本發(fā)明涉及時間間隔測量與計量溯源，具體是一種基于高速視頻采集器的時間間隔測量系統(tǒng)。

背景技術：

1、時間間隔作為一項基本的物理量，其精確測量在國防、科研、工業(yè)生產、體育競技以及產品質量檢驗等眾多領域中扮演著至關重要的角色，為了確保測量結果的準確可靠，對各類時間間隔測量設備（如秒表、計時器、示波器、槍彈測速儀等）進行定期的校準或檢定，實現量值溯源至國家時間頻率基準，是計量工作的重要組成部分。

2、然而，在現有技術中，時間間隔的量值傳遞，特別是針對種類繁多、觸發(fā)方式各異的被測設備（dut）進行校準時，存在顯著的技術挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的校準方法通常依賴高精度的時間間隔測量儀作為標準器，通過電信號接口與被測設備進行同步觸發(fā)和比對，但是，當面對大量沒有標準電氣接口、其啟停狀態(tài)只能通過視覺觀察來判斷的設備時（例如機械秒表指針的啟動/停止、電子秒表液晶數字的跳變、槍彈測速儀中彈丸通過特定區(qū)域的物理現象等），傳統(tǒng)電測方法便難以適用，主要問題在于：觸發(fā)不同步引入巨大不確定度，標準器與被測設備之間難以實現理想的同步啟動和停止，無論是人工按鍵觸發(fā)，還是利用簡單的光電開關等方式，都難以避免觸發(fā)時延的不一致性，這種不同步性會引入顯著的測量誤差，尤其在測量較長時間隔或要求高精度時，該誤差甚至可能達到秒級，嚴重影響校準結果的準確性，視覺判讀的主觀性與低效率，對于依賴視覺觀察的設備，人工判讀往往是主要的手段，但這不僅效率低下，而且極易引入人為讀數誤差和反應時間誤差，導致測量結果重復性差、精度不高，自動化程度低，現有針對視覺觸發(fā)設備的校準大多依賴人工操作，自動化程度低，難以滿足大批量、高效率的校準需求。

3、為了解決上述問題，研究人員開始探索使用圖像或視頻技術進行時間間隔測量或設備校準。

4、例如，中國發(fā)明專利?cn103229112b?公開了一種測量包含可視顯示設備的手表精度的方法，該方法在第一時刻?t1?捕捉手表的第一圖像，確定并存儲對應的第一顯示值v1；在時間間隔后的第二時刻?t2?捕捉第二圖像，確定并存儲對應的第二顯示值?v2；最后計算顯示的變化率?(v2-v1)/(t2-t1)，該方法利用圖像捕獲和時間記錄來評估手表走時快慢。

5、再如，中國發(fā)明專利?cn108549845b?公開了一種確定手表表面指針位置的方法，該方法通過攝像頭拍攝手表表面視頻，提取圖像，定位表盤區(qū)域和表針，最終確定指針偏離預設點的角度，該方法著重于通過圖像處理技術（包括異步處理、選擇性忽略幀等）來實時確定指針的空間位置，并考慮了在計算資源有限設備（如手機）上的流暢運行。

6、以上現有技術雖然利用了圖像或視頻技術來處理與時間相關的設備，但還存在一定的局限性，?如：時間分辨率與精度不足，難以滿足高精度時間間隔計量的要求，未能提供一套完整、精確且具備內部校驗機制的量值溯源方案，特別是如何確保視覺事件發(fā)生時刻與標準時間基準之間的高精度、高可靠性關聯，簡單的時間參考源難以保證微秒乃至納秒級的溯源精度和置信度，未能直接針對并有效解決在計量校準場景中普遍存在的、由觸發(fā)不同步引入的顯著測量不確定度問題。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種基于高速視頻采集器的時間間隔測量系統(tǒng)，以解決上述存在的問題。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于高速視頻采集器的時間間隔測量系統(tǒng)，包括：

3、高速視頻采集模塊，配置為采集包含被測設備（dut）的可視化啟停事件特征以及外部標準時間間隔測量儀器視覺顯示的圖像序列，高速視頻采集模塊包括至少兩臺高速攝像機；

