单像素成像系统：革新高速旋转部件监测技术

    在高端装备制造领域，涡轮机械及航空发动机等核心装备的高速旋转部件运行状态监测，是保障工业系统安全可靠运行的关键环节。针对传统成像技术在动态测量场景中的固有局限性，暨南大学科研团队成功研发出一种基于单像素探测原理的高速旋转部件实时监测系统。该技术通过创新性融合结构化照明与周期运动同步检测方法，有效解决了高速旋转物体长时间连续成像的技术难题，为工业设备预知性维护提供了全新的工程化解决方案。

    一、传统监测技术的瓶颈与挑战
    在机械工程领域，对高速旋转部件进行高精度成像监测面临双重技术挑战：一方面，传统光学成像系统受限于快门响应速度，在处理转速超过10,000转/分钟的运动物体时，因曝光时间内的空间位移导致图像模糊度指数级上升；另一方面，缩短曝光时间虽可抑制运动模糊，但会引发光子采样不足问题，造成图像信噪比显著下降。尽管高速摄像技术能实现微秒级时间分辨率的动态捕捉，但其设备成本高昂（单套系统超过百万元级），且受限于传感器散热与数据存储能力，难以满足工业现场7×24小时连续监测的实际需求。

    二、单像素成像技术的创新突破
    暨南大学研究团队提出的监测系统，构建了"结构光调制-单像素探测-算法重建"的新型成像架构。该系统通过数字微镜装置（DMD）以22,000Hz的调制频率投射格雷码结构光序列，利用单像素探测器采集目标区域的光强积分信号，结合压缩感知算法实现三维形貌重建。区别于传统面阵传感器的并行采样模式，单像素探测机制具有三大技术优势：
    超高灵敏度探测：采用InGaAs基单光子雪崩二极管（SPAD）作为探测单元，响应度达0.9A/W，可在10⁻¹²勒克斯照度下实现有效信号采集；
    宽动态范围特性：动态范围超过120dB，能够同时分辨强光反射区（如涡轮叶片镀铬表面）与弱光区域（如气膜冷却孔内部）的细节特征；
    实时同步控制：通过激光触发的相位锁定环（PLL）电路，实现投影序列与旋转部件的周期运动同步，同步精度达到0.01°机械角度。

    三、系统工作机制与关键技术
    该监测系统的核心技术路径包括运动参数估计与时空同步控制两个关键模块：
    （一）旋转状态实时感知
    在被测部件表面粘贴激光反射标记点，当转速传感器（精度±0.1rpm）检测到转速波动时，内置的卡尔曼滤波器实时更新运动模型，预测下一周期的相位偏移量。实验数据表明，该算法在30,000rpm转速下的相位预测误差小于0.5°。
    （二）结构化照明时序控制
    通过自研的现场可编程门阵列（FPGA）控制器，实现结构光投影与信号采集的纳秒级时序同步：当激光测距模块检测到叶片通过基准位置时，系统触发DMD投射第n帧结构光图案，单像素探测器同步采集该图案的光强积分值。经过一个完整旋转周期（N片叶片）的信号累加，即可获得包含目标表面形貌信息的测量矩阵，最终通过凸优化算法重建出亚像素级分辨率的三维图像。

    四、工程应用价值与行业影响
    该技术突破了传统视觉监测系统的性能边界，在工业检测领域具有显著的应用价值：
    预知性维护体系构建：通过连续监测叶片型面的几何参数变化（如叶尖间隙、前缘磨损量），可在裂纹萌生阶段（尺寸变化＞50μm）发出预警，将设备非计划停机时间降低60%以上；
    成本效益优化：单像素探测器的硬件成本仅为同性能高速相机的1/20，且系统功耗＜50W，满足航空发动机内置传感器的严苛尺寸与功耗要求；
    跨领域技术迁移：该技术架构可扩展应用于风电齿轮箱高速齿轮、半导体晶圆切割机主轴等旋转部件的在线检测，形成通用化的动态视觉监测解决方案。

    暨南大学研发的单像素成像系统，通过学科交叉创新实现了从基础理论到工程应用的技术跨越。该成果不仅为高端装备的健康管理提供了革命性检测手段，更展现了单像素成像技术在极端工业环境中的应用潜力。随着智能感知技术与工业互联网的深度融合，此类非接触式监测系统有望成为未来智能制造领域的核心使能技术，推动设备维护模式从"事后维修"向"预测性维护"的根本性转变。