本发明涉及振动测量领域，特别是涉及一种非接触式振动测量系统及方法，尤其适用于飞艇囊体等轻薄膜面的振动测量。
背景技术：
在含动力高空飞艇领域，常常需要分析自然环境的扰动以及推进装置的振动对整个飞艇囊体的振动影响。比如在正常飞行分析过程中，需要避免推进系统的振动引起推进系统与囊体接口局部发生共振从而导致囊体损伤引起漏气、囊体强度下降等后果，为此需要检测各个工况下重要区域囊体表面的振动情况，传统的测量方式分为两种。
一种为接触式测量，接触式测量方式如安装加速度传感器等方法，不但安装分析过程复杂，并且所安装的传感器会改变膜体表面的振动规律，使其无法准确的测量，影响测量结果。此外，该测量方式只能测量传感器所在位点附近的振动情况，而无法知道关注区域内多点的振动情况，同时也无法测量振动分析过程中囊体表面的应变量。
第二种为非接触式的多普勒式激光测量，多普勒式激光测虽然避免了与囊体表面的直接接触，从而会影响到囊体表面震动规律的缺点，但是其仅适用于单点，或者被测区域较小的情况，对于大面积、立体、多点的待测对象，上述两种方法都不适用。
技术实现要素：
为解决以上问题，本发明公开了一种非接触式振动测量系统及方法，主要用于解决以下技术问题：飞艇囊体多种环境下振动红外图像序列采集、处理；飞艇囊体振动模态分析；飞艇囊体应变测量；通过更换镜头实现远距离测量；系统校准。
具体的，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种非接触式振动测量系统及方法，所述系统包括：两架摄像头、三脚架、光源、计算机，所述摄像头和光源安装在所述三脚架上，所述光源用于照射薄膜表面的被测区域，所述摄像头用于对被测区域的拍摄并将图像发送给所述计算机，计算机根据所述图像计算并得出物体振动情况。
优选的，所述摄像头为工业红外摄像头，由互相连接的镜头及高分辨率红外CCD图像传感器组成。
优选的，所述光源为红外光源照射装置，能够对照射波长、方向、强度及光束锥角进行调节。
优选的，所述系统还包括光学校准板，用于校准测量所述摄像头的安装位置。
优选的，所述系统还包括传输线缆，用于连接所述摄像头和计算机。
具体的，根据本发明的另一个方面，一种使用上述系统的非接触式振动测量方法，其特征在于，包括：
在被测区域内标定多个标记点；
使用光源照射被测区域使得光束完全覆盖被测区域，调整所述两个摄像头使被测区域充满视野；
使用光学校准板校准所述摄像头的安装位置；
摄像头拍摄被测区域的图像并发送给所述计算机；
计算机处理所述图像得到薄膜表面振动情况。
更进一步的，所述标记点的标定方法为：
利用红外荧光标记笔或手持红外荧光漆喷溅装置进行所述标记。
更进一步的，所述标记点无序随机分布，其密度大于所述标准测试板的点阵密度。
更进一步的，所述使用光学校准板校准所述摄像头的安装位置包括：利用双目视场关系反算出摄像头的相对安装位置并评估反算质量，标准差达标后作为下一步测量时引用的安装位置数据。
更进一步的，所述计算机处理所述图像得到薄膜表面振动情况包括：利用数字图像相关性原理对图像序列的灰度值格局子集进行分析。
本发明的优点在于：与先前技术相比，本发明可对柔性囊体的振动量、应变量进行远距离非接触立体测量，排除接触测量对柔性囊体的人为受力干扰，显著提高测量精度以及将传统的测量点扩展为测量域，可以分析测量区域内任何一点的振动、应变情况。自带校准功能，消除了双目光学系统安装导致的测量误差，快速在线采集，高效离线处理。同时具有全天候测试能力。
附图说明
通过阅读下文具体实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出具体实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为：非接触式振动测量系统基本组成图。
图2为：非接触式振动测量校准系统基本组成图。
图3为：非接触式振动测量分析过程示意图。
图4为：使用本发明的非接触式振动测量系统获得的振动位移云图。
图5为：使用本发明的非接触式振动测量系统获得的振动曲线和振动频谱图。
图6为：使用本发明的非接触式振动测量系统获得的形变三维图。
图7为：使用本发明的非接触式振动测量系统获得的应变曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明是一种红外光学非接触式振动测量系统，基于双目视觉标志点识别测量方法，以双目视觉原理为基础，在待测飞艇囊体表面贴上或画上适当大小、密度的特征标志点，借用Open CV开源函数库算法，同时结合实际应用需求，实现了对振动目标的振动数据进行高精度测量的目的。
如图1所示，1是待测飞艇囊体，为飞艇某个待测部位，如推进支架与飞艇囊体接口附近囊体薄膜。2是待测飞艇囊体上的测试区域，待测区域2根据需求划定，便于观测即可。本发明的一种红外光学非接触式振动测量系统基本组成包括：双目工业红外摄像头3和4、数据采集处理计算机5、双目红外工业摄像头三脚架6、红外光学校准板7、传输线缆8和主动红外光源照射装置9。以下逐个介绍本发明振动测量系统的各个组成部分。
双目工业红外摄像头3和4，安装在所述双目红外工业摄像头三脚架6上，其中摄像头4由镜头4-1、高分辨率红外CCD图像传感器4-2组成，其中镜头4-1用于调节光圈、焦距、放大倍率等参数，可根据待测区域大小不同，相应地调节摄像头视场大小。高分辨率红外CCD图像传感器4-2用于按照设定的时间间隔在线获取测试区域红外图像序列，并经由传输线缆8将获取的图像序列传输至数据采集处理计算机5。高分辨率红外CCD图像传感器4-2采用全局曝光，防止卷帘曝光的果冻效应给测量带来误差。
