一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種固定視場脈沖激勵紅外熱波脈沖相位無損檢測方法。綜合運用復調(diào)制Zoom-FFT細化譜方法、熱波數(shù)據(jù)擬合擴展方法和零相位數(shù)字濾波器方法，對采集到的熱激勵前后連續(xù)等間隔的紅外熱波圖像序列，進行高精度的頻譜分析，從而快速獲得精密的超低頻的熱像相位圖和幅值圖，進而實現(xiàn)對設備缺陷或損傷的檢測與識別。本發(fā)明方法同現(xiàn)有技術相比，熱像的采集頻率、采集時間、采集幀數(shù)和分析的細化程度不僅可根據(jù)實際檢測需要靈活設置，而且檢測速度、細化程度和精密程度均提高十倍，缺陷檢測效果和檢測深度也能實現(xiàn)成倍增長，同時還降低了對計算機硬件的要求，使得該方法使用靈活，特別適合于現(xiàn)場紅外熱波無損檢測，有廣闊的應用前景。
【專利說明】一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于熱波無損檢測圖像處理【技術領域】，涉及一種固定視場的紅外熱波脈沖 相位無損檢測方法。

【背景技術】
[0002] 熱波（Thermal Wave)無損檢測技術是上個世紀90年代由美國航空航天和國防領 域興起的一種新型的無損檢測技術。從1990年以來，國內(nèi)外許多國家積極開展熱波理論與 技術的研究，隨著計算機水平和紅外熱像儀精度的不斷提高，目前這項技術在航空航天、石 油化工、建筑、電力、醫(yī)學等領域有了日益廣泛的應用。熱波檢測技術的理論基礎是熱波傳 導理論和熱輻射定律，研究的重點是變化性熱源（如周期、脈沖、階梯函數(shù)熱源等）與被檢 測對象及其幾何結(jié)構之間的相互作用。被加熱后，不同的材料表面及表面以下的物理結(jié)構 特性和邊界條件將影響熱波的傳輸并將影響材料表面的溫度場變化。通過控制熱激勵方法 和利用熱像儀探測材料表面的溫度場變化及專門的熱像序列處理技術等關鍵技術進行無 損檢測。其檢測原理如圖1所示。
[0003] 脈沖相位法（Pulsed Phase Thermography, PPT)，又叫傅里葉變換法，最早是由 X.Maldague等人提出來的，是綜合了脈沖熱像法（Pulsed Thermography, PT)和鎖相熱像 法（MT，又稱"L0CK-IN"熱像技術）MT技術而發(fā)展起來的一種熱波圖像處理方法，由于在脈 沖激勵熱波中包含全頻帶頻率成分，而在鎖相調(diào)制中一次只有一種熱激勵頻率，將二者結(jié) 合起來，即通過傅里葉變換對脈沖激勵熱像序列的不同頻率進行一次相位譜分析，可以同 時得到眾多不同頻率成分的所對應的相位圖像序列，從中找出對缺陷最敏感（或稱為最清 晰）的脈沖相位對應的頻率及其圖像，就可以進行有效的檢測和測量，該方法既有脈沖輻 射測量檢測速度快的特點，又有調(diào)制輻射測量抗干擾能力強、信號分析簡單的優(yōu)點，不僅可 以用在閃光燈脈沖激勵型熱波圖像序列處理中，而且也可以用在寬時窗直流熱激勵型熱波 圖像序列處理領域，是一種很有前途的熱波無損檢測方法。但是，由于PPT方法是基于快速 傅里葉分析（FFT)運算的，難免會發(fā)生頻譜泄露和柵欄現(xiàn)象，使得普通的頻譜精度較低，信 號的幅值、相位與頻率的確定，也都由于采樣定理、傅立葉變換的性質(zhì)和工程實際的限制， 難以獲得精確的結(jié)果，特別是頻率和相位難以達到很高的分辨率，使得熱波圖像序列的定 性分析、定量計算與真實情況偏差較大。近年來的很多研究表明PPT分析的最優(yōu)頻率通常 在低頻段，往往是1 % Hz量級水平，并且隨著缺陷深度的增加，其最優(yōu)分析頻率逐步減小。 因此，工程上總是希望在這些特定頻率的附近有較高的頻率分辨率，能夠?qū)π盘柕念l率進 行精確的估計，這樣得到的檢測效果會更好，其結(jié)果也更加可靠。
[0004] 按照頻率分辨率是采樣頻率與采樣數(shù)據(jù)量的比值的原理，要提高頻率分辨率，可 通過三條途徑來實現(xiàn)：1)降低采樣頻率。這樣做會使可分析的頻譜范圍縮小，并且有可能 因不滿足采樣定理而發(fā)生頻率混疊現(xiàn)象；2)增加采樣點數(shù)，即進行長時間的采樣觀測。這 需要增加硬件的存儲量和計算量，由于受到系統(tǒng)硬、軟件資源的限制，這樣做并不是總能實 現(xiàn)；3)在降低采樣頻率的同時增加采樣點數(shù)，這樣做，對于普通材料試件PPT分析，要想達 到0. 002Hz的頻率分辨率，如果采樣頻率為2Hz，就需要500秒（8. 3分鐘）的采樣時間，顯 然，這樣做就失去了脈沖法快捷的特點，也難以滿足實際工程檢測的需要。
