数字图像相关（DIC）技术在极端工况条件下的应用

　　数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术作为一种非接触、全场光学测量方法，通过追踪物体表面散斑图案在变形前后的变化，精确计算位移场和应变场。在极端工况条件下，传统测量手段往往失效，而DIC技术凭借其独特优势展现出强大适应能力。

　　极端工况的主要挑战：

　　环境极端性：高温、低温、真空、高压、强辐射等恶劣环境

　　载荷极端性：高速冲击、爆炸、强振动、疲劳循环等极限载荷

　　材料极端性：超高温材料、脆性材料、生物软组织等特殊材料

　　尺度极端性：微纳米尺度、超大结构尺度等测量范围极限

　　新拓三维DIC三维全场应变测量系统起源于西安交大，是国内最早的专业DIC技术研究的高新技术企业之一。新拓三维10余年来一直投入算法、软件功能模块的研发以及硬件性能提升，克服了极端条件下的图像畸变和噪音干扰，实现了在高温、高速、多尺度以及水下等典型极端条件中的应用。

　　关键技术突破与创新

　　1、专用散斑技术应用

　　耐极端环境散斑：

　　高温：陶瓷基散斑(耐受2000℃)

　　低温：弹性体散斑(-270℃不脱落)

　　腐蚀环境：化学惰性散斑(耐酸碱、盐雾)

　　智能散斑：

　　温敏散斑：颜色随温度变化，同步测量温度场

　　相变散斑：特定温度下光学特性突变，标记临界点

　　2、先进成像系统

　　多光谱DIC：结合不同波段成像，分离热辐射与散斑信号

　　偏振DIC：消除金属表面反光干扰

　　结构光增强DIC：提高低对比度条件下的测量可靠性

　　3、智能算法创新

　　自适应相关算法：自动调整子区大小和形状，适应大梯度变形

　　多尺度DIC：从宏观到微观的跨尺度测量

　　深度学习辅助：基于神经网络的散斑识别与匹配

　　1、高温环境

　　在高温实验中，样品通常被放置在加热设备中，相机通过指定的观察窗口捕捉图像。这窗口的尺寸通常受到限制，以避免降低加热装置的隔热性。

　　在高温下使用DIC获取精确的变形场数据时，主要面临三个挑战：

　　1)试样发出的热辐射，可导致图像过曝光;

　　2) 散斑图案的可靠性降低，高温可导致散斑受热膨胀过程中脱落，或是因高温而烧蚀;

　　3) 试样与相机之间的热雾，使光路发生偏转从而导致图像失真。

　　新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，在高温应用领域有着丰富的项目经验，可靠、高精度的测试数据验证了DIC试验的可行性，可实现3000摄氏度内的高温全场应变测量。

　　针对高温热辐射对图像采集的干扰问题，采用蓝/紫外光、光学滤波和气刀技术，以滤除蓝/紫光以外波段，降低热辐射造成的影响;

　　对于热流扰动，在加热装置与镜头之间使用气刀或是风扇等加速空气流通，以减轻热雾效应。

　　此外，为了提高散斑质量的稳定性，结合耐高温材料，使用参数化散斑制备技术，保证散斑可靠性。在实验前，进行散斑预氧化，减少对位移场计算不利影响。

　　材料高温环境下拉伸试验

　　温度场与应变场耦合

　　高温环境DIC测试，通常采用高温炉，特殊场景下需要将温度场与应变场融合，进行同步测量。

　　XTDIC三维全场应变测量系统，可与红外热像仪融合，同步测量试件在高温环境下的温度场和应变场。

　　XTDIC三维全场应变测量系统，结合红外相机几何标定技术，并将红外相机的局部坐标系与DIC系统的坐标系连接起来，实现红外相机的全场温度和位移的空间/时间同步分析。

　　合金片温度场与应变场耦合测量

　　2、水下环境

　　水下环境DIC测量面临的主要挑战，包括光的多次折射带来的复杂畸变。图像失真被分解为两个组成部分——折射失真和透镜失真。

　　XTDIC三维全场应变测量系统，通过建立不同的折射校正模型，精确地确定相机的固有矩阵、外部矩阵和变形参数，对透镜的畸变进行修正，以提高DIC系统在测量水下目标时的精度。

　　水下高压密闭环境-渔网拖动位移分析

　　水下模拟实验室测试，通常将DIC装置放于空气中，并通过窗口或透明容器拍摄样本在水中的照片。光线通常可以被很好地控制，而且还可以确保水透明无杂质。

　　在海洋湖泊等复杂的情况下，水会阻碍DIC装置相机对水下结构获得完整的视图。因此，采用特殊防水密封装置，将DIC设备相机置于水下的密封容器中。

　　3、高速场景

　　高速摄影技术的发展极大地促进了瞬态事件的观测，使其便于研究弹道学、爆炸、霍普金森压杆和高速碰撞等现象。

　　高速DIC测量面临的主要挑战，包括两台高速相机同步以及光照不稳定问题。XTDIC-SPARK三维高速测量系统，可直接控制高速相机采集;采用激光光源辅助照明，减少对DIC测量结果的影响。

　　XTDIC-SPARK三维高速测量系统已广泛应用高速冲击、高速振动、高速变形以及高速运动工程领域，可计算追踪点的位移、轨迹姿态、速度、加速度等数据。

　　3.1、高速运动

　　汽车轮胎过障瞬态变形分析

　　风洞测试-高速运动姿态分析

　　3.2、高速冲击

　　高速冲击下瞬态变形分析

　　3.3、高速变形

　　霍普金森杆/高速拉伸动态变形

　　3.4、爆炸冲击

　　爆炸冲击瞬态最大主应变

　　4. 宏观大尺寸/微小尺度

　　在材料科学领域，观察材料的微观结构十分必要;在大型构件的健康监测中，复杂结构测量也必不可少。

　　4.1、微观尺度

　　新拓三维XTDIC-MICRO显微应变测量系统，将DIC技术与体式显微镜集成，通过自主研发的DIC标定及校正算法，计算立体显微镜非参数变形区域，在测量中校正空间失真造成的误差干扰。

　　XTDIC-MICRO显微应变测量系统可集成不同设备(温控箱/冷热台、原位试验机)，提供不同温度、不同场景、更高精度应变测量。

　　力学应用——材料受力

　　热学应用——热膨胀/热翘曲测量

　　4.2 宏观大视场

　　处理较大的物体时，物体的表面具有复杂的几何形状，DIC装备两个摄像头提供的覆盖面可能不足以进行全面分析。

　　大视野全场应变测量

　　XTDIC三维全场应变测量系统，支持内、外参数分离的标定方式，解决大视野下的标定难题;为使所有图像在单一、统一的坐标系统中排列，从而进行重建，可指定一个摄像机的局部坐标系统作为主要参考。

　　几十米超大尺寸风力叶片-全场挥舞位移云图

　　多相机DIC方案-360°全周测量

　　新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，多相机DIC方案，采用多组测量头，通过提前标定在统一坐标或校准对齐，逐帧对齐的方式实现三维空间的坐标统一。

　　四测头方案-测量车轮轮毂内壁与外壁

　　反射镜辅助DIC观测

　　对于内部空间狭小且测量区域分散的场景，采用反射镜面辅助，XTDIC三维全场应变测量系统结合近景摄影测量技术，可解决多个双目测量单元的坐标统一问题，实现结构内部多个分散表面的同步测量。

　　关于DIC装备相机镜头畸变与反射镜表面反射质量问题，通过标定方法进行精度补偿，获得较高的的测量结果。

　　反射镜方案-航空机匣内部四测头同步测量