本發(fā)明屬于含有亞表面缺陷試件的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)械設(shè)備或者構(gòu)件的質(zhì)量安全成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問(wèn)題。紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)于設(shè)備的安全運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量控制以及確保裝備處于安全可靠狀態(tài)起到了不可或缺的作用。紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前一項(xiàng)著重發(fā)展的新型數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)。與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，它具有適用范圍廣、非接觸、速度快、可在現(xiàn)場(chǎng)使用、精度高、使用安全以及操作簡(jiǎn)便、便于定性分析等優(yōu)點(diǎn)，并且它將物體表面溫度分布以熱圖像的形式展現(xiàn)出來(lái)，可視化程度高。近幾年紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已成為在導(dǎo)彈、飛機(jī)等航空航天武器系統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中最具有發(fā)展前途的新技術(shù)。

對(duì)于紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，雖然國(guó)際上已經(jīng)掌握了較高水準(zhǔn)，但是目前的理論基礎(chǔ)局限于普通材料規(guī)則型缺陷的檢測(cè)及圖像處理上，也缺乏對(duì)于復(fù)雜缺陷的相關(guān)研究，并且對(duì)亞表面缺陷的研究多將缺陷設(shè)計(jì)為平底洞，采用高能閃光燈作為熱激勵(lì)源進(jìn)行面加熱，對(duì)缺陷的深度和大小進(jìn)行探討。而實(shí)際上缺陷類型、厚度、環(huán)境溫度與輻射以及熱像儀精度等因素均對(duì)檢測(cè)效果有很大的影響。例如當(dāng)內(nèi)部缺陷與檢測(cè)面有一定的傾角時(shí)，采用上述方法對(duì)于缺陷深度、面積和幾何形狀的研究將會(huì)產(chǎn)生較大偏差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法，以有利于對(duì)亞表面缺陷進(jìn)行量化評(píng)估，解決采用面激勵(lì)時(shí)對(duì)亞表面缺陷的定量分析問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、熱響應(yīng)信號(hào)的采集

采用線熱源的激勵(lì)線圈對(duì)試件無(wú)缺陷處進(jìn)行加熱，記錄線圈處熱圖像中指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)i0；

然后令激勵(lì)線圈和紅外熱像儀的位置固定不動(dòng)，從試件邊緣位置開(kāi)始依次進(jìn)行加熱，記錄線圈處熱圖像中，與指定像素點(diǎn)同一像素位置像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)ik；

每次加熱之后等待幾分鐘，待試件溫度趨于均勻之后，采用五相步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定步長(zhǎng)沿線熱源的激勵(lì)線圈的垂直方向移動(dòng)試件(線掃描)，并開(kāi)始下一次加熱及記錄，這樣得到一組熱響應(yīng)信號(hào)ik，k＝1,2,…,k，k為加熱記錄次數(shù)；

(2)、相位差的求解

采集得到的熱響應(yīng)信號(hào)的頻域信息中含有大量的諧波分量，采用傅里葉變換對(duì)每一熱響應(yīng)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，將其分解為無(wú)限個(gè)不同正弦諧波分量的疊加；

選取試件無(wú)缺陷處獲得的指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)i0中幅度值最大的頻率f0，計(jì)算其他(加熱源位置)位置處指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)ik在頻率f0的相位差△pk，各位置的相位差△pk依據(jù)位置進(jìn)行排列，構(gòu)成相位差分布圖；

(3)、缺陷形狀的重構(gòu)

對(duì)于每一加熱源位置，根據(jù)其相位差△pk反演出加熱源位置的深度，然后以加熱源位置處為圓心，以求得的對(duì)應(yīng)深度為半徑做半圓，所有半圓的包絡(luò)線即構(gòu)成缺陷重構(gòu)輪廓圖，在缺陷重構(gòu)輪廓圖中包含有缺陷的深度信息，然后結(jié)合相位差分布圖，重構(gòu)出缺陷的形狀。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法，分為熱響應(yīng)信號(hào)的采集過(guò)程、有缺陷區(qū)域和無(wú)缺陷區(qū)域相位差求解過(guò)程，以及采用包絡(luò)線對(duì)缺陷形狀重構(gòu)過(guò)程三部分。采用線熱源對(duì)試件進(jìn)行線掃描，然后對(duì)采集的加熱源位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分析，求出其他位置和無(wú)缺陷處對(duì)應(yīng)的相位差，根據(jù)相位差反演出缺陷的深度，然后根據(jù)各個(gè)位置線掃描的結(jié)果即深度，求得的深度做包絡(luò)線，最終根據(jù)包絡(luò)線估計(jì)缺陷的形狀。本發(fā)明能夠?qū)Σ灰?guī)則缺陷的形狀進(jìn)行估計(jì)和重構(gòu)，有利于對(duì)缺陷進(jìn)行量化評(píng)估，解決了采用面激勵(lì)時(shí)對(duì)此類缺陷的定量分析問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是試件缺陷一種實(shí)例的形狀和尺寸示意圖；