[0005] 針對這些問題，近年來人們開始采用頻譜細化的方法對PPT方法進行改進。目前， 頻譜細化技術主要有復調(diào)制細化FFT(Zoom-FFT)、相位補償細化法、小波分析細化等方法。 其中復調(diào)制Zoom-FFT方法分析精度高、容易實現(xiàn)、控制靈活且計算效率高，該方法在基帶 FFT分析的基礎上先獲取全景譜，進而對頻譜中最優(yōu)特征頻率處的一個頻段進行局部放大 細化，增加譜線密度，以足夠高的頻率分辨率進行頻譜的細致分析，從而獲取更準確的頻率 信息。上述現(xiàn)有的頻譜細化方法主要集中于幅值譜和功率譜的細化，而對于PPT方法的核 心相位分析研究還不多，特別是對頻譜細化過程中的降頻采樣的數(shù)據(jù)長度與細化倍數(shù)成同 樣倍數(shù)增長，其來源一般只能用補〇的方法，與實際情況不符，且缺乏有效的改進措施，嚴 重限制了細化譜分析技術的應用。
[0006] 綜上所述，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)一種簡單易行、切實有效的方法，能夠?qū)t外熱 波脈沖相位圖像做精密的處理，以滿足對裝備缺陷的快速無損檢測與識別的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對上述現(xiàn)有的技術狀況，本發(fā)明的目的在于，提供一種簡單易行、切實有效、能 夠滿足對紅外熱波脈沖相位圖像做精密處理和對裝備缺陷快速無損檢測識別需要的一種 固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法。
[0008] 現(xiàn)將本發(fā)明技術解決方案敘述如下：
[0009] 本發(fā)明一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在于：綜合運用 復調(diào)制Zoom-FFT細化譜方法、熱波數(shù)據(jù)擬合擴展方法和零相位數(shù)字濾波器方法，對采集到 的熱激勵前后連續(xù)等間隔的紅外熱波圖像序列，進行高精度的頻譜分析，包括如下步驟：
[0010] 步驟1 :用脈沖熱像法（PT)獲取被測試件熱波圖像序列，并記錄與采樣處理相關 的參數(shù)；
[0011] 步驟2 :根據(jù)多項式數(shù)據(jù)擬合方法，對所有像素溫度隨時間變化序列進行統(tǒng)一階 數(shù)的最小二乘對數(shù)擬合，得到所有序列的擬合系數(shù)表；
[0012] yiJ = Cijo+Cmt+Cwt2+…+ciJ5t5 (I)
[0013] 其中i、j代表像素所在的行與列，t代表時間，c為擬合系數(shù)；
[0014] 步驟3 :運用擬合系數(shù)表和3?5階多項式標準公式，按照被測試件熱波圖像序列 的熱像采樣參數(shù)生成等時間間隔序列，代入多項式標準公式重建和還原所有的被測試件熱 波圖像序列；所述被測試件熱波圖像序列的熱像采樣參數(shù)包括采用幀數(shù)、采用幀頻、熱像寬 度和熱像高度。
[0015] 步驟4 :設置細化倍數(shù)與相關參數(shù)，用擬合公式對數(shù)據(jù)進行延拓，經(jīng)過復調(diào)制移 頻、低通數(shù)字濾波、重新抽樣、FFT頻譜分析、頻率調(diào)整步驟，得到原采樣序列在某一頻帶內(nèi) 的頻譜特性和頻率分辨率更精密的信息；
[0016] 步驟5 :對所有的熱波圖像序列進行精密脈沖相位法（APPT)分析，獲得最優(yōu)化的 精確相位圖，并據(jù)此進行缺陷檢測與分析，包括相位調(diào)整、缺陷檢測與識別步驟。
[0017] 本發(fā)明進一步提供一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：步驟1中所述的脈沖熱像法（PT)所用的脈沖熱激勵包括高能閃光燈、超聲、直流、通電 類短時間加熱激勵所生成的熱波圖像序列；所述的被測試件熱波像素點數(shù)據(jù)序列的熱傳導 規(guī)律滿足如公式（2)所示：

