張朝柱 顧漢洋 劉 剛 陳宇清 周肖佳

1（上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240）

2（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

高速攝像技術(shù)在驅(qū)動(dòng)線落棒實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

張朝柱1顧漢洋1劉 剛2陳宇清2周肖佳2

1（上海交通大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 上海 200240）

2（上海核工程研究設(shè)計(jì)院 上海 200233）

控制棒落棒性能分析是驅(qū)動(dòng)線設(shè)計(jì)驗(yàn)證的重要部分。本文在AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用高速攝像儀拍攝落棒歷程，并提出了一種結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)和亞像素插值的方法，用于處理拍攝的圖像?；诖朔N方法，獲得了精確的控制棒棒位-時(shí)間、速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間曲線，有利于驗(yàn)證和改進(jìn)控制棒驅(qū)動(dòng)線設(shè)計(jì)。

控制棒驅(qū)動(dòng)線，落棒特性試驗(yàn)，高速攝像儀，數(shù)字圖像相關(guān)，亞像素插值

控制棒驅(qū)動(dòng)線是反應(yīng)堆控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要功能是帶動(dòng)控制棒組件上升和下插，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)性的控制。在AP1000反應(yīng)堆國(guó)產(chǎn)化過程中，必須對(duì)落棒特性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，為控制棒驅(qū)動(dòng)線的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供依據(jù)。其中，進(jìn)行冷態(tài)控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲取控制棒落棒過程中的時(shí)程曲線是對(duì)落棒性能進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容。在以往的落棒試驗(yàn)中，常采用棒控棒位探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量控制棒下落過程中的感應(yīng)電勢(shì)[1]，間接測(cè)量落棒速度，分別對(duì)落棒速度-時(shí)間曲線進(jìn)行積分或微分計(jì)算[2]，得到棒位-時(shí)間曲線和加速度-時(shí)間曲線，但該方法受環(huán)境影響較大。高速攝像技術(shù)采用非接觸式測(cè)量，不會(huì)影響流場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并能夠獲得直觀的落棒過程。何軍山等[3]較早采用高速攝像儀對(duì)落棒特性進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)高速攝像儀拍攝的圖像進(jìn)行人工處理，獲得驅(qū)動(dòng)線落棒過程中的位移、速度、加速度等重要的落棒特性數(shù)據(jù)，但人工處理方法有很多缺陷和不足，其過程耗時(shí)且精度較低，存在較高的出錯(cuò)概率，且無法獲得機(jī)電延遲時(shí)間。本文基于高速攝像技術(shù)，采用相關(guān)系數(shù)法結(jié)合亞像素插值法編制MATLAB程序，對(duì)落棒圖像進(jìn)行自動(dòng)化處理，大大提高測(cè)量精度和處理效率，彌補(bǔ)了人工處理的不足。采用該方法獲得棒位-時(shí)間、速度-時(shí)間和加速度-時(shí)間曲線。

1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)在上海交通大學(xué)熱工水力試驗(yàn)室的控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。該試驗(yàn)裝置取AP1000一組模擬控制棒組件進(jìn)行試驗(yàn)。在上部導(dǎo)向筒的外部筒體上設(shè)置可視窗，采用高速攝像儀拍攝驅(qū)動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)圖像，如圖1所示。為了保持?jǐn)嚯娐浒羝鹗紩r(shí)刻與高速攝像圖像采集的同步，由落棒控制系統(tǒng)給出觸發(fā)信號(hào)，高速攝像儀由該觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)啟動(dòng)攝像并作為落棒的起始時(shí)間點(diǎn)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment layout.

