CN108917633A - 基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，该系统由水下双目阵列采集子系统和参数三维测量子系统两部分组成。水下双目阵列采集子系统包含两段，段间由螺纹卡扣连接，实现大型组件的全局数据获取；每段各含有四组双目采集模块，相邻模块间分别配备一个均匀光源模块，为相应视场内的组件成像提供充足照明；组件关键区域由光学镜头成像于对应的CMOS传感器上。系统通过硬件触发模块实现八组双目采集模块的同步采集，可实现燃料组件的各关键参数的三维测量。本发明不仅能获得燃料组件关键参数的三维尺寸，还可以测量组件的整体轮廓，为高热、高辐射的水下乏燃料组件的局部变形和整体弯曲等参数测量提供有力工具。

Description

基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统

技术领域

本发明属于核辐射安全与监测技术领域，涉及一种基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统。

背景技术

燃料组件由若干燃料棒、控制棒导向管、上下管座、格架等组成，是核能发电的能量来源。燃料组件(使用时会受中子持续轰击，使用一次循环后称为乏燃料组件)工作于反应堆的高温、高压、高辐射的循环水中，由于装配应力、热应力和辐射生长等因素的影响，燃料棒在使用期间会产生局部变形，进而导致整个燃料组件的外形也发生变化。在恶劣工况下，乏燃料组件一般均存在一定的变形量，当变形量过大时，存在危及反应堆安全运行的风险，因此，在一段合理的时间间隔内，对乏燃料组件的关键参数进行检测，筛选出具有安全风险的乏燃料组件有着非常重要的意义。

由于乏燃料组件的关键参数较多、存在高放射性、且工作和储存于水下，传统采用接触式的变形测量系统只能测量少量参数，无法全局描述乏燃料组件的状态，目前，一般采用基于光电的非接触式测量方式实现其多类参数测量。国外Ahlberg Cameras公司采用预置4组单目耐辐射高清摄像系统在堆芯内的方式，实现乏燃料组件的关键参数测量，但其存在移动困难、安装不便等不足，且需正交布置于燃料组件四周，一般只有核岛修建阶段才能实现其安装。国内的变形测量系统起步较晚，部分高校实验室提出采用激光扫描方式实现组件变形测量，目前，该类系统仅针对模拟组件可行，在水下和放射环境中，均存在较多不足之处。国内具有实用非接触变形检测设备的只有中国科学院光电技术研究所的基于5组耐辐射摄像模块的变形检测系统，该系统采用单目比对测量的方式，通过多组拼接实现大型乏燃料组件的参数测量。然而，上述系统对燃料组件的放置角度敏感、且每次使用需标定板比对，费时费力，综上，目前各类系统均无法在恶劣工况下实现乏燃料组件的关键参数的精确测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统。该系统不仅可以获得乏燃料组件关键参数的三维尺寸，还可以测量组件的整体轮廓，为高热、高辐射的水下乏燃料组件的局部变形和整体弯曲等参数测量提供有力工具。

本发明采用的技术方案是：基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，包括：水下双目阵列采集子系统和参数三维测量子系统；水下双目阵列采集子系统由2个段基准模块通过螺纹卡扣拼接而成，段基准模块包含4组相同的双目采集模块和3个同类型的均匀光源，双目采集模块由高清光学镜头、CMOS相机、硬件触发模块和采集模块水密封外壳组成；通过螺纹卡扣锁紧的2个段基准模块组成的检测系统置于乏燃料组件一侧，将待测的关键区域调节至每组双目采集模块的视场中，高清光学镜头、CMOS相机和硬件触发模块分别置于水密封外壳中，保障各采集模块的水下工作，各采集模块通过高清光学镜头将关键区域成像于对应的CMOS相机中，在硬件触发模块的同步下，采集子系统实现所有均匀光源照明下的关键区域图像数据的同步采集，采集子系统通过CMOS相机实时将同步图像数据传输至计算机，由计算机中的参数三维测量子系统对获得的关键区域图像进行内外参数校正、特征点匹配、坐标映射运算后完成乏燃料组件参数的三维测量。

所述双目采集模块中的2个CMOS相机平行布置在采集子系统的长度方向上，保证对应高清光学镜头的光轴平行，便于采集模块的组内双目内外参数标定。

所述相邻双目采集模块平行布置在段基准模块上，且螺纹卡扣使2个段基准模块同轴同向拼接，保障采集子系统的所有高清光学镜头光轴在同一平面内，可实现采集模块的组间双目校正参数标定。

