光电子学与激光技术

送粉式激光熔覆中瞬态温度场与几何形貌的三维数值模拟

刘昊，虞钢，何秀丽，等

摘要：目的：作为一种先进的柔性化制造技术，送粉式激光熔覆适用于在金属表面制备特殊性能的涂层、零件修复与再制造、快速成形等多种场合。激光熔覆层的几何形貌既是熔覆运动轨迹设计的参考因素，也是影响最终工件尺寸精度的重要因素。针对送粉式激光熔覆的特点，基于生死单元法建立一种可以同时计算瞬态温度场及熔覆层几何形貌的三维数值模型。方法：采用生死单元法描述激光熔覆中材料的动态添加过程，建立一种无需预先设定熔覆层几何形貌的三维数值模型。首先，分析送粉式激光熔覆的物理过程，并在求解域内建立基于热传导控制方程的数学模型。采用一种简化的理论模型描述粉末输送过程中的激光束和粉末流之间的相互作用，从而获得激光功率衰减和粉末颗粒温升，以确定模型的边界条件和初始条件。随后，依据激光束扫描轨迹范围，在被熔覆基体材料网格之上建立足够大的熔覆区域网格。此区域的单元在计算前处于“未激活”状态，即表示激光熔覆开始前不存在熔覆层。在计算过程中，根据每个载荷步的温度场结果、熔覆材料的质量守恒以及表面张力效应，“激活”一部分熔覆区域单元，表示在此载荷步时间内沉积的熔覆材料。计算结束后，熔覆层几何形貌由在所有载荷步中累积“激活”的单元构成的几何体来表征。利用ANSYS参数化设计语言APDL编程实现所提出的计算方法，从而实现了对送粉式激光熔覆的瞬态温度场与几何形貌的三维数值模拟。结果：以在蠕墨铸铁表面激光熔覆NiCoCrAlY涂层为例，将材料的热物性参数与熔覆工艺参数输入计算模型，模拟激光熔覆瞬态温度场与熔覆层沉积生长过程。从激光熔覆的一个载荷步计算结果看，根据计算方法，与熔池气液界面相接触的熔覆层“未激活”状态的单元被“激活”。其中被“激活”的单元一部分位于已形成的熔覆层之上，另一部分位于基体表面之上，使熔覆层随着激光束的扫描而不断向基材前方延伸。对送粉式激光熔覆过程中的温度场和几何形貌特点进行分析。结果显示，熔覆层的几何形貌与熔池的动态过程紧密相关。熔池在较短的时间内就已进入稳定阶段，熔覆层形貌在整个熔覆阶段也保持一定的稳定性。在送粉速率分别为4.1 g/min、6.1 g/min、8.1 g/min条件下，对比了熔覆层横截面几何形貌的试验结果和计算结果。在不同送粉速率下模型计算出的表面轮廓线均呈圆弧状，计算结果反映出了与试验结果相同的随送粉速率变化而变化的趋势。结论：采用生死单元法，建立了一种可以同时预测激光熔覆温度场和熔覆层几何形貌的三维数值模型。模型计算结果显示了熔池状态与涂层几何形貌之间的关系。熔覆层表面轮廓线与试验结果基本保持一致，熔覆层横截面的宽度、高度、熔深与试验数据基本吻合，说明了模型在计算激光熔覆温度场及熔覆层几何形貌方面的有效性和可靠性。

来源出版物：中国激光, 2013, 40(12)：1203007

入选年份：2016

基于双目立体视觉的快速人头检测方法

顾骋，钱惟贤，陈钱，等

摘要：目的：随着计算机视觉的兴起，其可视化、自动化、对复杂场景的高适应性等优点将自动人员检测系统引入了新的领域，发展出了许多新的检测方法。这些方法有一个共同点就是通过检测人头来实现流动人员的监测，然而想要准确、实时地检测人头信息依然十分困难。通过引入双目立体视觉的方法来探索一种具有较高准确性和实时性的人头检测系统。方法：利用双目立体视觉的方法来检测人头信息。首先需要对双目相机采集的图像进行运动目标检测用以分离出运动目标区域；其次对运动目标区域使用融合区域匹配和特征匹配的快速匹配方法（即利用视差的连续性只对强纹理点进行绝对误差累积匹配，其他点只进行简单的视差验证）来得到稠密的视差图，并通过三角投影关系计算出深度图；然后采用深度分层的方法从双目立体成像得到的深度图中将存在人头信息的深度层提取出来；再次利用数学形态学预处理方法提取深度图像中的基本形态元素，并使用Canny边缘检测算子提取出一组比较完整的候选边缘轮廓序列；最后利用离散度、占空比、周长、面积等先验知识从候选边缘轮廓序列中判定出人头。结果：从实验结果中可以看出，利用双目立体视觉的方法来检测人头信息具有如下几个特点，（1）双目立体视觉具有精度高、对光照不敏感的特点，可以实现复杂场景下的人头检测；（2）实验中将双目摄像机吊顶安装在实验室房顶上，使其自上而下拍摄图像，可以有效避免人员遮挡对检测的影响，同时重点突出头部特征；（3）利用人体的身高特征，头部肯定是整个身体中距离地面最远的，也即距离摄像机传感器最近的部分，所以通过对深度图分层就可以把含有人头信息的那一段深度截取出来单独处理；（4）只对运动目标区域进行立体匹配可以防止背景区域对人头分割的影响，同时减少计算量；（5）在双目相机焦距、基线距离一定的情况下，立体匹配中的视差搜索范围完全由摄像机到探测目标的距离决定，在摄像机与地面距离已知的情况下，通过限定人员的身高范围就可以确定视差搜索的左右极限，减少不必要的计算量；（6）立体匹配算法可以通过引入并行计算的方法来大大减少计算量。结论：基于双目立体视觉的方法，利用双目同时观测物体时会存在视差的原理来得到整个场景的深度图，将含有人头信息的深度层分离出来再利用轮廓检测识别出人头。该方法具有精度高、抗干扰性好、实时性高的特点，对于复杂场景中的人头可以有效地检测。主要适用于车站、公共汽车、商场、影院等需要采集人员流动信息的场所，利用人员流动信息来决定商场的租赁价格、商品的销售情况、广告投放的效益；帮助车站安全高效地安排附属设施；帮助交通运营部门恰当地分配人力、物力、财力，合理地调整路线。

来源出版物：中国激光, 2014, 41(1)：0108001

入选年份：2016