圖3是本發(fā)明表面缺陷形狀的重構(gòu)方法的流程圖；

圖4是試件掃描示意圖；

圖5是三角形缺陷相位差分布圖；

圖6是三角形缺陷重構(gòu)形狀與實(shí)際形狀對(duì)比圖；

圖7是矩形槽缺陷相位差分布圖；

圖8是矩形槽缺陷重構(gòu)形狀與實(shí)際形狀對(duì)比圖；

圖9是階梯形缺陷相位差分布圖；

圖10是階梯形缺陷重構(gòu)形狀與實(shí)際形狀對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

圖1是紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)通常由四部分組成：(1)熱激勵(lì)部分(感應(yīng)加熱源和激勵(lì)線圈)；(2)紅外熱圖像采集部分(紅外熱像儀)；(3)控制試件移動(dòng)部分(步進(jìn)電機(jī))；(4)紅外熱圖像處理和分析部分(計(jì)算機(jī))；此外，還包括一個(gè)脈沖發(fā)生器輸出同步觸發(fā)信號(hào)給紅外熱像儀以及感應(yīng)加熱源，使其二者保持同步。

熱激勵(lì)部分的作用是為實(shí)驗(yàn)提供熱源，對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行加熱；紅外熱圖像采集部分主要依靠紅外熱像儀對(duì)被測(cè)試件的表面溫度進(jìn)行采集；控制試件移動(dòng)部分主要采用步進(jìn)電機(jī)控制被測(cè)試件每次移動(dòng)固定的距離；紅外熱圖像處理及分析部分主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷出缺陷的相關(guān)信息。

檢測(cè)時(shí)，首先調(diào)整紅外熱像儀與被測(cè)試件之間的距離，使被測(cè)試件位置在視頻窗口之內(nèi)，然后調(diào)整紅外熱像儀的焦距，使所拍攝圖像清晰。調(diào)整脈沖發(fā)生器(函數(shù)發(fā)生器來(lái)具體實(shí)現(xiàn))輸出方波的脈寬作為同步觸發(fā)信號(hào)控制加熱時(shí)間。準(zhǔn)備工作完成之后，先打開(kāi)水泵，然后再打開(kāi)感應(yīng)加熱源，這樣可以保證感應(yīng)加熱源不會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。按下函數(shù)發(fā)生器的方波輸出按鈕觸發(fā)加熱源，同時(shí)令紅外熱像儀記錄加熱過(guò)程。

在本實(shí)施例中，紅外熱像儀幀頻為50hz，加熱時(shí)間為2.5s，實(shí)驗(yàn)中采集600幀熱圖像作為后期的數(shù)據(jù)處理。

圖2是試件缺陷一種實(shí)例的形狀和參數(shù)示意圖。

在本實(shí)施例中，如圖2所示，采用的試件是鋁平板試件。鋁平板的尺寸為220mm*50mm，厚度為5mm。試件下方人工制作了三角形、矩形槽和階梯形缺陷。待測(cè)試件的熱物性參數(shù)與仿真過(guò)程中的參數(shù)保持一致。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，由于試件表面明亮，熱發(fā)射率低且有較強(qiáng)的反光作用，使得紅外熱像儀檢測(cè)到虛假的溫度，影響檢測(cè)的可靠性，因此在試件的被檢測(cè)面噴涂一層黑漆，提高試件表面的熱發(fā)射率和檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3是本發(fā)明熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法的流程圖。