2 圖像處理方法

本文使用高速攝像獲得落棒運(yùn)動(dòng)圖像，采用相關(guān)系數(shù)法結(jié)合亞像素插值法獲得高精度的落棒時(shí)程曲線。高速攝像儀采樣頻率為2 kHz，圖像分辨率為512×384 ppi。使用鎂光燈作為光源，光源亮度根據(jù)每次試驗(yàn)環(huán)境不同有所差別，光源調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)是通過人眼判斷圖像是否清晰。確保關(guān)注區(qū)域完整、圖像對(duì)焦準(zhǔn)確、定位特征清晰即可滿足試驗(yàn)要求?？刂瓢趄?qū)動(dòng)桿上段有265個(gè)齒槽，齒槽在高速攝像圖像中形成明暗條紋，以齒作為定位特征(圖2)。下段是黑色光桿，用白漆在其上畫出了一系列大致等距的刻線作為標(biāo)記，白線即為定位特征(圖3)。在數(shù)字圖像處理中，為了能夠檢測(cè)出定位特征，提出了一些經(jīng)典的檢測(cè)算子，如LOG算子、Sobel算子、Canny算子[4]等，這些算子形式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可對(duì)圖像特征完成像素級(jí)精度的邊緣定位。本文借鑒了邊緣檢測(cè)的思想，截取了高速攝像圖像中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象區(qū)域，并使用數(shù)字圖像處理技術(shù)中腐蝕和膨脹的方法對(duì)截取的圖像進(jìn)行處理(圖4)。圖像的腐蝕是為了提取骨干，膨脹是為了加粗輪廓，使用這兩種算法有兩個(gè)相反的結(jié)果：(1) 提取出關(guān)心的圖像特征，并最大限度去除其他部分的圖像，使用膨脹可以進(jìn)一步加強(qiáng)提取出的圖像特征，這樣做可以減少粗大誤差；(2) 使用這兩種算法雖然不會(huì)改變定位特征的位置，但會(huì)對(duì)定位特征的邊緣有輕微改變，引入一些誤差。相比之下，由于圖像邊緣的輕微改變引入的誤差遠(yuǎn)小于減少的粗大誤差，所以采用這種方法是合適的。在本文中，這種方法能夠很好地提取出定位特征，并且相比經(jīng)典的邊緣檢測(cè)更加簡(jiǎn)單。在確定定位特征后，便可以使用相關(guān)系數(shù)法獲得速度-時(shí)間曲線。圖4給出了經(jīng)過截取、處理的連續(xù)四幀圖像，從圖像序列中可以看出定位特征的微小移動(dòng)。

圖2 齒槽Fig.2 Cogging on the drive rod.

圖3 光桿上的白線Fig.3 White lines on straight rod.

圖4 經(jīng)過截取、處理的連續(xù)四幀圖像Fig.4 Four successive figures after cutting and processing.

相關(guān)系數(shù)法的基本原理是基于互相關(guān)函數(shù)的相關(guān)特性，用互相關(guān)函數(shù)來描述評(píng)價(jià)多幅圖像之間的相似程度[5]。進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)運(yùn)算時(shí)假定白光光源照明物體時(shí)，物體表面反射光強(qiáng)G(x,y)的關(guān)系分布與物體表面有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。據(jù)此，可以通過測(cè)量相鄰兩幅圖像中同一特征的位移量，獲得微小時(shí)間間隔內(nèi)驅(qū)動(dòng)桿的位移，對(duì)此段微小位移進(jìn)行差分就得到速度。

首先，程序讀取兩幅相鄰的圖像，按時(shí)序先后分為圖像1和圖像2，圖像1作為基準(zhǔn)圖像，搜索找到圖像1中的一個(gè)定位特征（齒槽或白線）中心，在特征中心附近取一子區(qū)，該子區(qū)用像素的灰度矩陣表示，作為樣本圖像，然后將樣本圖像在圖像2（目標(biāo)圖像）上對(duì)定位特征進(jìn)行相關(guān)匹配搜素。本文使用了標(biāo)準(zhǔn)化互相關(guān)算子NCCO[6]。標(biāo)準(zhǔn)化互相關(guān)算法的準(zhǔn)則定義為：設(shè)基準(zhǔn)圖為G，基準(zhǔn)圖中以定位特征為中心，大小為Ms×Ns的子區(qū)為Gs（即樣本圖像），目標(biāo)圖像為Gr，目標(biāo)圖像中與樣本圖像同樣大小的一塊子區(qū)為Gr(u,v)，(u,v)為該子區(qū)的左上角坐標(biāo)，Gr(u,v)與Gs建立的相似度函數(shù)如下：

圖5 相關(guān)曲線Fig.5 Correlation curve.

