热真空环境下二维尺寸视觉测量标定方法研究

　　1 引 言

　　尺寸参数测量是产品热真空环境试验的一项重要内容，它要求实现对试件尺寸参数的高精度、实时、非接触测量，并且要求测量系统能适应真空、高低温环境，不得对试验设备和产品造成污染，不能影响试验环境真空度的实现[1]。视觉测量具有测量直观、精度高、非接触、环境适应力较强等优点，并且图像传输技术较为成熟，便于实现远距离测量，是热真空环境下尺寸测量较好的方法。国外早在20 世纪90 年代就开始研究热真空环境下尺寸测量技术，目前美国的NASA、日本的JAXA、加拿大的CSA 等都选用视觉测量方法，并有一些成功的应用，例如热真空环境下天线变形测量[2]。

　　热真空环境会影响视觉测量系统关键元件的性能和测量精度，甚至使系统无法正常工作。因此针对热真空的特殊环境，须设计特殊的视觉测量系统以保证正常工作[3]，或者采用温控舱保证摄像机和镜头等关键元件处于相对稳定的工作环境[4]。实时标定方法是在每次测量的同时都进行标定，可以很好地减小各种环境参数变化对测量精度的影响。研究热真空环境下二维尺寸视觉测量的实时标定方法可以提高测量精度，具有重要的实际意义。

　　2 热真空环境对视觉测量系统的影响

　　视觉测量系统主要由光学成像模块(包括CCD摄像机、光学镜头、光源等) 、机械支架、计算机和测量软件等组成，是一个涉及光学、电子、计算机和机械多方面的复杂系统，其各个环节都可能受环境影响，从而最终影响测量系统的精度。热真空环境对测量系统主要影响包括:

　　(1) 对CCD摄像机的影响

　　CCD 摄像机是一种高性能的、灵敏的光电子器件，CCD 接受器件在不稳定热环境中容易产生热噪声及暗电流，使信噪比(S/N) 下降，一般而言，温度每升高6℃左右，其噪声增加一个量级。此外，电子线路及元器件在真空热环境下由于没有空气对流，工作时产生的热量不易散发出去，使发热元件产生过热，可导致非线性失真，甚至造成元器件 破坏[5-6]。

　　(2) 对光学镜头的影响

　　热真空的环境温度、压力变化会使镜头的镜筒和光学玻璃产生变形，改变了镜头的几何参数( 镜片的半径和光学间隔) ，并且还会改变玻璃材料和空气的折射率。这些影响最终会使光学系统的光学参数(光焦度和理想像面位置) 发生变化，导致成像大小和质量的变化[7-8]。

　　(3) 对光源的影响

　　真空环境下由于介质吸收系数的减小而使光波能量透过量增大，同时由于没有空气中各种粒子的干扰，光波的散射作用减小，所以光源发光强度会有所增加[9]。LED 还存在温升效应，输出光强受温度影响，当LED 的结温升高时，器件的输出光强将逐渐减小，而当结温下降时，输出光强将增大[10]。