在高端裝備制造領域，渦輪機械及航空發(fā)動機等核心裝備的高速旋轉(zhuǎn)部件運行狀態(tài)監(jiān)測，是保障工業(yè)系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對傳統(tǒng)成像技術(shù)在動態(tài)測量場景中的固有局限性，暨南大學科研團隊成功研發(fā)出一種基于單像素探測原理的高速旋轉(zhuǎn)部件實時監(jiān)測系統(tǒng)。該技術(shù)通過創(chuàng)新性融合結(jié)構(gòu)化照明與周期運動同步檢測方法，有效解決了高速旋轉(zhuǎn)物體長時間連續(xù)成像的技術(shù)難題，為工業(yè)設備預知性維護提供了全新的工程化解決方案。

    一、傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的瓶頸與挑戰(zhàn)
    在機械工程領域，對高速旋轉(zhuǎn)部件進行高精度成像監(jiān)測面臨雙重技術(shù)挑戰(zhàn)：一方面，傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)受限于快門響應速度，在處理轉(zhuǎn)速超過10,000轉(zhuǎn)/分鐘的運動物體時，因曝光時間內(nèi)的空間位移導致圖像模糊度指數(shù)級上升；另一方面，縮短曝光時間雖可抑制運動模糊，但會引發(fā)光子采樣不足問題，造成圖像信噪比顯著下降。盡管高速攝像技術(shù)能實現(xiàn)微秒級時間分辨率的動態(tài)捕捉，但其設備成本高昂（單套系統(tǒng)超過百萬元級），且受限于傳感器散熱與數(shù)據(jù)存儲能力，難以滿足工業(yè)現(xiàn)場7×24小時連續(xù)監(jiān)測的實際需求。

    二、單像素成像技術(shù)的創(chuàng)新突破
    暨南大學研究團隊提出的監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)建了"結(jié)構(gòu)光調(diào)制-單像素探測-算法重建"的新型成像架構(gòu)。該系統(tǒng)通過數(shù)字微鏡裝置（DMD）以22,000Hz的調(diào)制頻率投射格雷碼結(jié)構(gòu)光序列，利用單像素探測器采集目標區(qū)域的光強積分信號，結(jié)合壓縮感知算法實現(xiàn)三維形貌重建。區(qū)別于傳統(tǒng)面陣傳感器的并行采樣模式，單像素探測機制具有三大技術(shù)優(yōu)勢：
    超高靈敏度探測：采用InGaAs基單光子雪崩二極管（SPAD）作為探測單元，響應度達0.9A/W，可在10?¹²勒克斯照度下實現(xiàn)有效信號采集；
    寬動態(tài)范圍特性：動態(tài)范圍超過120dB，能夠同時分辨強光反射區(qū)（如渦輪葉片鍍鉻表面）與弱光區(qū)域（如氣膜冷卻孔內(nèi)部）的細節(jié)特征；
    實時同步控制：通過激光觸發(fā)的相位鎖定環(huán)（PLL）電路，實現(xiàn)投影序列與旋轉(zhuǎn)部件的周期運動同步，同步精度達到0.01°機械角度。

    三、系統(tǒng)工作機制與關(guān)鍵技術(shù)
    該監(jiān)測系統(tǒng)的核心技術(shù)路徑包括運動參數(shù)估計與時空同步控制兩個關(guān)鍵模塊：
    （一）旋轉(zhuǎn)狀態(tài)實時感知
    在被測部件表面粘貼激光反射標記點，當轉(zhuǎn)速傳感器（精度±0.1rpm）檢測到轉(zhuǎn)速波動時，內(nèi)置的卡爾曼濾波器實時更新運動模型，預測下一周期的相位偏移量。實驗數(shù)據(jù)表明，該算法在30,000rpm轉(zhuǎn)速下的相位預測誤差小于0.5°。
    （二）結(jié)構(gòu)化照明時序控制
    通過自研的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）控制器，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)光投影與信號采集的納秒級時序同步：當激光測距模塊檢測到葉片通過基準位置時，系統(tǒng)觸發(fā)DMD投射第n幀結(jié)構(gòu)光圖案，單像素探測器同步采集該圖案的光強積分值。經(jīng)過一個完整旋轉(zhuǎn)周期（N片葉片）的信號累加，即可獲得包含目標表面形貌信息的測量矩陣，最終通過凸優(yōu)化算法重建出亞像素級分辨率的三維圖像。

    四、工程應用價值與行業(yè)影響
    該技術(shù)突破了傳統(tǒng)視覺監(jiān)測系統(tǒng)的性能邊界，在工業(yè)檢測領域具有顯著的應用價值：
    預知性維護體系構(gòu)建：通過連續(xù)監(jiān)測葉片型面的幾何參數(shù)變化（如葉尖間隙、前緣磨損量），可在裂紋萌生階段（尺寸變化＞50μm）發(fā)出預警，將設備非計劃停機時間降低60%以上；
    成本效益優(yōu)化：單像素探測器的硬件成本僅為同性能高速相機的1/20，且系統(tǒng)功耗＜50W，滿足航空發(fā)動機內(nèi)置傳感器的嚴苛尺寸與功耗要求；
    跨領域技術(shù)遷移：該技術(shù)架構(gòu)可擴展應用于風電齒輪箱高速齒輪、半導體晶圓切割機主軸等旋轉(zhuǎn)部件的在線檢測，形成通用化的動態(tài)視覺監(jiān)測解決方案。

    暨南大學研發(fā)的單像素成像系統(tǒng)，通過學科交叉創(chuàng)新實現(xiàn)了從基礎理論到工程應用的技術(shù)跨越。該成果不僅為高端裝備的健康管理提供了革命性檢測手段，更展現(xiàn)了單像素成像技術(shù)在極端工業(yè)環(huán)境中的應用潛力。隨著智能感知技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，此類非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)有望成為未來智能制造領域的核心使能技術(shù)，推動設備維護模式從"事后維修"向"預測性維護"的根本性轉(zhuǎn)變。