線陣CCD在風洞軌跡測量試驗技術中的應用研究

梁 磊，段丕軒，劉麗萍，王 丹

（中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

線陣CCD作為非接觸實時空間位移測量的技術手段在國外已經廣泛應用。加拿大NDI公司的Optotrak系統精度可達0.1mm，已用于蘭利中心、阿姆斯中心的靜彈和顫振試驗，以及德國／荷蘭風洞（DNW）的機翼變形測量和投放試驗［1］。國內清華大學和哈爾濱工業大學開展了類似系統的研究，主要應用于醫學輔助和姿態測量，精度為0.36mm［2－4］。同線陣CCD測量技術相比，面陣CCD圖像數據量大，受數據傳輸速度的影響，不可能做到高速實時重建坐標，精度也不夠高。相對于面陣CCD，線陣CCD的數據量往往要小數千倍，同時線分辨率往往要高數倍，因此線陣CCD在獲取模型姿態角、變形量、振動等參數上比面陣CCD具有更多的優勢。

國內利用線陣CCD技術進行空間測量還處在研究階段，筆者介紹了一種利用線陣CCD技術進行空間軌跡測量的方法。

1 系統組成

圖1 光學系統結構圖Fig.1 Schematic of optical system

系統原理見圖1，3個一維成像單元組成光學系統，覆蓋在同一區域，其中兩個相機的柱面鏡水平擺放，另外一個相機的柱面鏡垂直擺放，能夠確定3個相交平面。柱面透鏡實現從點到線的光學變換，像點確定一個包含被測點的平面，由3個相交平面得到被測點的位置。一維成像單元中，采用東芝TCD1501D線陣CCD作為圖像傳感器，和50mm焦距的柱面透鏡光心線相互垂直，線陣CCD位于柱面透鏡的焦平面上。

如圖2，采用7系數直接線性變換（DLT，Direct Linear Transformation）完成相機校準和坐標重建。

研制的基于線陣CCD的實時空間位移測量系統見圖3。主要由有源標識、光學系統、采集處理系統、自動標定系統、采集與標定軟件組成。線陣CCD測量系統結構框圖見圖4。

圖2 直接線性變換坐標測量過程Fig.2 Measurement process using direct linear transformation

圖3 基于線陣CCD的實時空間位移測量系統Fig.3 Real－time spatial displacement measurement system based on linear CCD

圖4 系統結構框圖Fig.4 System structure diagram

2 信號處理方法研究

信號處理是技術應用的關鍵。通過實踐研究，提出了一種基于特征邊緣提取的組合特征定位WBT算法，對原始信號先進行小波降噪，再使用B樣條插值10倍細分，最后取3個階梯閾值與峰值加權計算，可以有效地提高系統精確度。

2.1 小波變換降噪

Swdldens等人提出了一種完全在時空域構造小波的提升算法（Lifting scheme），5／3提升小波只有一次預測和更新的過程，系數為2的冪次，從追求運算速度和縮小硬件面積的角度看，5／3提升小波更有優勢，因此小波變換降噪采用該方法。

提升公式：

逆變換公式：

其中，X（n）為邊界擴展后的輸入信號；Y（n）為輸出信號。

應用到線陣CCD信號處理中，波形見圖5，坐標精度改善結果見表1。

小波降噪后波形進行了一定的平滑處理，雖然在總體來說修正點數不多，但處理之后，對系統精度有明顯提高，x軸精確度從0.31mm提高到0.17mm。

表1 小波降噪重建坐標精確度對比Table 1 Accuracy comparison of coordinate reconstruction using wavelet de－noise

圖5 小波降噪波形及局部放大Fig.5 Wavelet de－nolse wavefrom and detail view

2.2 加權閾值峰值定位

對數據深入分析，可知道信號邊緣帶有更多的信息。峰值也是一種特殊的邊緣。單純計算峰值可能會損失有用的信息。以峰值的0.9，0.8，0.7倍分別作為階梯閾值，其與波形相截得到的坐標值的1／2，求得一個邊緣中心平均值，將該3個值與峰值加權平均，越靠近峰值權值越重。

其中，λ為有源標識中心位置；Weighti為第i個閾值的權值；Positioni為第i個閾值截線中心位置；n為閾值的個數，這里取n＝4。

計算結果波形見圖6，坐標精度改善結果見表2，系統精度有明顯改善。

圖6 加權閾值峰值定位波形Fig.6 Waveform of weighted threshold and peak positioning

表2 加權閾值峰值定位重建坐標精確度對比Table 2 Accuracy comparison of coordinate reconstruction using weighted threshold and peak positioning

2.3 B樣條插值細分

小波降噪后的波形仍然是像素級的，采用加權閾值峰值默認兩個像素之間是直線連接。為了得到精度高的亞像素邊緣，通過B樣條插值對相鄰兩個像素進行10倍細分，之后再用加權閾值峰值來從邊緣值求中心點。