所述CMOS相机均工作于外触发模式，单组双目采集模块共用硬件触发模块，实现组内采集同步，所有硬件触发模块的控制端相连，由计算机中的板卡统一控制，实现所有CMOS相机的工作同步。

所述参数三维测量子系统对同步获得的16幅组件关键区域图像进行内外参数校正、对应特征点匹配、坐标映射一系列运算后完成各关键参数三维测量的计算过程如下：

(1)采用双线性插值法基于内外参数实现所有图像的参数校正；

(2)完成校正后，根据具体测量目标在左图设置测量点，基于归一化互相关法实现对应测量点的图像匹配；

(3)将设置点的左图像坐标(X_left,Y_left)、右图像坐标(X_right,Y_right)、基线B和焦距f代入相机组的几何方程：

可得相应设置点的三维坐标(x^c,y^c,z^c)，根据测量目标特征，计算出点至点、点至线或点至面的距离，即乏燃料组件对应关键参数的测量值。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明相比接触式检测系统，测量参数丰富、且使用便捷；相比单目非接触式检测系统，应用工况要求低、且操作简洁。

(2)本发明基于16组水下摄像系统硬件外同步触发的方式，可以同步捕获乏燃料组件的整体外观图像，以便进一步定量分析。

(3)本发明可以实现乏燃料组件关键参数的水下三维测量，并通过各摄像系统的组间参数校正，实现组件的整体状态评估。

附图说明

图1为基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统结构示意图；

图2为水下目标的图像处理及双目三维参数测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于16组水下摄像单元，通过硬件外触发方式，实现乏燃料组件整体外观的同步成像，经过相应的图像内外参数校正、特征点匹配、坐标映射一系列运算后，获得乏燃料组件各关键参数的三维坐标值，再根据关键参数特征，可得参数测量数据和组件的整体变形状态。

如图1所示，本发明由高清光学镜头1、CMOS相机2、硬件触发模块3、均匀光源4、水密封外壳5、段基准模块6、螺纹卡扣7和计算机8组成。

本实施例的基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统工作过程如下：

水下双目阵列采集子系统的16组CMOS相机2在硬件触发模块3的同步下，经高清光学镜头1，实现均匀光源4照明下的乏燃料组件的关键区域图像采集。其中，高清光学镜头1、CMOS相机2和硬件触发模块3分别置于相应的水密封外壳5中，保障各采集模块的水下工作。水下双目阵列采集子系统由两个段基准模块6通过螺纹卡扣7拼接而成，使得检测系统置于乏燃料组件的一侧，且保证各待测的关键区域处于每组双目采集模块的视场中。采集子系统通过CMOS相机2将同步图像数据实时地传输至计算机8，由计算机8中的参数三维测量子系统对获得的关键区域图像进行内外参数校正、特征点匹配、坐标映射一系列运算后完成乏燃料组件各关键参数的三维测量。

双目采集模块的两个CMOS相机2平行布置在采集子系统的长度方向上，相机间距离约200mm，保证物距1.2m的目标整体在视场内，其中，相机的宽度方向与采集子系统的长度方向一致，保障相机间重叠区域充足的同时，尽可能提高系统精度；此外，对应高清光学镜头1的光轴平行，便于内外参数标定，再基于内外参通过双线性插值实现图像像素的坐标变换，完成图像畸变校正。

相邻双目采集模块平行布置在段基准模块6的长度方向上，相邻间距约570mm，该间距由燃料组件格架确定，且螺纹卡扣7使两个段基准模块6同轴同向拼接，保障采集子系统的所有光学镜头1光轴在同一平面内，便于双目采集模块的组间参数标定，基于组间参数的坐标映射，可实现目标的全局参数测量。

系统中的CMOS相机2均工作于外触发模式，通过上升沿实现硬件触发，所有硬件触发模块3的控制端相连，由计算机8对其统一控制，实现采集模块对所有目标的同步采集。

在计算机8中编写参数三维测量子系统软件实现多路同步图像的处理和参数测量，流程如图2所示，具体方法为：

首先，基于内外参数对同步采集的8对图像进行校正处理。图像校正包含基于双线性插值的畸变校正和投影变换。畸变校正针对所有图像进行，以畸变多项式校正模型为例：其中，R²＝X²+Y²，(K₁、K₂、K₃)为畸变参数，(X、Y)为原图像坐标，(X′、Y′)为畸变校正图像的坐标。以畸变校正坐标为输入，针对每组图像对进行基于外参数的投影变换，分别以左相机为基准，则：其中，R和T分别为旋转矩阵和平移矩阵，(X_R′、Y_R′)为组内畸变校正右图像的坐标，(X_R″、Y_R″)为畸变校正右图像投影变换结果的坐标。