【權利要求】
1. 一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在于：綜合運用復調(diào)制細 化譜（Zoom-FFT)方法、熱波數(shù)據(jù)擬合擴展方法和零相位數(shù)字濾波器方法，對采集到的熱激 勵前后連續(xù)等間隔的紅外熱波圖像序列，進行高精度的頻譜分析，包括如下步驟： 步驟1 :用脈沖熱像法（PT)獲取被測試件熱波圖像序列，并記錄與采樣處理相關的參 數(shù)； 步驟2 :根據(jù)多項式數(shù)據(jù)擬合方法，對所有像素溫度隨時間變化序列進行統(tǒng)一階數(shù)的 最小二乘對數(shù)擬合，得到被測試件所有序列的擬合系數(shù)表； Yij - Cij(l+Cijlt+Cij2t + …+Ci：j5t (2) 其中i、j代表像素所在的行與列，t代表時間，c為擬合系數(shù)； 步驟3 :運用擬合系數(shù)表和3?5階多項式標準公式，按照被測試件熱波圖像序列的熱 像采樣參數(shù)生成等時間間隔序列，代入多項式標準公式（2)重建和還原所有的被測試件熱 波圖像序列；所述被測試件熱波圖像序列的熱像采樣參數(shù)包括采用幀數(shù)、采用幀頻、熱像寬 度和熱像高度； 步驟4 :設置細化倍數(shù)與相關參數(shù)，用擬合公式對數(shù)據(jù)進行延拓，經(jīng)過復調(diào)制移頻、低 通數(shù)字濾波、重新抽樣、FFT頻譜分析、頻率調(diào)整步驟，得到原采樣序列在某一頻帶內(nèi)的頻譜 特性和頻率分辨率更精密的信息； 步驟5 :對所有的熱波圖像序列進行精密脈沖相位法（APPT)分析，獲得最優(yōu)化的精確 相位圖，并據(jù)此進行缺陷檢測與分析，包括相位調(diào)整、缺陷檢測與識別。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：步驟1中所述的脈沖熱像法（PT)所用的脈沖熱激勵包括高能閃光燈、超聲、直流、通電 類短時間加熱激勵所生成的熱波圖像序列；所述的被測試件熱波像素點數(shù)據(jù)序列的熱傳導 規(guī)律滿足公式（1):
式中：T(0，t)為被測表面溫度隨時間變化規(guī)律模型，其有缺陷和無缺陷處的熱波流場 在缺陷處的反射后溫度下降曲線有明顯的差別，且隨著時間的推進，其缺陷信息在熱波圖 像上表現(xiàn)為溫度場分布；對于厚度為h的材料，在脈沖熱流q的作用下，P為材料密度，c為 材料比熱。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征 在于：步驟2中所述的數(shù)據(jù)擬合方法的前提是，若紅外熱波圖像上每個像素點不同時刻 的溫度值或紅外輻射強度所組成的時間序列為足y =丨$^? = …^丨，則紅外熱波圖 像序列表示成像素序列的集合-S' =以:,."=丨，2.=丨，2,…，紙./ == 1二…乂??；其中， n代表幀的序號，N代表總幀數(shù)，M是熱像的總行數(shù)，L是熱像的總列數(shù)；然后對所有序列 = 1，2，...，7V的時間和幅值取對數(shù)，進行最小二乘擬合，具體如下： 步驟2. 1 :消除基礎紅外熱輻射：將閃光前10?26幀的數(shù)據(jù)序列進行平均，獲得基礎 熱福射Kli,然后從序列Si;j扣除基礎福射，得到新的序列 步驟2. 2 :抽取有效序列：先找到序列最大值位置tm，即閃光截至位置，然后以該點為 起點，將其后的時間序列數(shù)據(jù)作為有效序列再重新設定數(shù)據(jù)長度P = n-tjl，并生成時 間變量序列h = {1，2,…，p}; 步驟2. 3 :進行多項式數(shù)據(jù)擬合：對時間變量序列和有效代表序列分別進行對數(shù)變換， 然后統(tǒng)一按多項式標準公式（2)采用3?5階多項式和殘差控制水平，對兩個對數(shù)序列進 行非等間距的最小二乘數(shù)據(jù)擬合，獲得相應的擬合系數(shù)= {〇_，Cip . . .，cij5}。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：所述步驟3中的"被測試件熱波圖像序列重建"的具體方法是：根據(jù)步驟2. 