其中，y為對應內節點的坐標值；N為內節點數；ci為控制系數向量（x）為k次B樣條基函數。

處理波形見圖7，坐標重建精確度對比見表3，可以獲得更優化的結果精確度。

圖7 B樣條插值細分波形Fig.7 B－spline interpolation subdivision waveform

表3 B樣條插值細分重建坐標精確度對比Table 3 Accuracy comparison of coordinate reconstruction using B－spline interpolation subdivision

3 光學系統抗震研究

風洞試驗現場洞壁、地板等環境振動很強，造成的相機振動對非接觸測量結果有較大影響。采用B＆K3625激振器模擬風洞振動源，對系統分別施加低頻單一頻率振動和高頻隨機振動，對振動影響進行研究。

如圖8，在3個線陣CCD相機上分別安裝B＆K4524－B三軸加速度傳感器，在相機測量空間靜止點坐標的同時，使用FOCUSII動態信號分析儀采集振動信號。

圖8 采集相機振動信號Fig.8 Camera vibration signal acquisition

實驗結果如圖9，分析試驗結果得知，高頻隨機振動影響了成像質量，使得信號邊緣模糊、波形展寬和變形，特征定位難度增加；低頻振動對像中心位置影響較大，直接導致坐標重建誤差增大。試驗表明，采用組合特征定位WBT算法可以有效對抗高頻噪聲造成的像質模糊、波形展寬和變形，降低了高頻隨機噪聲的影響。

圖9 振動模擬試驗結果Fig.9 Result of vibration simulation test

采用多周期平均法可以有效提高低頻振動時坐標重建的準確性，但對系統的實時性造成一定影響。通過對組合特征定位WBT算法和多周期平均算法的應用，可以使系統的測量精度得到保障。

4 系統應用

由于重大冰雪災害，致使承擔電力運輸任務的輸電線大量結冰，在覆冰導線空氣動力特性和舞動特性的雙重作用下，大量輸電線扭斷，輸電塔倒塌，電力系統遭受嚴重破壞。本研究應用線陣CCD系統測量覆冰輸電導線風洞試驗中的舞動軌跡。

圖10 導線舞動試驗裝置示意圖Fig.10 Schematic of conductor galloping locus test device

利用線陣CCD測量系統在1.4m×1.4m風洞測量某型覆冰導線在不同的風速、不同截面形狀的覆冰和不同的迎角下的導線群舞動軌跡測量試驗。試驗裝置如圖10，試驗內容見表4，采集頻率為80Hz，結果數據見圖11～12，通過試驗完成了新月形和扇形覆冰導線舞動規律研究［5］。

表4 舞動試驗內容Table 4 Coment of conductor galloping locus test

圖11 某型覆冰單導線風洞試驗軌跡Fig.11 Locus of single－iced－conductor in wind tunnel

圖12 某型覆冰分裂導線風洞試驗軌跡Fig.12 Locus of bundle－iced－conductor in wind tunnel

5 結 論

（a）利用線陣CCD對低速風洞模型運動軌跡進行測量，具有實時性好、精度高、靈活方便、性價比高的特點，X、Y軸測量精確度可達到0.14mm，Z軸測量精確度可達到0.60mm；

（b）基于邊緣特征提取的組合特征定位 WBT算法，包括小波變換、B樣條插值和加權閾值峰值等復合處理技術，較好的抑制了圖像噪聲和外部高頻振動的影響，實現了高精度的亞像素細分定位，定位精度提高54%；

（c）新月形和扇形覆冰單導線發生舞動時運動軌跡均是橢圓形，舞動達到穩定態時，水平位移和豎向位移隨時間基本不變。導線舞動時最大雙邊振幅可達140mm，是導線直徑的5倍以上。隨著風速的增加，舞動軌跡振幅增大，風速增大到一定程度后舞動將失穩；新月形冰型導線舞動振幅隨風速的變化相對明顯一些。冰型厚度越大，舞動起始風速越低。參考文獻：

［1］ 周述光，溫渝昌，金啟剛.風洞模型位移光學測量技術應用綜述［J］.實驗流體力學，2009，23（2）：94－99.

［2］ 吳劍，王廣志，丁海曙，等.三維測量系統中線性CCD相機的直接線性變換［J］.清華大學學報（自然科學版），2004，44（6）：860－863.

［3］ 艾莉莉，袁峰，丁振良.應用線陣CCD的空間目標外姿態測量系統［J］.光學精密工程，2008，16（1）：161－165.

［4］ 李晶，袁峰，丁振良.基于BP神經網絡的外姿態測量系統線陣CCD標定［J］.儀器儀表學報，2010，31（5）：1138－1141.

［5］ 王丹，黃漢杰.覆冰導線模型1.4米×1.4米風洞試驗報告［R］.CARDC報告，2009.