4、同步控制與時間信息處理模塊，與高速視頻采集模塊連接，同步控制與時間信息處理模塊包括：外部信號接收單元，配置為接收外部標準時間間隔測量儀器輸出的電信號作為時間基準；

5、同步觸發(fā)信號生成單元，配置為基于電信號生成同步觸發(fā)信號，以驅動至少兩臺高速攝像機以同步且具有預設時間交錯量的方式曝光進行圖像采集；

6、時間戳生成與嵌入單元，配置為基于電信號為采集的圖像序列中的每一幀圖像生成并嵌入可溯源的第一電子時間戳信息；

7、智能圖像分析模塊，配置為處理由高速視頻采集模塊采集的圖像序列，并利用人工智能（ai）模型進行分析，智能圖像分析模塊包括：

8、dut事件特征識別單元，配置為利用ai模型分析圖像序列，以識別dut的啟動事件和停止事件的視覺特征；

9、標準儀器視覺讀數單元，配置為利用ai模型或光學字符識別（ocr）技術分析圖像序列，以識別標準時間間隔測量儀器的視覺顯示時間值，從而獲取第二視覺時間信息源；

10、亞幀級時間插值計算單元，配置為基于第一電子時間戳信息和包含dut啟停事件及視覺顯示時間值變化的相關圖像幀，計算dut啟停事件以及視覺顯示時間值變化發(fā)生的亞幀級精度時刻；

11、數據處理與驗證模塊，配置為與智能圖像分析模塊及同步控制與時間信息處理模塊通信，數據處理與驗證模塊包括：

12、雙源時間信息交叉驗證單元，配置為通過對比分析基于第一時間戳信息的時間與基于第二視覺時間信息的時間，對時間測量鏈路的準確性與一致性進行驗證；

13、時間間隔計算單元，配置為基于交叉驗證單元的驗證結果以及dut啟動事件和停止事件的亞幀級精度時刻，計算dut的時間間隔。

14、同步觸發(fā)信號生成單元生成的同步觸發(fā)信號是用于驅動至少兩臺高速攝像機中的第一臺和第二臺攝像機以預設時間交錯量進行時分復用采集的交錯觸發(fā)信號。

15、時間戳生成與嵌入單元將第一電子時間戳信息寫入每一幀圖像的元數據中，并且第一電子時間戳信息的分辨率達到微秒級或納秒級。

16、智能圖像分析模塊還包括圖像預處理單元，設置在dut事件特征識別單元和標準儀器視覺讀數單元的數據輸入路徑上，配置為對采集的圖像序列執(zhí)行去噪、圖像增強或幾何校正中的至少一種預處理操作。

17、亞幀級時間插值計算單元配置為通過分析事件發(fā)生時刻前后若干幀圖像中、與事件相關的目標特征的像素級位移信息、光流矢量信息或亮度/灰度強度分布變化信息中的至少一種，來計算亞幀級精度時刻。

18、雙源時間信息交叉驗證單元配置為將在由標準儀器視覺讀數單元和亞幀級時間插值計算單元確定的標準儀器視覺顯示時間值發(fā)生變化的特定亞幀級精度時刻的、識別出的視覺時間值，與該特定亞幀級精度時刻對應的第一電子時間戳信息所代表的理論時間值進行比較，以執(zhí)行交叉驗證。

19、還包括自適應光學控制模塊，自適應光學控制模塊包括：光學狀態(tài)評估單元，配置為根據智能圖像分析模塊的輸出或直接分析圖像，評估當前成像質量指標或目標位置狀態(tài)；

20、光學組件驅動單元，配置為響應光學狀態(tài)評估單元的評估結果，控制與高速視頻采集模塊關聯的電動光學組件，以自動調整至少兩臺高速攝像機中至少一臺的對焦參數或視場指向。

21、dut事件特征識別單元和標準儀器視覺讀數單元采用的ai模型是經過針對特定dut事件類型和特定標準儀器顯示樣式訓練的深度學習模型。

22、預設時間交錯量被設置為高速攝像機幀周期的一半。

23、數據處理與驗證模塊還包括不確定度評定單元，配置為綜合考慮以下因素中的至少一部分來評定計算出的dut時間間隔的測量不確定度：第一電子時間戳信息的不確定度、ai模型識別結果的置信度、亞幀級時間插值計算引入的不確定度以及交叉驗證單元得出的時間信息一致性偏差。

