一种激光散斑数字相关法像质评价和光路调整系统及方法

本发明涉及一种激光散斑数字图像相关法像质评价系统及方法，属于先进核聚变能诊断方法与图像处理交叉研究领域。

背景技术：

1、聚变能是人类永久解决能源问题的潜在有效途径之一，聚变堆高温等离子体氘氚热核聚变所产生的辐射热和高能中子(14.1mev)，进入堆内面向等离子体部件增殖包层、偏滤器和真空室，形成第一壁的高热流和在结构内沉积高功率密度核热。一旦偏滤器的结构受到损害或者破坏，则它正常功能就会受到影响，轻则会使高性能等离子体无法获得，重则会导致等离子体无法正常放电并且直接影响tokamak装置的安全运行，因此针对服役条件下的偏滤器靶板诊断的关键技术，是聚变示范堆的重要研究内容。

2、对于偏滤器靶板表面热流的检测，传统方法大多数都存在一定缺陷。热电偶电信号容易受到聚变堆环境内强磁场的干扰，并且其尖部温度测量点受到扰动时，会接触不良从而造成测量结果并不精确。fbg光纤传感器测量的空间分辨率偏低，且光纤较为脆弱易损坏。红外热成像技术分辨率低且受材料发射率影响测量精度低。综合这些缺陷和工程应用需求，提出一种能适合远程、非接触、高精度测量偏滤器靶板热负荷的新方法势在必行。

3、激光散斑数字图像相关法(digitalimagecorrelationdic)可以解决上述问题，通过生成主动激光散斑测量偏滤器靶板热应变，不仅可以高精度、非接触测量，更能实现在线原位监测靶板状态。但dic法计算需要采集优质的激光散斑图像，如何保证采集到的散斑图像足够合格成为该方法应用于聚变堆装置的难题之一。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：针对偏滤器靶板激光散斑数字相关诊断方法要求，提供一种激光散斑数字图像相关法像质评价系统及方法，解决了因光源、检测面形貌、检测角度等影响所带来的测量误差，有效提高该方法的诊断效率。

2、一方面，本发明采用的技术方案为：

3、一种激光散斑数字相关法像质评价和光路调整系统，所述系统包括：成像部分与计算部分；

4、所述成像部分为用于获取激光散斑数字图像的光学系统，包括激光器，空间滤波器，带通滤光片以及相机；

5、所述计算部分包括像质评价系统和dic计算模块，其中，所述像质评价系统包括：散斑密度分析模块，散斑大小分析模块，灰度特征分析模块，灰度梯度分析模块，图像相关性分析模块；

6、所述激光器发射的激光通过空间滤波器扩束后照明靶板被检测区域，再经靶板反射后由带通滤光片过滤杂散光后在相机的ccd上生成散斑图像，所述相机将散斑图像输入所述计算部分；

7、所述计算部分被配置为：所述散斑图像传输至计算部分后，由散斑密度分析模块分析图像密度特征，根据散斑密度确认拍摄角度是否正确，密度不合格则调整拍摄角度，密度合格则将图像传输至散斑大小分析模块；散斑大小分析模块对图像中散斑的尺寸特征进行分析，依据尺寸特征确认相机是否正确聚焦，不聚焦则调整聚焦面至待测面，并将调整合格后拍摄的图像输入至灰度特征分析模块完成灰度特征分析；针对灰度特征分析不合格图像调节激光强度，将调整合格后拍摄的图像输入到灰度梯度分析模块进行灰度梯度分析，针对灰度梯度分析不合格图像调节相机光圈，将调整合格后拍摄的图像输入至图像相关性分析模块，所述图像相关性分析模块对比不同时间采集到的图像是否相关，如不相关则调整相机拍摄频率与曝光时间，若相关程度合格则相机开始采集图像并将采集到的图像输入至dic计算模块完成靶板热应变的计算。

8、进一步的，所述由散斑密度分析模块分析图像密度特征中，若散斑密度合格则将图像传输至大小分析模块，否则调整拍摄角度并在调整后再次检查散斑密度，再次检查后若散斑密度合格则将图像传输至大小分析模块，若仍然不合格则检查相机聚焦面是否在靶板表面上，如不在靶板表面，则调整相机聚焦面，并将调整后拍摄图像输入至灰度特征分析模块。