其次，对校正图像进行特征配准，配准基于待测参数的点特征。基于用户在左图中设置的测量参数的像素点，由于左右图像已水平对齐，通过归一化互相关法NCC： 其中，X_l(p)为左图p坐标的像素点，为左图p坐标的邻域像素均值，X_r(p,d)为右图p+d坐标的像素点，为右图p+d坐标的邻域像素均值，可实现对应右图中坐标的获取。

再次，基于各组左右图像对的坐标组，通过坐标映射运算可得相应特征点的空间三维坐标值。针对待运算的各坐标对，代入几何方程其中，(X_left,Y_left)为左图像坐标、(X_right,Y_right)为右图像坐标、B为基线、f为焦距，可得相应特征点的三维坐标(x^c,y^c,z^c)。

最后，关键参数测量。根据参数类型不同，参数可分为点至点、点至线、点至面3类，基于各空间点的三维坐标值，通过对应几何运算法，可完成相应关键参数的测量。

虽然通过参照发明的说明和具体实施方案，已经对本发明进行了图示和描述，但普通的技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (5)

1.基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，其特征在于，包括：水下双目阵列采集子系统和参数三维测量子系统；水下双目阵列采集子系统由2个段基准模块(6)通过螺纹卡扣(7)拼接而成，段基准模块(6)包含4组相同的双目采集模块和3个同类型的均匀光源(4)，双目采集模块由高清光学镜头(1)、CMOS相机(2)、硬件触发模块(3)和采集模块水密封外壳(5)组成；通过螺纹卡扣(7)锁紧的2个段基准模块(6)组成的检测系统置于燃料组件一侧，将待测的关键区域调节至每组双目采集模块的视场中，高清光学镜头(1)、CMOS相机(2)和硬件触发模块(3)分别置于水密封外壳(5)中，保障各采集模块的水下工作，各采集模块通过高清光学镜头(1)将关键区域成像于对应的CMOS相机(2)中，在硬件触发模块(3)的同步下，采集子系统实现所有均匀光源(4)照明下的关键区域图像数据的同步采集，采集子系统通过CMOS相机(2)实时将同步图像数据传输至计算机(8)，由计算机(8)中的参数三维测量子系统对获得的关键区域图像进行内外参数校正、特征点匹配、坐标映射运算后完成燃料组件参数的三维测量。

2.根据权利要求1所述的基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，其特征在于：所述双目采集模块中的2个CMOS相机(2)平行布置在采集子系统的长度方向上，保证对应高清光学镜头(1)的光轴平行，便于采集模块的组内双目内外参数标定。

3.根据权利要求1所述的基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，其特征在于：所述相邻双目采集模块平行布置在段基准模块(6)上，且螺纹卡扣(7)使2个段基准模块(6)同轴同向拼接，保障采集子系统的所有高清光学镜头(1)光轴在同一平面内，可实现采集模块的组间双目校正参数标定。

4.根据权利要求1所述的基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，其特征在于：所述CMOS相机(2)均工作于外触发模式，单组双目采集模块共用硬件触发模块(3)，实现组内采集同步，所有硬件触发模块(3)的控制端相连，由计算机(8)中的板卡统一控制，实现所有CMOS相机(2)的工作同步。

5.根据权利要求1所述的基于水下双目视觉的燃料组件变形检测系统，其特征在于：所述参数三维测量子系统对同步获得的16幅组件关键区域图像进行内外参数校正、对应特征点匹配、坐标映射一系列运算后完成各关键参数三维测量的计算过程如下：

(1)采用双线性插值法基于内外参数实现所有图像的参数校正；

(2)完成校正后，根据具体测量目标在左图设置测量点，基于归一化互相关法实现对应测量点的图像匹配；

(3)将设置点的左图像坐标(X_left,Y_left)、右图像坐标(X_right,Y_right)、基线B和焦距f代入相机组的几何方程：

可得相应设置点的三维坐标(x^c,y^c,z^c)，根据测量目标特征，计算出点至点、点至线或点至面的距离，即燃料组件对应关键参数的测量值。