24、本發(fā)明的有益效果是：

25、1.利用高速視頻采集作為基礎手段，結合精確的時間戳信息，比傳統(tǒng)手動或簡單電信號觸發(fā)方法更能準確地捕捉事件發(fā)生時刻，有效降低了觸發(fā)不同步帶來的巨大不確定度，通過采用雙高速攝像機進行時分復用交錯采集的技術，有效提高了時間軸上的采樣密度，相當于將系統(tǒng)的有效幀率提高了一倍，進一步增強了對高速瞬變事件的捕捉能力和時間分辨潛力，本發(fā)明引入了亞幀級時間插值算法，該算法能夠深入分析事件發(fā)生前后數幀圖像的像素級信息（如位移、光流、灰度變化等），計算出遠超相機物理幀率限制的事件發(fā)生精確時刻，將時間分辨率提升至微秒量級甚至更高，從而根本性地提高了時間間隔測量的最終精度。

26、2.系統(tǒng)不僅依賴于由外部高精度標準時間間隔儀器產生的電信號驅動生成并嵌入圖像的、高精度的電子時間戳信息作為主時間基準，同時還通過高速攝像機捕捉并利用人工智能技術實時讀取該標準儀器的視覺顯示信息，形成了第二條獨立的時間信息通路，系統(tǒng)內置了交叉驗證功能，能夠實時或事后對比分析這兩條獨立路徑獲取的時間信息的一致性，能夠即時發(fā)現并評估時間測量鏈路中可能存在的偏差、延遲或故障，極大地增強了測量結果的可信度，提供了現有單溯源路徑系統(tǒng)無法比擬的可靠性保障和自我診斷能力。

27、3.應用先進的人工智能（ai）模型（特別是深度學習模型）自動識別被測設備的啟動和停止視覺事件特征，這使得系統(tǒng)能夠處理各種復雜、非標準化的視覺觸發(fā)信號（如指針掠過刻度、特定數字組合出現、物理現象發(fā)生等），擺脫了對簡單閾值或人工判讀的依賴，實現了智能化事件檢測，同樣利用ai或ocr技術實現了對外部標準時間間隔儀器視覺顯示的自動讀取，避免了人工讀數誤差，集成的自適應光學控制功能，能夠自動跟蹤目標、自動調整焦距，無需繁瑣的手動設置，保證了在不同條件下都能獲得高質量的圖像數據，顯著提升了系統(tǒng)的自動化水平和易用性。

28、4.本系統(tǒng)采用非接觸式的高速視覺采集方式，其適用性幾乎不受被測設備接口類型或觸發(fā)方式的限制，只要被測設備或過程具有可觀察的啟停特征即可進行測量或校準，尤其重要的是，它能夠有效解決長期困擾計量領域的視覺觸發(fā)類設備（如各類機械秒表、槍彈測速儀、工業(yè)過程中的某些計時器等）的高精度量值溯源問題，這些設備往往沒有標準電信號輸出，傳統(tǒng)方法難以準確校準，本發(fā)明為此類設備提供了切實可行且精度可靠的校準途徑。

29、5.系統(tǒng)通過連接外部可溯源的標準時間間隔測量儀器，并采用精確的電子時間戳技術，建立了清晰、穩(wěn)固的計量溯源鏈，確保測量結果最終可溯源至國家時間頻率基準，內置的不確定度評定功能遵循國際通行的測量不確定度表示指南（gum），能夠綜合評估包括時間戳精度、ai識別置信度、插值算法誤差、交叉驗證偏差在內的所有顯著不確定度分量，最終輸出包含測量值和其對應合成標準不確定度（或擴展不確定度）的完整測量結果，這使得測量結果不僅精確，而且在科學上是嚴謹和完備的，滿足了高標準計量學應用的要求。

30、6.圖像預處理步驟有助于應對噪聲、光照不均等不利成像條件，自適應光學功能使得系統(tǒng)對安裝位置的微小變動、環(huán)境振動等因素具有更好的耐受性，整體自動化設計減少了人為操作可能引入的錯誤。