一种用于高温差分干涉（DIC）测量的热干扰消除方法，该方法采用双通道同轴投影散斑技术

《Optics and Lasers in Engineering》：A method of thermal disturbance elimination for high-temperature DIC measurement using dual-channel co-axial projected speckles

　　

李俊瑞|宋浩琳|陈梦梦|曾向文|王永红

合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，中国合肥230009

摘要

本研究提出了一种基于共轴双通道散斑的数字图像相关（DIC）方法，用于消除高温DIC测量中的热干扰。蓝色激光投射形成前置散斑以记录纯热干扰场，而基于蓝色的灰度喷涂散斑则捕捉真实的位移和干扰复合场。通过光谱分离和同步双通道采集方式分离这两个场，采用紧凑的共轴光学路径有效抑制了图像失真。利用电子散斑图案干涉测量技术（ESPI）验证了测量得到的干扰分布具有高度一致性。高温实验表明，该方法将相对测量误差从2.12%降低到0.39%，并在700°C下保持亚像素精度。该方法具有结构紧凑、抗热干扰能力强和工程可行性高的特点，为复杂高温环境下的非接触式精密测量提供了有效解决方案，具有广泛的应用潜力，特别是在航空航天热变形监测、燃烧装置测试和高温材料表征方面。

引言

航空航天、能源和国防行业的快速发展对这些领域的核心材料提出了越来越严格的要求。这些材料必须在高温下长期可靠运行，同时表现出优异的抗变形、抗氧化和抗热腐蚀性能[1]。为了满足这些要求，相继开发并广泛应用于各种高温材料，如超合金、弥散强化合金、耐火合金、碳-碳复合材料和先进陶瓷[2]。因此，系统研究材料在高温条件下的机械性能对于指导结构设计和性能评估具有重要意义。

在传统的材料变形和应变测量方法中，由于操作简单和精度高，应变计[3]被广泛使用。然而，作为一种接触式技术，它存在固有的局限性。应变计必须牢固地固定在试样表面，其刚度和热膨胀特性会干扰试样的自然变形。在高温下，应变计的基材可能会软化或退化，引入额外误差。此外，在反应性高温大气中，金属传感网格的氧化和腐蚀会导致信号漂移和过早失效，使得该方法不适合长期或极端温度下的测量。

随着光学计量技术的进步，非接触式光学测量技术因其高灵敏度和全场测量能力而受到重视。代表性方法包括莫尔干涉测量[4]和电子散斑图案干涉测量（ESPI）[5]。然而，这些基于干涉的技术需要极高的系统稳定性和可控的环境，这限制了它们在开放高温条件下的应用。在这种情况下，数字图像相关（DIC）因其非接触操作、全场测量能力和强大的环境适应性而受到越来越多的关注。

DIC技术最初由Peter和Ranson[6,7]以及Yamaguchi[8]在20世纪80年代提出，它利用高分辨率成像记录试样在未变形和变形状态下的散斑图案。通过相关算法跟踪自然或人造散斑的像素坐标变化，可以得出全场位移和应变分布。与传统电法和干涉法相比，DIC不需要接触试样或复杂的光学对准，但仍能提供高精度的全场结果，极大地增强了其在高温、高压或振动等挑战性环境中的适用性[9]。

尽管高温DIC技术取得了显著进展，但仍存在一个关键挑战：热对流引起的图像失真。热空气中的温度梯度会导致局部折射率波动，从而在相关分析中产生虚假位移，引入重大误差。为了缓解这一效应，人们开发了各种校正方法。Pan等人[10]采用瞬时加热方法，在测量过程中从背面快速加热试样以减轻热干扰的影响；Y Sakanashi等人[11]使用风扇在相机和样品之间吹风以减少热流干扰，但这种方法仍无法完全消除热扰动；Novak M D等人[12]使用空气刀来减轻热干扰，但在实际工业场景中难以应用；Zhang等人[13]结合温度测量和光线追踪仿真建立了失真校正模型，但他们的方法需要辅助传感器，限制了实用性；Song等人[14]将激光散斑DIC与改进的RANSAC算法结合以进行平滑处理；Pan等人[15]在真空炉中进行DIC测量，消除了对流效应，但系统成本较高；Wang等人[16]使用图像去雾、灰度拉伸和逆向滤波在1200°C下抑制热辐射干扰，而Cui等人[17]提出了能有效减少DIC实验中热效应的预处理算法。

为了解决开放环境中的热干扰问题，一些研究人员引入了结合投影散斑和喷涂散斑的双通道分离技术[18]。在这种方法中，侧向投影仪在试样上生成彩色散斑图案，而另一种颜色的基础散斑则喷涂在试样表面。彩色相机捕获同步图像，从不同通道提取灰度信息，利用DIC分离位移场和热干扰场。尽管概念上具有创新性，但该技术仍面临几个工程挑战：

• 1.
  光路不一致：在侧向投影方案中，投影光束和成像光路不同轴，导致各自穿越的热干扰场之间存在空间差异。这种光路不一致性使得参考通道记录的干扰无法完全抵消测量通道中的失真，从而引入了根本的理论误差。
• 2.
  抑制能力有限：传统投影仪的光通量有限，在强烈的热辐射环境下会导致散斑对比度严重降低。此外，侧向投影引起的透视变形会导致物体表面散斑大小不均，从而降低相关算法的准确性。
• 3.
  系统复杂度高：侧视布局需要额外的物理空间和复杂的安装支架来进行角度补偿。而且，高性能短焦投影仪通常体积庞大且成本较高，难以实现系统集成和小型化。

为了克服这些限制，本研究提出了一种用于高温和强干扰环境的双通道共轴投影散斑DIC系统。该系统使用激光源生成散斑，而非传统投影仪，解决了亮度 and 分辨率的限制。使用磨砂玻璃将激光光散射成随机散斑，确保DIC图案的稳定性和高质量。通过调节激光功率可以调整散斑亮度，通过改变磨砂玻璃的粗糙度或激光-玻璃距离可以优化散斑大小，以适应不同的试样几何形状和相机分辨率。此外，共轴光学设计精确对齐了投影和成像轴，最小化了非目标热干扰，简化了系统架构，并实现了测量装置的集成和小型化。

章节摘要

数字图像相关方法

数字图像相关（DIC）是一种非接触式全场测量技术，通过跟踪变形前后表面散斑的灰度分布变化来计算每个像素的位移和应变。本研究采用了共轴设计的DIC方法，使用喷涂散斑和前置投影散斑作为独立的测量标记。高分辨率彩色相机同步捕获试样的散斑图像。

ESPI验证实验

为了验证双通道DIC系统捕捉热干扰位移分布的能力，采用了电子散斑图案干涉测量（ESPI）与DIC投影散斑技术进行对比测量。该验证实验证明了所提出的双通道DIC方法的可行性和准确性。

结论

为了解决高温环境下数字图像相关（DIC）测量中的热干扰误差，特别是那些涉及强烈热对流的情况，本研究提出了一种基于前置投影散斑并结合双通道分离的DIC热干扰消除方案。实验验证证明了所提出方法的有效性和工程价值。具体来说，使用由磨砂玻璃散射的半导体激光

资金来源

国家自然科学基金（编号：52205562、52375536）；中央高校基本科研业务费（编号：JZ2025HGTB0197）。

CRediT作者贡献声明

李俊瑞：监督、方法论、调查、概念化。宋浩琳：撰写 – 原始草案、可视化、验证、形式分析。陈梦梦：形式分析、数据管理。曾向文：验证、方法论、数据管理。王永红：项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。