基于脉冲激光照明的频闪结构光瞬态三维形貌测量方法

《Photonics》：Transient 3D Shape Measurement Method Based on Pulsed-Laser-Illuminated Stroboscopic Structured Light

　　

在含沙环境中运行的航空发动机转子叶片极易受到颗粒诱导的侵蚀。常规的砂尘吸入实验主要依赖于试验后拆卸检查，缺乏实时表面形貌分析能力。为克服这一限制，本研究提出一种基于脉冲激光照明和频闪结构光的高精度三维（3D）形貌测量方法，适用于超快动态场景。在所提出的方法中，研究人员采用脉冲激光照射物理光栅，产生频闪结构条纹图案，并将其投影到高速旋转的叶片上。由高速相机同步捕获变形的条纹图像，并利用傅里叶变换轮廓术（FTP）进行处理，以高精度重建精细的表面特征。与传统的基于发光二极管（LED）的频闪系统相比，基于脉冲激光的方案有效抑制了运动模糊，并在超短曝光条件下显著提高了图像强度。实验结果表明，该方法能够在高转速下获得稳定且高质量的条纹采集。该方法能够精确定量微观尺度缺陷，如划痕和凹坑，为航空发动机砂尘吸入试验中的原位监测和性能评估提供了可靠方案。

**论文解读：基于脉冲激光照明的频闪结构光瞬态三维形貌测量方法**

**研究背景与问题**

在航空发动机研发中，可靠性和耐久性直接影响飞行安全与整机性能。随着飞机在复杂环境（如沙尘环境）中部署增多，发动机面临严峻的外部干扰。起飞、着陆、地面测试及飞行过程中，风或尾涡卷吸的空气颗粒物可能被吸入发动机内部，以高速撞击转子叶片，造成微观表面损伤（如划痕、凹坑、缺口）。长期累积损伤会引发推力下降、油耗增加及内部组件性能退化，缩短发动机寿命。因此，砂尘吸入试验已成为发动机设计与认证中的关键考核项目。然而，现有分析主要关注压缩机质量流量、输出功率、油耗等宏观性能指标，对转子叶片的三维（3D）表面损伤关注不足。微观表面损伤能更直接反映颗粒吸入对性能与寿命的影响，但现有损伤分析多依赖试验后拆卸检查，缺乏实时、原位检测技术，严重限制测试效率与后续精度评估。开发高精度表面形貌重建与实时损伤监测方法成为当前砂尘吸入试验研究的核心问题。

**研究内容与结论**

本研究提出一种基于脉冲激光照明和频闪结构光的超快高精度表面形貌测量方法。研究人员用脉冲激光照射物理光栅，产生频闪结构条纹图案并投影到高速旋转叶片上，由高速相机同步捕获变形条纹图像，采用傅里叶变换轮廓术（FTP）结合可调滤波窗口实现3D重建。实验表明，该方法在微秒级曝光条件下能获得高对比度、无运动模糊的条纹图像，成功重建了毫米级微观划痕与凹坑，满足砂尘吸入试验需求。精度评估显示，标准球重建的最大偏差为0.064 mm，标准差为0.0149 mm；动态测量中，在2500–4500 r/min转速下条纹对比度与正弦性保持稳定。该方法为发动机砂尘吸入试验的原位监测与性能评估提供了可靠方案。论文发表在《Photonics》。

**主要关键技术方法**

1. **长距离扩束投影系统**：基于脉冲激光（脉宽12 ns）设计扩束准直光路，照射物理光栅产生正弦条纹，通过可调焦距镜头实现2.5–3.5 m工作距离的投影。2. **自适应滤波窗口FTP算法**：根据被测表面特征（平滑或复杂）自适应选择Hanning窗口带宽（水平与垂直扩展比2–10），在频域提取基频分量，抑制噪声保留细节。3. **频闪同步控制**：同步单元确保每个相机曝光周期内仅触发一次激光脉冲，有效曝光时间等效于纳秒级脉冲宽度，消除运动模糊。4. **系统标定**：建立像素级相位-高度映射及相机内外参数（A、R、T），通过解方程获取世界坐标。样本来自标准阶跃件、陶瓷参考球及小型风扇转子（转速2500–4500 r/min）。

**研究结果**

**3.1 微划痕测量实验**：利用长距离扩束投影系统测量静态叶片微观划痕。重建结果（图4、5）清晰呈现叶片整体轮廓与表面起伏，定量分析了划痕深度（最小0.04 mm）、长度和宽度，验证了微观缺陷检测能力。

**3.2 精度评估实验**：使用改进FTP算法重建标准阶跃件（图6）和参考球（图7）。阶跃件重建保持锐利边缘，无过度平滑；标准球拟合最大偏差0.064 mm，标准差0.0149 mm，表明高精度平滑表面重建能力。

**3.3 动态测量实验**：在小型风扇转子（转速2500–4500 r/min）上进行动态测量（图8）。在1 μs曝光下，频闪条纹保持高对比度与清晰度，成功重建叶片在旋转周期内多个时刻的3D形貌，捕捉到微小变形与振动特性。不同转速下条纹对比度与正弦性无明显下降（图9），证明方法在宽转速范围内稳定。

**总结讨论**

本研究将脉冲激光引入频闪结构光测量，提出基于激光照明和结构光视觉的超快高精度形貌测量技术，通过物理光栅产生条纹、同步捕获、自适应FTP算法实现叶片精细特征恢复，有效解决传统FTP在瞬态场景下测量效率低、成像质量退化的问题，扩展其在超快动态3D测量中的应用。技术直接适用于航空发动机砂尘吸入试验现场监测，并有望拓展至长距离、小视场超快3D重建。当前系统存在局限：脉冲激光增加成本与对准精度要求；高尘环境下光学窗口污染降低条纹对比度（>0.5 g/m³时对比度低于0.3）；沙尘散射与粘连导致强度非均匀；复杂叶片几何可能产生阴影；强噪声或局部条纹不连续时相位提取仍可能误差。未来工作将开发抗尘光学保护策略（如气刀、可更换窗口），研究自适应滤波与深度学习增强算法，探索更高重频激光同步方案以消除残余运动模糊。研究结论翻译：所提出的方法将脉冲激光引入频闪结构光测量，并开发了基于脉冲激光照明的长距离扩束投影光学系统。研究人员提出了基于激光照明和结构光视觉的超快高精度表面形貌测量技术，通过物理光栅产生条纹并进行3D重建，有效克服传统FTP在瞬态场景下的局限性，扩展了其在超快动态3D测量中的应用。该技术可直接用于航空发动机砂尘吸入试验现场监测，并有望拓展至长距离、小视场超快3D重建。