本文由潘兵和吴大方撰写，发表于2011年2月的《光学学报》（Acta Optica Sinica）第31卷第2期。两位作者均来自北京航空航天大学固体力学研究所。该研究提出了一种基于带通滤波成像的高温数字图像相关方法（Digital Image Correlation, DIC），用于测量高温物体表面的全场变形。该方法通过引入窄带通光学滤波技术，有效减小了高温物体表面热辐射对图像质量的影响，使得在1000℃高温下仍能获得高质量的数字图像，从而实现了高温变形的精确测量。
高温环境下的材料变形测量是航空航天、化工、能源等领域的重要研究课题。传统的接触式测量方法在高温环境下难以实现精确测量，而非接触式光学测量方法因其不干扰被测物体表面力学性能的优势，逐渐成为研究热点。然而，现有的光学测量方法在高温环境下存在诸多局限性，如激光散斑法和电子散斑干涉法只能测量局部变形，且对实验环境要求苛刻。数字图像相关方法（DIC）作为一种全场光学测量方法，具有设备简单、测量范围广、抗干扰能力强等优点，但在高温环境下，由于热辐射的影响，图像质量会显著下降，导致测量失败。因此，如何在高温度下获得高质量的数字图像成为DIC方法应用于高温变形测量的关键问题。
问题分析与理论推导
研究首先分析了高温物体表面热辐射对图像质量的影响。随着温度的升高，物体表面的热辐射波长向短波方向移动，进入相机感光芯片的敏感波长范围，导致图像亮度增强，对比度下降，最终导致DIC分析失效。基于普朗克公式，作者推导了热辐射波长与温度的关系，并指出在500℃以上时，热辐射对图像质量的影响尤为显著。
带通滤波成像系统的设计
为了减小热辐射对图像质量的影响，作者设计了一种窄带通光学滤波成像系统。该系统通过在相机镜头前安装中心波长为450nm、带宽为20nm的带通滤波片，有效阻挡了高温辐射中波长较长且强度高的光波进入相机靶面，从而显著提高了图像质量。
实验验证
实验采用铬镍奥氏体不锈钢作为测试对象，利用瞬态气动热环境模拟系统对试样进行加热，并通过带通滤波成像系统采集不同温度下的数字图像。实验温度范围从室温（16.5℃）到1000℃，每次升温100℃，并在每个温度点采集10幅图像。通过DIC方法分析这些图像，提取全场热变形信息，并计算热膨胀系数。
数据分析
实验结果表明，带通滤波成像系统在1000℃高温下仍能获得高质量的数字图像，且图像与参考图像之间的相关系数（ZNCC）平均值为0.9093，表明图像质量几乎没有退化。通过DIC方法计算得到的热变形场显示，试样在高温下均匀膨胀，热应变与温度呈线性关系。计算得到的热膨胀系数与航空材料手册中的数据吻合良好，最大误差不超过0.3×10⁻⁶/℃。
图像质量提升
带通滤波成像系统显著提高了高温下图像的质量，使得在1000℃高温下仍能获得可用于DIC分析的高质量图像。
全场热变形测量
通过DIC方法，成功测量了铬镍奥氏体不锈钢在1000℃高温下的全场热变形，并计算了热膨胀系数。结果显示，热膨胀系数随温度升高而增加，与已有数据吻合良好。
方法验证
实验验证了带通滤波成像系统在高温变形测量中的有效性，表明该方法具有高精度、抗干扰能力强、适用范围广等优点。
本文提出的基于带通滤波成像的高温数字图像相关方法，成功解决了高温环境下图像质量退化的问题，使得DIC方法能够应用于1000℃高温下的全场变形测量。该方法具有测量原理简单、抗干扰能力强、测量精度高等优点，在高温合金材料设计、高温实验力学方法和应用研究中具有广泛的应用前景。
创新性方法
本文首次将带通滤波成像技术引入高温DIC测量中，有效解决了高温环境下图像质量退化的问题。
高精度测量
实验结果表明，该方法在1000℃高温下仍能实现高精度的全场变形测量，且测量结果与已有数据高度吻合。
广泛的应用前景
该方法适用于多种材料和结构在高温环境下的变形测量，具有重要的工程应用价值。
本文还详细讨论了高温热辐射对图像质量的影响机制，并通过普朗克公式进行了理论分析，为后续研究提供了重要的理论依据。此外，实验过程中采用的瞬态气动热环境模拟系统也为高温实验力学研究提供了新的技术手段。