水下渔网结构监测：DIC技术如何实现高精度形变测量？

项目背景

养殖网箱作为渔业生产的重要装备，其性能与寿命直接影响着渔业的经济效益和可持续性。在台风/洋流中渔网局部变形超限会导致结构失效，基于变形监测的网衣更换策略可明显延长使用寿命。然而，传统的人工测量方法效率低下，且难以在水下隔水条件下实现高精度测量。

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，作为一种非接触式的变形与位移测量方法，近年来在材料科学、土木工程、航空航天等领域大放异彩。那么，DIC能否在隔水介质环境中成功应用，克服水介质折射、水体扰动降低图像对比度的干扰，实现渔网位移的精确测量呢？

挑战：隔水精确测量的难题

水下测量面临两大核心挑战：

1、隔介质观测：无法直接接触被测物体，需通过光学测量系统（如隔玻璃介质/水下摄像头）间接获取图像。

2、环境干扰：水体折射、厚玻璃折射、光照不均等都会影响图像质量，进而影响测量精度。

传统方法如激光位移传感器或应变片往往无法在水下稳定工作，而DIC技术凭借其非接触、高精度、高适应性的特点，成为解决这一难题的理想选择。

核心挑战应对-DIC技术测量方案

玻璃介质与光学窗口：玻璃介质解决了设备防水的核心问题，为DIC测试提供了安全可靠的环境。

成像质量：使用高分辨率相机、合适的镜头和较长的曝光时间，来解决水下渔网观测光线不足问题，确保获取高质量的散斑图像。

光学畸变校正：实验前对玻璃介质观测引起的畸变进行标定，防止玻璃与水的折射引入巨大的测量误差。新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统采用光学畸变校正算法进行标定，提前修正进行原点校准，可以很好地解决介质与折射效应问题。

测量精度：以上应对方案，确保了DIC算法能够以极高的亚像素精度追踪散斑点的运动，从而保证实现精确的位移测量。

隔介质环境DIC测量介绍

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，适用于多介质环境测量（高低温/水下/反射镜/真空）。

问题：图像失真被分解为两个组成部分——折射失真和透镜失真

传统DIC校准模型无法准确校正来自两种不同光路的折射畸变：

空气→玻璃→空气

空气→玻璃→水→玻璃→空气

解决方案：通过精确地确定相机的固有矩阵、外部矩阵和变形参数，对透镜的畸变进行修正，实现通过厚玻璃窗成像甚至对水下渔网进行成像时，可进行精确的数字图像相关（DIC）测量。

水下渔网位移测量应用

1、实验设计

为了模拟真实水下环境，模拟水体流动环境，设计了相似模型实验：

被测对象：一块标准渔网样本网片。

水槽环境：一个玻璃构筑的水槽，可模拟不同水流条件。

2、DIC测量设备

XTDIC三维全场应变测量系统

控制水流与光照的环境模拟系统

在渔网表面贴上随机散斑图案（或利用自然纹理）。

通过DIC相机连续拍摄渔网在受力或动态环境下的图像。

利用DIC算法匹配图像对之间的特征点，计算每个像素点的位移向量。

分析关键部位变形曲线、变形趋势等参数。

3. 水下DIC技术应用的特殊处理

为克服水下图像质量差的问题，实验前采取以下措施：

图像增强：使用图像预处理算法（如对比度增强、去噪滤波）提高图像质量。

多帧融合：通过多帧图像叠加，减少水体晃动和光照不均的影响。

动态标定：在实验前对DIC系统进行畸变修正的标定，确保测量基准准确。

4. 实验过程与结果

静态加载实验：在水下固定渔网，施加不同重量的静态负载，观察位移变化。

动态波浪模拟实验：在水槽中制造波浪，实时记录渔网的动态变形。

三维重建：结合DIC相机采集图像与DIC软件解算分析，实现渔网三维位移场的可视化。

DIC技术测量结果：

位移精度：可达到亚像素级（0.01像素），对应实际位移误差小于0.1mm。

变形分布：清晰呈现渔网边缘与中部的位移差异，验证了DIC对复杂变形的捕捉能力。

三维可视化：通过DIC软件生成的彩色位移图与变形云图，直观展示渔网在水下的形变趋势。

关键点位移分析曲线

在渔网上选取3个关键节点（如角点、交叉点、边缘中点等），记录其在实验过程中的位移变化。以下是典型节点的三维位移分析曲线：

节点位移曲线：

时间/帧数：横轴，表示实验进程。

位移（mm）：纵轴，表示节点在X、Y、Z方向的位移。

曲线特点：呈现明显波动变形趋势，受水流影响明显，Z方向位移（垂直于网面）最大。

节点曲线特点：渔网位移随呈周期性振荡，可视化反映渔网不同位置、不同节点受水流波动影响的位移情况。

dic技术应用与实验价值

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，通过厚玻璃窗成像甚至对水下标本进行成像时，采用光学畸变校正标定，直接获取被测物在真实服役环境中的全场变形行为，为极端环境装备的设计验证、性能评估、安全保证和失效分析提供关键数据支撑，是推动相关领域技术进步的重要实验手段。