在本實(shí)施例中，如圖3所示，本發(fā)明熱成像檢測(cè)中的亞表面缺陷形狀重構(gòu)方法包括熱響應(yīng)信號(hào)的采集s1、有缺陷區(qū)域和無(wú)缺陷區(qū)域相位差的求解s2，以及缺陷形狀的重構(gòu)s3三部分。下面對(duì)每一部分進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1、熱響應(yīng)信號(hào)的采集

采用線熱源的激勵(lì)線圈對(duì)試件無(wú)缺陷處，如圖4所示的a處進(jìn)行加熱，記錄激勵(lì)線圈處熱圖像中指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)i0。在本實(shí)施例中，熱圖像有600幀，則指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)i0為該像素點(diǎn)在600幀熱圖中的像素值構(gòu)成的曲線。

如圖4所示，按照?qǐng)D中所示的箭頭方向在缺陷正上方進(jìn)行線掃描，同時(shí)利用紅外熱像儀記錄試件表面溫度分布，即：

令激勵(lì)線圈和紅外熱像儀的位置固定不動(dòng)，從試件邊緣位置開(kāi)始依次進(jìn)行加熱，記錄激勵(lì)線圈處熱圖像中，與指定像素點(diǎn)同一像素位置像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)ik。

每次加熱之后等待幾分鐘，待試件溫度趨于均勻之后，采用五相步進(jìn)電機(jī)以設(shè)定步長(zhǎng)沿線熱源的激勵(lì)線圈的垂直方向移動(dòng)試件(線掃描)，并開(kāi)始下一次加熱及記錄，這樣得到一組熱響應(yīng)信號(hào)ik，k＝1,2,…,k，k為加熱記錄次數(shù)。在本實(shí)施例中，步長(zhǎng)為1.5mm，為了更好驗(yàn)證本發(fā)明，在缺陷中心，步長(zhǎng)為1mm。

2、相位差的求解

相位信息不受溫度升高多少的影響，只與溫度的變化趨勢(shì)有關(guān)，微小的溫度變化就可引起較大的相位差異，并且能夠抑制不均勻加熱對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。

在本發(fā)明中，采集得到的熱響應(yīng)信號(hào)的頻域信息中含有大量的諧波分量，采用傅里葉變換對(duì)每一熱響應(yīng)信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，并且被分解為無(wú)限個(gè)不同正弦諧波分量的疊加，它的頻域范圍在理論上為(0，∞)，從而可以得到特定頻率的相位信息。由于采樣得到的溫度變化信號(hào)通常為低頻信號(hào)，因此通常采用低頻段的相位差作為后續(xù)求取缺陷深度的載體。

選取試件無(wú)缺陷處獲得的指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)i0中幅度值最大的頻率f0，計(jì)算其他(加熱源位置)位置處指定像素點(diǎn)的熱響應(yīng)信號(hào)ik在頻率f0的相位差△pk，各位置的相位差△pk依據(jù)位置進(jìn)行排列，構(gòu)成相位差分布圖。

3、缺陷形狀的重構(gòu)

由于缺陷的深度和頻率之間存在著必然的聯(lián)系，通過(guò)提取與頻率相關(guān)的相位信息可以對(duì)缺陷的深度信息進(jìn)行估算。

對(duì)于每一加熱源位置，根據(jù)其相位差△pk反演出加熱源位置的深度，然后以加熱源位置處為圓心，以求得的對(duì)應(yīng)深度為半徑做半圓，所有半圓的包絡(luò)線即構(gòu)成缺陷重構(gòu)輪廓圖，在缺陷重構(gòu)輪廓圖中包含有缺陷的深度信息，然后結(jié)合相位差分布圖，重構(gòu)出缺陷的形狀。

之所以對(duì)于缺陷形狀的估計(jì)，要結(jié)合相位差分布圖和缺陷重構(gòu)輪廓圖，是由于相位差分布圖中可以反映出缺陷的形態(tài)，在缺陷輪廓重構(gòu)圖中包含有缺陷的深度信息。

重構(gòu)實(shí)驗(yàn)

