北航团队四连发！中智科仪门控相机引领高温变形测量超越2800℃

　　高温形变成像是指在极端高温环境下(通常超过600°C甚至达3000°C)，通过光学手段获取物体表面图像并进行变形测量的技术。主要应用于航空航天、核工业、材料测试等领域，材料与结构必须在极端高温环境下保持可靠，尤其是对热防护材料(TPS)、发动机部件、再入飞行器等在高温下的力学行为进行研究。

　　数字图像相关技术(Digital Image Correlation, DIC)是一种非接触式的光学测量方法，通过追踪物体表面的人工或自然散斑图案在变形过程中的运动，来全场、高精度地测量物体的变形、位移和应变。然而，高温环境下物体自身和周围加热元件(如石英灯、电弧加热器等)会发出强烈的热辐射，严重干扰图像采集，导致图像过曝、对比度下降，进而影响DIC测量的精度。传统方法如白光DIC、蓝光DIC和紫外DIC通过光谱滤波在一定程度上抑制了热辐射，但在超高温或强辐射环境下仍显不足。

　　面对这一难题，北京航空航天大学潘兵教授团队创造性地提出了 “光谱滤波 + 时间门控”的双域滤波新思路，发展了一种基于时间门控主动成像(Time-Gated Active Imaging)的新型DIC技术，核心思想是结合脉冲激光照明与门控相机，通过光谱+时间双域滤波策略，显著抑制热辐射和环境光干扰，实现在极端高温环境下的高精度全场形变测量。

　　中智科仪门控相机在此过程中扮演了重要角色，其纳秒级的精确门控能力和高分辨率，是实现这一技术构想的关键硬件基础。中智科仪专注于皮秒/纳秒时间门控成像领域，产品成功助力北航团队实现高温形变测量领域的突破，接连发表4篇高水平文章。下面分享一下相关学术成果，带大家了解时间门控成像技术在高温形变测量中的关键应用。

　　学术分享

　　Time-gated active imaging digital image correlation for deformation measurement at high temperatures，《Extreme Mechanics Letters》, 2022.

　　首次将时间门控成像技术与DIC结合，验证了该方法在660℃下抑制环境光和热辐射的性能，效果优于传统蓝光、紫外DIC。

　　图1 对比四种系统在20°C和700°C下的成像效果。门控DIC系统在高温下图像质量几乎无变化

　　将镍基合金(GH4169)试件加热至约700°C，分别用白光DIC、蓝光DIC、紫外DIC(UV-DIC)和门控DIC系统在室温和高温下成像。白光DIC系统：高温下图像严重饱和，亮斑区域细节丢失。蓝光DIC和UV-DIC系统：较好地抑制了热辐射，图像质量和平均灰度(MI)、平均灰度梯度(MIG)值相对稳定，但高温下MIG仍略有下降，表明仍有少量热辐射影响。门控DIC系统：表现最佳，热辐射被显著抑制。

　　Image‑Based Deformation Measurement of Aerodynamic Heating Surfaces Using Time‑Gated Active Imaging Digital Image Correlation，《Experimental Mechanics》，2023.

　　在1000℃下，成功抑制了来自加热器和试件的双重强辐射，首次实现了气动加热模拟环境下正面变形的全场测量。

　　图2 对比有/无激光照明下在不同温度(200–1000°C)采集的图像

　　有激光照明时：在所有温度下(200°C至1000°C)，图像对比度保持稳定，未出现过曝，散斑图案清晰可见。无激光照明时：在600°C以下，图像几乎为全黑(灰度值接近0);在800–1000°C时，仅可见微弱信号，图像对比度很低。时间门控技术成功将来自加热器和样品的热辐射抑制到可忽略水平，确保图像质量满足DIC计算要求。

　　Measuring 3D shape and deformation in the presence of extremely strong ambient light and thermal radiation with a single time-gated camera，《Optics Express》，2024.

　　提出单相机双滤波3D-DIC系统。仅用一台门控相机和四镜适配器，即可实现三维变形测量，大幅降低系统成本和同步难度。

　　图3 钨丝灯泡成像实验

　　验证系统在极端强光和高温热辐射条件下的成像能力。对一个通电的钨丝灯泡进行成像，功率从0W逐渐增加至40W(钨丝温度可达2000°C以上)。普通相机拍摄的图像在高温下完全饱和，无法分辨钨丝结构。门控系统所成图像中，钨丝轮廓清晰可辨，即使在高功率下也能有效抑制热辐射干扰。

　　图4 C/C复合材料高温拉伸测量

　　在极高温度(1600°C)和机械载荷下测量材料的力学性能。对C/C复合材料试样进行焦耳加热并施加拉伸载荷，同步采集图像。普通相机图像被热辐射完全淹没(a–e)，而门控相机图像散斑清晰可见(f–j)。

　　Ultraviolet time-gated active-imaging digital image correlation: A novel solution for ultra-high temperature deformation measurement，《Optics and Laser Technology》，2025.

　　将技术推向紫外波段!采用UV脉冲激光和门控相机，成功对碳碳复合材料在2800℃下的热膨胀和2500℃下的拉伸变形进行了精确测量。

　　图5 C/C复合材料在2800°C下的热膨胀与拉伸测量

　　在2800°C超高温下对碳碳复合材料热膨胀与拉伸进行测量，普通相机在2000°C以上完全饱和，而紫外门控系统在2800°C下仍能清晰捕捉表面特征(b-k)。在高温下，短波长(如355 nm)的热辐射能量远低于长波长，因此紫外波段滤波能有效降低进入相机的热辐射能量。实验结果充分表明，时间门控主动成像DIC系统能够：有效抑制强烈热辐射;在超高温下仍获取高对比度、未饱和的散斑图像;实现高精度、全场化的热变形和热应变测量。

　　北航潘兵教授团队通过系列研究逐步推动了高温DIC技术从光谱滤波向“光谱+时间”双域滤波的演进，中智科仪的时间分辨门控相机(GCMOS、ICMOS)在这一过程中发挥了重要作用。其超短门控、高灵敏度、高分辨、多波段兼容等特性，使其成为极端高温环境下光学测量的关键设备，在高温形变DIC测量中展现出以下几大优势：

　　超短曝光时间(纳秒级)：传统相机曝光时间在毫秒级，无法避免热辐射累积。时间分辨门控相机可将曝光时间压缩至纳秒甚至皮秒级，极大抑制热辐射干扰。

　　高灵敏度与信号增强：ICMOS增强型门控相机内置图像增强器，可将微弱激光反射信号放大，提升图像对比度，确保在极端环境下仍能获取清晰图像。

　　精确同步能力：支持与脉冲激光的精确时序控制，实现“发射-接收”闭环同步，确保只有有效信号被捕获。

　　多波段适配能力：支持从近红外(860 nm)到紫外(355 nm)多个波段，适应不同温度和测量需求，尤其紫外波段在超高温环境下优势显著。

　　高分辨率：门控型CMOS(GCMOS)相机在实现纳秒级曝光的同时提供较高的空间分辨率，便于分析图像细节。

　　时间门控主动成像DIC技术为解决高温、强辐射环境下的变形测量难题提供了有效方案，具有重要的工程应用价值。未来该技术有望在3000°C以上环境中实现更广泛的应用，中智科仪门控相机也将发挥更大的作用。