由于數(shù)字圖像記錄的是離散灰度信息，利用式(1)的相關(guān)函數(shù)來進(jìn)行相關(guān)搜索時(shí)窗口的平移只能以整像素為單位來進(jìn)行，所能獲得的位移v是像素的整數(shù)倍，稱為位移v具有整像素級(jí)精度。本文中拍攝的圖像的比例尺為1:0.2（圖中一個(gè)像素寬度對(duì)應(yīng)實(shí)際物理距離0.2 mm），因此位移的最小精度為0.0002 m，相應(yīng)的速度最小精度為0.0002× 2000=0.4 m·s-1（拍攝頻率為2 kHz），此速度精度較低，可以使用亞像素插值法進(jìn)一步提高精度。

雷鳴等[7]較早提出了一種基于互相關(guān)的圖像匹配亞像素定位方法，該方法具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、精度高、強(qiáng)適應(yīng)性及強(qiáng)抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。本文借鑒了該方法，使用拋物線對(duì)相關(guān)曲線進(jìn)行插值。該方法的原理是：假設(shè)相關(guān)峰附近的曲線滿足拋物線方程y=ax2+bx+c，則系數(shù)a、b、c可以由相關(guān)峰附近相鄰三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值確定。假設(shè)用相關(guān)系數(shù)法求得的最大相關(guān)系數(shù)為y0，其橫坐標(biāo)為x0，則滿足y0=ax02+bx0+c，取附近的兩個(gè)點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)組成方程組：

圖6 Kc-時(shí)間曲線Fig.6 Kc-time curve.

解此方程組可以確定系數(shù)a、b、c。拋物線y=ax2+bx+c的最高點(diǎn)，就是新的相關(guān)峰。假設(shè)相關(guān)峰的坐標(biāo)為(xc,yc)，這樣求出相關(guān)峰的橫坐標(biāo)xc的最小精度可達(dá)0.1-0.01個(gè)像素，稱為xc具有亞像素級(jí)精度（對(duì)于圖5，xc=12.542，速度的最小精度為0.004 m·s-1，比整像素精度提高了100倍）。通過亞像素插值，大大提高了定位精度。假設(shè)用亞像素插值法求出定位特征在相鄰兩幀圖像間的位移為Kc個(gè)像素，則控制棒驅(qū)動(dòng)桿的實(shí)際位移Sc=(Kc×0.2146) /1000 m，對(duì)位移進(jìn)行差分可得到該時(shí)刻的落棒速度v=(Kc×0.2146)/[1000×(1/2000)] m·s-1。圖6給出了Kc-時(shí)間曲線。

3 處理結(jié)果及誤差分析

圖7給出了基于上述圖像處理方法得到的某實(shí)驗(yàn)工況下驅(qū)動(dòng)線落棒過程的速度-時(shí)間曲線，從圖7中可以看出，速度-時(shí)間曲線上存在一些較大毛刺，這些毛刺誤差來源包括：(1) 實(shí)驗(yàn)過程中拍攝對(duì)象或高速攝像的晃動(dòng)；(2) 高速攝像拍攝過程中的環(huán)境噪聲；(3) 圖像處理過程中搜索定位特征以及使用相關(guān)系數(shù)法計(jì)算微小位移時(shí)產(chǎn)生的誤差。第一種誤差可以通過平滑速度-時(shí)間曲線基本去除，后兩種誤差理論上可以通過標(biāo)繪更加清晰的定位特征（如在光桿部分標(biāo)繪更加清晰的白線），增大采樣頻率和圖像分辨率的方法減小。

圖7 落棒行程速度-時(shí)間曲線Fig.7 Velocity-time curve.

