(nèi)測量坐標(biāo)和第8組雙目模塊的測量坐標(biāo)映射的歐氏距離計(jì)算。組件變形參數(shù)由8組雙目模塊的格架中點(diǎn)測量坐標(biāo)值依次進(jìn)行坐標(biāo)映射，再進(jìn)行曲線擬合獲得。

圖6 系統(tǒng)坐標(biāo)模型圖Fig.6 System coordinate model

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 變形檢測系統(tǒng)工作流程

變形檢測系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。相機(jī)組距待測目標(biāo)約1.2 m，在測量之前，要進(jìn)行相機(jī)組的內(nèi)外參數(shù)校正，針對在線測量模式，需要選擇測量項(xiàng)進(jìn)行相應(yīng)相機(jī)組的數(shù)據(jù)獲取。第1組相機(jī)(1、2號相機(jī))可以測量格架1寬度、下端面寬度和燃料棒距下管座的距離，第2組相機(jī)(3、4號相機(jī))進(jìn)行格架2寬度測量，以此類推第8組相機(jī)(15、16號相機(jī))進(jìn)行格架寬度8、上端面寬度和燃料棒距上管座的距離。1、9、17號燃料棒長度的測量需第1組和第8組相機(jī)的數(shù)據(jù)聯(lián)合；組件彎曲狀態(tài)需要所有相機(jī)組的數(shù)據(jù)組合。對于離線測量，需依次導(dǎo)入所有同步采集的目標(biāo)圖像，然后，選擇待測參數(shù)，之后的步驟與在線測量的相同。最后，將通過匹配獲得的特征點(diǎn)對(圖像坐標(biāo))轉(zhuǎn)換至攝像機(jī)坐標(biāo)，再對三維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行歐氏距離運(yùn)算，得到相應(yīng)參數(shù)值。

圖7 變形檢測系統(tǒng)工作流程Fig.7 Working flow chart of deformation detection system

3.2 模擬水池和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證研制系統(tǒng)的性能，本文針對系統(tǒng)的全局和局部測量精度分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一是在實(shí)驗(yàn)室水池對系統(tǒng)的所有雙目模塊進(jìn)行測試，確定其局部測量精度，二是在核電站乏池中對標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行長度測試，驗(yàn)證系統(tǒng)的全局測量精度。檢測系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8所示，實(shí)驗(yàn)室測試現(xiàn)場如圖9所示，測試水池尺寸約：4 m×2 m×2 m，測量目標(biāo)：模擬燃料組件(各關(guān)鍵參數(shù)與現(xiàn)場燃料組件的相同)，水溫：25±3℃，圖像采集幀頻：20幀/s。

圖8 燃料組件變形檢測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Physical map of deformation detection system of fuel assembly

圖9 水池模擬組件實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖Fig.9 Experiment site photo of pool simulated assembly

水下實(shí)驗(yàn)包含模擬組件的4個面(0°、90°、180°、270°)，每個面測量的參數(shù)為8個模擬格架的寬度(設(shè)計(jì)值為：201.6±0.01 mm)，測量結(jié)果分別對應(yīng)8組雙目模塊的系統(tǒng)性能，格架實(shí)物圖如圖10所示，圖上紅色標(biāo)注即待測目標(biāo)參數(shù)。

圖10 模擬格架實(shí)物圖Fig.10 Physical map of simulated grid

表1數(shù)據(jù)對應(yīng)3次重復(fù)測量的結(jié)果，通過測量數(shù)據(jù)的分析，可以得出：各雙目模塊的測量標(biāo)準(zhǔn)差均不大于0.20 mm，滿足系統(tǒng)局部精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1 模擬燃料組件的格架寬度測量數(shù)據(jù)Table 1 Grid width measurement data of simulated fuel assembly

對于核電站的乏燃料組件貯存池中的現(xiàn)場試驗(yàn)，我們定制一標(biāo)準(zhǔn)桿(3 753±0.5 mm)，桿上標(biāo)記孔在第1組和第8組雙目模塊視場內(nèi)的效果圖如圖11所示，將其置于現(xiàn)場水環(huán)境中，用其測量結(jié)果表征檢測系統(tǒng)的全局精度指標(biāo)，其中，標(biāo)準(zhǔn)桿的上下標(biāo)記孔的中心距離通過激光跟蹤儀進(jìn)行校核，為3 753.47 mm，校準(zhǔn)精度可達(dá)0.01 mm。

圖11 標(biāo)準(zhǔn)桿實(shí)物圖Fig.11 Physical map of standard rod

本文對標(biāo)準(zhǔn)桿進(jìn)行20次重復(fù)測量，測量結(jié)果如表2所示，通過數(shù)據(jù)分析可得：系統(tǒng)的全局參數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)差約0.19 mm<0.50 mm，滿足系統(tǒng)全局測量精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)桿測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data of standard rod

4 結(jié)論

燃料組件的變形對于堆芯運(yùn)行和檢修都非常重要，了解燃料組件的變形數(shù)據(jù)對核電廠安全運(yùn)行具有重要意義。本文將雙目立體視覺測量技術(shù)運(yùn)用于核電站乏燃料組件的變形測量中，并詳細(xì)介紹系統(tǒng)的各組成模塊，最后，通過核電站現(xiàn)場試驗(yàn)和后續(xù)數(shù)據(jù)分析，確定其滿足應(yīng)用需求。與其他非接觸方式的燃料組件變形測量設(shè)備相比，該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：1)設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，截面尺寸小，質(zhì)量輕；2)設(shè)備測量原理簡單，設(shè)備密封性良好，可以長時間在水下工作；3)測量效率高，可在輻射噪聲干擾下自動配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在線和離線狀態(tài)下的簡便測量；4)局部測量精度優(yōu)于0.2 mm，滿足高熱、高輻射的水下燃料組件的高精度變形檢測需求。