1、三角形缺陷量化分析

對(duì)三角形缺陷，采集的熱響應(yīng)信號(hào)i0以及一組熱響應(yīng)信號(hào)ik按照步驟(2)的方法進(jìn)行求解處理后，得到的相位差分布圖如圖5所示。從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)得出的曲線形態(tài)與理論(仿真)時(shí)的情況類似，只是由于在實(shí)際操作中，受各種干擾因素的影響，使得曲線沒(méi)有仿真得到的曲線那樣光滑，略有波折。由于三角形缺陷在邊緣處反射面較小，導(dǎo)致該深度處在頻率0.385hz時(shí)為負(fù)，這與采用脈沖相位法的實(shí)際情況相符。在三角形缺陷的頂點(diǎn)處，雖然它與檢測(cè)面的距離最近，但由于反射面只有一個(gè)點(diǎn)，使得此處相位差小于鄰近點(diǎn)的相位差。

由于選用擬合函數(shù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的缺陷大小一定，深度不斷變化，且取樣點(diǎn)在缺陷中心處，因此得出的相位差不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值的情況。故而導(dǎo)致在三角形和階梯形缺陷的深度反演中出現(xiàn)深度比試件實(shí)際深度大的情況，其形狀勾勒?qǐng)D如6所示。從圖6中可以看出，在缺陷頂角處勾勒的形狀偏差較大，這是因?yàn)槠溆行娣e小，反射的熱量有限，導(dǎo)致其相位差與深度較深但有效面較大的缺陷的相位差類似，因此看到尖端處出現(xiàn)了近似為一條直線的結(jié)果。

2、矩形槽缺陷量化分析

對(duì)于矩形槽缺陷，采集的熱響應(yīng)信號(hào)i0以及一組熱響應(yīng)信號(hào)ik按照步驟(2)的方法進(jìn)行求解處理后，得到的相位差分布圖如圖7所示。從圖7可以看出，與理論(仿真)結(jié)果有相似的曲線形態(tài)。在缺陷邊緣處相位差最小，隨著加熱源向缺陷中心靠近，相位差先快速增長(zhǎng)然后增長(zhǎng)速率變緩，當(dāng)體積-深度比達(dá)到9之后相位差基本不再變化。根據(jù)相位差反演出對(duì)應(yīng)的缺陷深度，勾勒出缺陷的形狀如圖8所示。在中心位置附近的包絡(luò)線近似為一條直線，與矩形槽缺陷平行，可以看出在缺陷的體積-深度比達(dá)到某一個(gè)值之后，能夠較精確的對(duì)缺陷形狀進(jìn)行估計(jì)。

3、階梯形缺陷量化分析

對(duì)于階梯形缺陷，采集的熱響應(yīng)信號(hào)i0以及一組熱響應(yīng)信號(hào)ik按照步驟(2)的方法進(jìn)行求解處理后，得到的相位差分布圖如圖9所示。從圖9中可以明顯地觀測(cè)到在臺(tái)階的分階處相位差-深度函數(shù)的斜率發(fā)生了改變。對(duì)于深度為3mm的臺(tái)階，相位差增長(zhǎng)速率較緩；當(dāng)熱源掃描到深度為1mm的臺(tái)階時(shí)，熱源移動(dòng)相同的距離便會(huì)產(chǎn)生較大的相位差，隨著熱源向缺陷中心靠近，相位差增長(zhǎng)速率開(kāi)始變緩，這是因?yàn)殡S著體積-深度比增大，在同一個(gè)頻率下相位差的增長(zhǎng)量變小。

根據(jù)得到的深度勾勒出的缺陷形狀如圖10所示。從圖10中可以看出在深度為1mm臺(tái)階處對(duì)于深度估計(jì)能夠得到較好的結(jié)果。對(duì)于深度為3mm的臺(tái)階，一方面由于深度相比1mm時(shí)深且橫向?qū)挾容^小使得其有效面積較小，另一方面由于1mm深度的臺(tái)階會(huì)阻礙熱量的流動(dòng)，造成對(duì)深度的估計(jì)偏差較大，導(dǎo)致對(duì)其形狀的估計(jì)存在較大的偏差。

從上述重構(gòu)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，本發(fā)明能夠?qū)Σ灰?guī)則缺陷的形狀進(jìn)行估計(jì)和重構(gòu)，有利于對(duì)缺陷進(jìn)行量化評(píng)估，解決了采用面激勵(lì)時(shí)對(duì)此類缺陷的定量分析問(wèn)題。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。