數(shù)字濾波可以抑制有效信號(hào)中的干擾成分，消除隨機(jī)誤差，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理，以保證測(cè)得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文使用分位數(shù)濾波(Percentile Filter)方法[8]對(duì)速度曲線進(jìn)行平滑濾波，很好地去除了速度-時(shí)間曲線的毛刺，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖8是平滑處理后速度-時(shí)間曲線。

對(duì)平滑后的速度-時(shí)間曲線進(jìn)行積分，可以獲得棒位-時(shí)間曲線，如圖9所示。對(duì)平滑后的速度-時(shí)間曲線進(jìn)行差分，可以獲得加速度-時(shí)間曲線，如圖10所示。

圖8 平滑后的落棒行程速度-時(shí)間曲線Fig.8 Velocity-time curve after smoothing.

圖9 落棒行程棒位-時(shí)間曲線Fig.9 Rod position-time curve.

圖10 落棒行程加速度-時(shí)間曲線Fig.10 Acceleration-time curve.

結(jié)合圖8、圖9、圖10可以看出，落棒行程組成為：驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)釋棒、驅(qū)動(dòng)線落棒、緩沖段停棒[9]。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)釋棒階段：落棒信號(hào)產(chǎn)生，經(jīng)過一段機(jī)電延遲時(shí)間后控制棒開始下落，表現(xiàn)為加速度突然增大；驅(qū)動(dòng)線落棒階段：控制棒開始下落，加速度從零迅速增大到最大值，速度逐漸增大，隨著速度增大，流動(dòng)阻力增大，因此加速度逐漸減小趨向于零，速度逐漸增大到最大值，當(dāng)控制棒下落到緩沖段入口，速度和加速度迅速減小，表現(xiàn)為速度-時(shí)間曲線拐點(diǎn)；緩沖段停棒階段：控制棒進(jìn)入緩沖區(qū)，加速度迅速減小為負(fù)數(shù)，速度也迅速減小，隨著速度減小，流動(dòng)阻力減小，加速度從最小值逐漸增大，當(dāng)加速度增大到零時(shí)，速度減小到一個(gè)新的值并保持此速度繼續(xù)下落，當(dāng)接觸堆底后控制棒經(jīng)過數(shù)次反彈停在堆底。

4 適用范圍及不足

本文詳細(xì)介紹了通過高速攝像技術(shù)結(jié)合數(shù)字圖像處理和相關(guān)系數(shù)法獲得落棒歷程速度-時(shí)間曲線的方法，該方法采用非接觸式測(cè)量，不會(huì)影響流場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并能夠獲得直觀的落棒過程，通過積分和差分運(yùn)算，可以進(jìn)一步獲得棒位-時(shí)間曲線和加速度-時(shí)間曲線，該方法可廣泛應(yīng)用到控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒實(shí)驗(yàn)中。

理論上該方法具有較高精度（速度最小精度可達(dá)0.004 m·s-1），但因不能獲得棒控棒位探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的控制棒下落過程中的感應(yīng)電勢(shì)變化曲線，所以無法對(duì)此方法進(jìn)行標(biāo)定，更進(jìn)一步的標(biāo)定工作需要和感應(yīng)電勢(shì)曲線比較后完成。

5 結(jié)語

本文采用高速攝像儀拍攝驅(qū)動(dòng)線落棒實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)桿下落過程，獲得驅(qū)動(dòng)桿下落過程的連續(xù)圖像序列，并結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)系數(shù)法與亞像素插值法，對(duì)數(shù)字圖像序列進(jìn)行后處理。將該方法應(yīng)用到AP1000控制棒驅(qū)動(dòng)線落棒實(shí)驗(yàn)中，獲得了完整的驅(qū)動(dòng)線落棒歷程棒位-時(shí)間、速度-時(shí)間和加速度-時(shí)間曲線。

結(jié)果表明：(1) 采用非接觸式測(cè)量，不會(huì)影響流場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并能夠獲得直觀的落棒過程；(2)采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)落棒行程的序列圖像進(jìn)行處理，可以獲得完整的高精度的驅(qū)動(dòng)線落棒歷程棒位-時(shí)間、速度-時(shí)間和加速度-時(shí)間曲線，便于分析落棒特性；(3) 采用自動(dòng)化處理，大大縮短了圖像處理時(shí)間，同時(shí)避免了人工處理引入的誤差。