双目工业红外摄像头3和4相距约0.5～0.8米，在不影响观测质量的情况下应尽量分开布置，以提高测量精度。每个摄像头3或4备有两组镜头，可根据不同距离、视场大小进行选择。根据本发明的另一优选实施例，除镜头4-1外，所述系统还可以包括备选长焦镜头，用于更远距离的非接触测量；根据本发明的另一优选实施例，双目工业红外摄像头3和4具备环境红外补偿系统，使系统能够应用于存在强烈红外干扰的环境中，提高了系统的适用性。
数据采集处理计算机5，与双目工业红外摄像头3和4通过带有camera link接口的高速传输线缆8连接。为了满足采集计算机的大数据吞吐量需求，数据采集处理计算机5配备读写速率较高的固态硬盘或RAID0磁盘阵列进行数据存储，同时为了满足数据后处理的需求，数据采集处理计算机5配备多线程高主频的CPU以及2～3个高频大缓存的图形处理器(GPU)。所述高速固态硬盘用于存储实时传输的采集数据。所述图形处理器位于高速图像序列采集板卡上，其中高速图像序列采集板卡用于在线采集、还原图像序列数据。所述数据采集处理计算机5接收到双目工业红外摄像头3和4的图像数据后，发送到高速图像序列采集板卡和高速固态硬盘中，通过后处理及分析软件，校准双目工业红外摄像头3和4的位置、并能够离线分析数据。此外camera link为一种规范标准，规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，其意义在于只要是符合Camera Link标准的摄像机和图像卡就可以物理上互联。
双目红外工业摄像头三脚架6，可快速拆装折叠，便于携带及快速展开。
光学校准板7，有多种规格可选，根据测试区域的大小以及测量精度的需求可以选择不同规格的校准板，板面越小点阵越密测量精度越高反之越小。由于双目工业红外摄像头3和4的安装可能会存在误差，因此在安装之后利用光学标准板7校准双目工业红外摄像头3和4，并评估校准效果，可以极大地提高系统测量精度。
高速传输线缆8，用于连接数据采集处理计算机5与双目工业红外摄像头3和4，保证了数据的高速传输。
主动红外光源照射装置9，用于为系统提供红外照明，发出的红外光经荧光标定点的漫反射进入双目工业红外摄像头3、4。主动红外光源照射装置9的照射波长、方向、强度及光束锥角可调，满足不同的使用需求。由于本发明利用主动红外光源照射装置9进行照射，本发明的振动测量系统可在室内外进行全天候测试，具有较强的环境适应能力。
使用本发明上述红外光学非接触式振动测量系统的进行飞艇囊体的振动测量过程如下：
(1)红外荧光散点标定
为了保证测量系统可以对飞艇囊体1上的被测区域2进行有效观测，需先对被测区域2进行红外荧光散点标定，对于较小的测试区域可利用红外荧光标记笔进行标记，对于较大的测试区域可使用手持红外荧光漆喷溅装置进行高效的标定。标定的原则是标定点尽量无序随机分布，标定点密度不得小于标准测试板7的点阵密度，以保证测量精度。
(2)系统参数设定
如图1所示，将系统对准被测区域2，打开主动红外光源照射装置9照射被测区域，通过调整照射光束方向、锥角等使光束完全覆盖被测区域。调整照射强度及镜头4-1上的焦距、光圈使被测区域充满视野，亮度适中，散点清晰可见，消除画面过曝光，必要时可使用红外补偿系统。在数据采集处理计算机5上设定摄像头3、4的快门速度，使帧率为被测区域2振动频率最大估计值的两倍左右，对摄像头3的调整与摄像头4的相同，不再赘述。
(3)测量系统校准
测量前，先使用光学校准板7放置在被测区域2前对摄像头3、4进行校准，光学校准板7为白底，其上有按照阵列排布的黑色标识点，各点间的距离是已知的。后利用双目视场关系反算出双目工业摄像头的相对安装位置并评估反算质量，标准差达标后作为下一步测量时引用的安装位置数据。
(4)测试图像数据采集
在测试开始时采集计算机5在线预处理、存储双目摄像头3、4采集的红外图像数据，直到测试结束。
(5)数据后处理
有了前期采集的数据，数据处理工作可以离线进行，这也是本系统的特点之一。后处理将利用数字图像相关性原理对图像序列的灰度值格局子集进行分析，其过程如图3所示。由此可得被测区域任一点的位移、多点间的相对位移等随时间的变化情况，也即我们所要求的振动及应变情况。
图4-7为使用本发明的非接触式振动测量系统获得的技术效果示意。其中，图4为使用本发明的非接触式振动测量系统获得的振动位移云图，图5为使用本发明的非接触式振动测量系统获得的振动曲线和振动频谱图，图6为使用本发明的非接触式振动测量系统获得的形变三维图，图7为使用本发明的非接触式振动测量系统获得的应变曲线图。
从以上四个图可以看出，使用本发明的非接触式振动测量系统，与先前技术相比，本发明可对柔性飞艇囊体的振动量、应变量进行远距离非接触立体测量，排除接触测量对柔性飞艇囊体的人为受力干扰，显著提高测量精度以及将传统的测量点扩展为测量域，可以分析测量区域内任何一点的振动、应变情况。自带校准功能，消除了双目光学系统安装导致的测量误差，快速在线采集，高效离线处理。同时具有全天候测试能力。
以上，仅为本发明示例性的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。