王從政,胡 松,馮 常,高椿明
(1.中國科學院 光電技術(shù)研究所,四川 成都610209;2.電子科技大學 光電科學與工程學院,四川 成都610054;3.中國科學院大學,北京100049)
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,進而組件整體也可能產(chǎn)生形變[1-2]。過大的組件變形會導致其堆內(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、精度高的變形檢測系統(tǒng)對核電安全運行具有重要意義。
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定相結(jié)合的方法進行乏燃料組件的變形測量,該測量系統(tǒng)可以實現(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)測量實驗驗證,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[9-10]也介紹了基于激光掃描投影法的測量系統(tǒng),可實現(xiàn)模擬燃料組件的變形檢測,但其僅是從理論上分析或進行仿真實驗,有待于進一步研制樣機并實驗驗證。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)計精度更高,精度達0.2 mm,且操作便捷,滿足組件變形測量需求。
燃料組件變形檢測系統(tǒng)主要由光學、機械、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,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,且后續(xù)應(yīng)用進行軟件畸變校正,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)計精度指標確定。所有光學部件依次縱向布局,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。
機械模塊主要包括支撐架和水下標定機構(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。同時,考慮到設(shè)備主體過長,為了便于加工和運輸,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。水下標定機構(gòu)用于配合水下雙目模塊的內(nèi)外參數(shù)標定。
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,包括相機標定軟件、數(shù)據(jù)處理軟件和測量軟件。標定軟件用于水下雙目模塊的內(nèi)外參數(shù)標定,基于張氏標定原理[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時測量,也可以導入已采集的圖像數(shù)據(jù)進行離線測量,用戶根據(jù)測量目標參數(shù)特點,選擇合適的交互工具,最后,完成對應(yīng)目標的坐標獲取,測量軟件的界面布局圖如圖3所示。
圖2 電學模塊實物圖Fig.2 Physical map of electrical module
圖3 測量軟件界面Fig.3 Interface of measuring software
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對,經(jīng)運算獲取空間目標的坐標值。雙目測量中,快速、精確地確定空間點在2臺攝像機中的圖像坐標至關(guān)重要,本文通過Harris特征點[13-14]輔助的方式,使用戶在左圖可精確設(shè)置待測點。同時,由于右圖待匹配的特征點可能包含輻射噪聲,聯(lián)合灰度互相關(guān)法[15]可實現(xiàn)右圖中對應(yīng)匹配點的快速、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。
圖4 下管座實物圖Fig.4 Physical map of lower tube seat
Harris特征點檢測的基本流程如下:
(1)
(2)
(3)
3)對圖像進行遍歷,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)驗常數(shù)。
4)對響應(yīng)值R的矩陣進行局部最大搜索,局部最大點即為Harris角點。
對雙目模塊的左、右圖進行Harris角點提取,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;深色圈內(nèi)為識別正確的目標點,在后續(xù)匹配中會受到輻射噪聲的干擾。
圖5 雙目模塊Harris點提取結(jié)果圖Fig.5 Results of Harris point extraction of binocular module
由于Harris點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點為中心的區(qū)域互相關(guān)進行配準,歸一化互相關(guān)法NCC計算方法如下:
NCC(p,d)=
(5)
由于輻射噪聲一般為孤立噪點,實驗結(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,實現(xiàn)快速、魯棒的特征配準。
(6)
以此類推,其余各組雙目模塊的測量坐標映射也可同理進行運算,進而實現(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)測量坐標和第8組雙目模塊的測量坐標映射的歐氏距離計算。組件變形參數(shù)由8組雙目模塊的格架中點測量坐標值依次進行坐標映射,再進行曲線擬合獲得。
圖6 系統(tǒng)坐標模型圖Fig.6 System coordinate model
變形檢測系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。相機組距待測目標約1.2 m,在測量之前,要進行相機組的內(nèi)外參數(shù)校正,針對在線測量模式,需要選擇測量項進行相應(yīng)相機組的數(shù)據(jù)獲取。第1組相機(1、2號相機)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(3、4號相機)進行格架2寬度測量,以此類推第8組相機(15、16號相機)進行格架寬度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組相機的數(shù)據(jù)聯(lián)合;組件彎曲狀態(tài)需要所有相機組的數(shù)據(jù)組合。對于離線測量,需依次導入所有同步采集的目標圖像,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對(圖像坐標)轉(zhuǎn)換至攝像機坐標,再對三維坐標點進行歐氏距離運算,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
為了驗證研制系統(tǒng)的性能,本文針對系統(tǒng)的全局和局部測量精度分別進行實驗,一是在實驗室水池對系統(tǒng)的所有雙目模塊進行測試,確定其局部測量精度,二是在核電站乏池中對標準桿進行長度測試,驗證系統(tǒng)的全局測量精度。檢測系統(tǒng)實物圖如圖8所示,實驗室測試現(xiàn)場如圖9所示,測試水池尺寸約:4 m×2 m×2 m,測量目標: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)實物圖Fig.8 Physical map of deformation detection system of fuel assembly
圖9 水池模擬組件實驗現(xiàn)場圖Fig.9 Experiment site photo of pool simulated assembly
水下實驗包含模擬組件的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,格架實物圖如圖10所示,圖上紅色標注即待測目標參數(shù)。
圖10 模擬格架實物圖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準差均不大于0.20 mm,滿足系統(tǒng)局部精度的設(shè)計指標。
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,我們定制一標準桿(3 753±0.5 mm),桿上標記孔在第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,其中,標準桿的上下標記孔的中心距離通過激光跟蹤儀進行校核,為3 753.47 mm,校準精度可達0.01 mm。
圖11 標準桿實物圖Fig.11 Physical map of standard rod
本文對標準桿進行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)測量標準差約0.19 mm<0.50 mm,滿足系統(tǒng)全局測量精度的設(shè)計指標。
表2 標準桿測量數(shù)據(jù)Table 2 Measurement data of standard rod
燃料組件的變形對于堆芯運行和檢修都非常重要,了解燃料組件的變形數(shù)據(jù)對核電廠安全運行具有重要意義。本文將雙目立體視覺測量技術(shù)運用于核電站乏燃料組件的變形測量中,并詳細介紹系統(tǒng)的各組成模塊,最后,通過核電站現(xiàn)場試驗和后續(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:1)設(shè)備機械結(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,實現(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。