1 李剛, 柴偉東, 張大勇, 等. 落棒試驗(yàn)對(duì)控制棒狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與預(yù)警[J]. 核科學(xué)與工程, 2012, (S1): 53-56, 62

LI Gang, CHAI Weidong, ZHANG Dayong, et al. Monitoring and early warning of control rod state in rod drop test[J]. Nuclear Science and Engineering, 2012, (S1): 53-56, 62

2 鐘艷敏, 王源, 付仿松. 秦山核電二期工程反應(yīng)堆控制棒落棒性能測(cè)試[J]. 核動(dòng)力工程, 2003, (S1): 221-223

ZHONG Yanmin, WANG Yuan, FU Fangsong. Prediction analysis for first startup ohysics test for unit 1 of Qinshan phase II NPP project[J]. Nuclear Power Engineering, 2003, (S1): 221-223

3 何軍山, 蔣賢國(guó), 黃兆慶, 等. 高速攝像儀在落棒試驗(yàn)中的應(yīng)用及展望[J]. 核動(dòng)力工程, 2007, 28(4): 125-127

HE Junshan, JIANG Xianguo, HUANG Zhaoqing, et al. Application and prospect of high-speed digital camera in control rod drive line characteristic experiment[J]. Nuclear Power Engineering, 2007, 28(4): 125-127

4 Canny J. A computational approach to edge detection[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1986, 8(6): 679-698

5 楊勇, 王琰蕾, 李明, 等. 高精度數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)及其技術(shù)研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(2): 197-201

YANG Yong, WANG Yanlei, LI Ming, et al. Research of high-accuracy digital image correlation measurement system[J]. Acta Optica Sinica, 2006, 26(2): 197-201

6 Brown L G. A survey of image registration techniques[J]. ACM Computer Surveys, 1992, 24(4): 325-376

7 雷鳴, 張廣軍. 基于互相關(guān)的圖像匹配亞像素定位[J].光電工程, 2008, 35(5): 108-113

LEI Ming, ZHANG Guangjun. Image orientation algorithm with subpixel accuracy based on correlative matching method[J]. Opto-Electronic Engineering, 2008, 35(5): 108-113

8 王國(guó)勝, 李密生, 岳小云. 基于差分法的分位數(shù)算法在數(shù)字濾波中的應(yīng)用[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2007, 29(2): 46-49

WANG Guosheng, LI Misheng, YUE Xiaoyun. Application of a synthesis algorithm based on difference and fractile methods in digital filter system[J]. Journal of Detection & Control, 2007, 29(2): 46-49

9 周肖佳, 毛飛, 閔鵬, 等. 壓水堆驅(qū)動(dòng)線落棒歷程計(jì)算[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 2013, 47(9): 1584-1589

ZHOU Xiaojia, MAO Fei, MIN Peng, et al. Calculation of drop course of control rod assembly in PWR[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(9): 1584-1589

CLCTL364

Application of high-speed digital camera in control rod drive line drop performance experiment

ZHANG Chaozhu1GU Hanyang1LIU Gang2CHEN Yuqing2ZHOU Xiaojia2
1(School of Nuclear Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)
2(Shanghai Nuclear Engineering Research & Design Institute, Shanghai 200233, China)

Background:Control rod drop performance is essential for safety analysis of nuclear power plant.Purpose:To validate the design of control rod drive line (CRDL), a high-speed digital camera is used to record the control rod drop course in AP1000 CRDL drop performance experiment.Methods:The recorded video images are analyzed by a digital image processing method which includes digital image correlation and sub-pixel algorithm.Results:Based on such approach, the relationships of control rod’s position, velocity and acceleration with time are obtained.Conclusion:This approach has high accuracy theoretically and will be useful for validating and improving the design of CRDL.

Control rod drive line (CRDL), Drop rod performance, High-speed digital camera, Digital image correlation, Sub-pixel algorithm

TL364

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.090603

張朝柱，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于上海交通大學(xué)，研究領(lǐng)域?yàn)楹斯こ膛c核技術(shù)

2014-04-23，

2014-05-27