9、本发明中，在dic计算模块前加入图像评价系统，对不适合dic计算的图像进行光学参数调整，判断采集到的图像是否合格后再进行计算，适用于聚变堆偏滤器靶板的在线检测，并提高诊断效率。其中，通过散斑密度分析模块和散斑大小分析模块确认相机拍摄角度和聚焦面是否准确，否则作出对应调整，迅速构建合格光路，提高诊断效率；通过灰度特征分析模块、灰度梯度分析模块、图像相关性分析模块，分析采集到的图像像质能否满足dic计算的要求，提高测量准确度，避免无效图像的采集、处理和计算。本发明通过调整基础光路获得合格的散斑密度和大小，通过调整光源强度获得合格的灰度特征，通过调整相机光圈获得合格的灰度梯度，通过调整相机频率获得合格的图像相关度，从而获得符合dic要求的散班图像。

10、另一方面，本发明还提供了一种用于上述激光散斑数字相关法像质评价和光路调整系统的方法，所述方法包括以下步骤：

11、步骤s1：搭建成像光路；其中，激光器发射的激光通过空间滤波器扩束后照明靶板被检测区域，而后反射光由带通滤光片过滤杂散光后在相机上生成散斑图像，对散斑图像进行实时采集并输入至散斑密度分析模块；转入步骤s2；

12、步骤s2：散斑密度分析模块对图像散斑密度特征进行实时分析，查验散斑密度是否合格，合格则将图片输入散斑大小分析模块，不合格则检查相机拍摄角度是否正确，若合格则转入步骤s3；如果拍摄角度不正确则将其调整至正确拍摄角度，再次查验散斑密度是否合格，若合格则转入步骤s3，若仍不合格则检查相机聚焦面是否在靶板表面上，如不在靶板表面，则调整相机聚焦面，并转入步骤s4；

13、步骤s3：散斑大小分析模块对图像中散斑颗粒大小进行实时分析，如果大小合格将图片输入灰度特征分析模块，不合格则检查相机聚焦面是否在靶板表面上，调整相机聚焦面，正确后将图像输入至灰度特征分析模块；转入步骤s4；

14、步骤s4：灰度特征分析模块对图像灰度特征进行实时分析，如果灰度均衡性合格则将图像输入灰度梯度分析模块，若灰度均衡性不合格则调整光源强度至合格后再输入灰度梯度分析模块；转入步骤s5；

15、步骤s5：灰度梯度分析模块对图像灰度梯度进行实时分析，若灰度梯度合格则将图像输入图像相关性分析模块，若灰度梯度不合格则调整相机光圈至图像灰度梯度合格再将图像输入图像相关性分析模块；转入步骤s6；

16、步骤s6：图像相关性分析模块对连续采集的图像进行实时对比，若相关性合格则将图像输入dic计算模块，若相关性不够则调整相机曝光时间及采集帧率至相关性合格，再将图像输入dic计算模块，dic计算模块对合格图像进行计算分析，得到偏滤器靶板的热应变数，通过反演实现对偏滤器靶板热流及健康状态的实时诊断。

17、本发明的优点在于：

18、1、可以对散斑图像不合格光路进行优化调整。由于激光散斑图像的像质易受材料形貌特征、检测角度、光源参数等因素影响，不合格的散斑图像又会导致利用dic计算材料应变时出现较大误差，从而使该方法失效。针对这一背景通过本发明提出一种能够对激光散斑的像质进行定量评价的方法，将评价结果反馈给成像部分并对光路参数进行优化，使优化后的散斑图像可以有效用于dic计算。

19、2、可以实现高效、快速调节成像光路。在偏滤器靶板的诊断过程中，需要根据聚变装置的空间和窗口条件搭建不同的成像光路，不同光路采集得到的图像特征不同，这会使基于激光散斑的dic计算存在不同的误差。而在测量过程中调整光路费时费力，得到一个合格的成像光路往往需要长时间优化，本发明利用灰度图像识别技术对各类激光散斑的像质进行定量分析，用统计的方法获得了满足高精度dic计算的像质参数判据，通过本系统及方法设定的像质判据，可以调整光路实现合格图像的迅速生成，大大提高了偏滤器靶板的诊断效率和诊断精度。