3的熱像采 集參數(shù)P和擬合系數(shù)表Cy按照時間變量序列& = {1，2, ...，p}對數(shù)形式，代人多項式標 準公式（2)重建和還原所有熱像序列，對每個數(shù)據(jù)要做一次指數(shù)運算，還原原來的溫度變 化規(guī)律，重建熱波圖像序列。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：所述步驟4中精密脈沖相位法（APPT)包括：復調(diào)制移頻、低通數(shù)字濾波、重新抽樣、FFT 頻譜分析與頻率調(diào)整步驟，具體為： 步驟4. 1:復調(diào)制移頻 復調(diào)制移頻是指將頻域坐標向左或向右移動，使得被觀察的頻段的起點移動到頻域坐 標的零頻位置，模擬溫度信號X (t)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，得到離散的信號Xtl (n)，設要觀測的頻 帶為?f2，則在此頻帶范圍內(nèi)進行細化分析，觀測的中心頻率為f； = (4+?)/%對Xtl(n) 以Exp (-2 fe/fs)進行復調(diào)制，由歐拉公式，得到的頻移信號為：
式中=Xtl(Ii)為經(jīng)過抗混濾波和A/D轉(zhuǎn)換采樣后得到離散的信號序列Xtl (n)，（n = 0, 1- N-1)，熱像的采集頻率記為fs，fs = N A f為采樣頻率，A f?為譜線間隔，即頻率分辨率；Ltl = f；/ A f為頻率的中心位移，也是在全局頻譜顯示中所對應中心頻率f；的譜線序號，則f；= LtlAf;復調(diào)制使X(l (n)的頻率成分f；移到x(n)的零頻點位置，即XtlGO中的第L tl條譜線移 至IJ X(k)中零點頻譜的位置，X(k)為輸出的序列，即存在如下關系： X(k) =X〇(k+L〇) (4) 步驟4. 2:低通數(shù)字濾波 為了避免細化頻帶外高頻成分對后面細化頻譜分析時產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，需要對移頻后的 信號進行抗混疊濾波，濾出需要分析的頻段信號，若細化倍數(shù)為D，則低通數(shù)字濾波器的截 止頻率fc < fs/2D，濾波器的輸出為： Y(k) =X(k)H(k) = X〇(k+L〇)H(k) k = 0, I, 2, - , N-I (5) 式中：H(k)是理想低通濾波器的頻率響應函數(shù)； 步驟4. 3:重新抽樣 設原采樣頻率為fs，采樣點數(shù)為N，則頻率分辨率為fs/N，現(xiàn)重采樣頻率為fs/D，當采樣 點數(shù)仍是N是，其分辨率為(D*N)，分辨率提高D倍，若對y (n)進行降采樣D倍，得到的 新信號序列g(m)為： g( m)= v( D i (6 ) 步驟4. 4:復數(shù)FFT 重新采樣后的信號實部和虛部是分開的，需要對信號進行N點復數(shù)FFT，從而得出N/2 條譜線，此時分辨率為Af' =fs' /N = fs/ND=Af/D，若WNmk為傅里葉變換因子，則求得 的局部頻帶的細化譜G(k)為：
步驟4. 5:頻率調(diào)整 經(jīng)過上述運算后的譜線不為實際頻率的譜線，需要將其反向搬移，轉(zhuǎn)換成實際頻率，進 而得出細化后的頻率，即
經(jīng)過上述5個步驟的運算和處理以后，其最終結(jié)果XtlGO能很好地反映出原來采樣序 列在某一頻帶內(nèi)的頻譜特性，與同樣點數(shù)的PPT方法相比，所獲得的頻率分辨率要高D倍， 獲得更精密的頻譜信息。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：步驟5中所述的"對所有的熱波圖像序列進行精密脈沖相位法（APPT)分析，獲得最優(yōu) 化的精確相位圖，并據(jù)此進行缺陷檢測與分析"具體如下： 步驟5. 1 :相位細化調(diào)整； 步驟5. I. 1:細化倍數(shù)的確定 細化譜的細化倍數(shù)D通常不宜過大，一般取10以下，當D較大時，則要采用多次細化串 聯(lián)使用的方式，設各級細化的倍數(shù)為Di,則總的細化倍數(shù)Dt為：
式中Ntl為自然數(shù)，一般多用2級串聯(lián)系統(tǒng)； 步驟5. 1.2:數(shù)據(jù)序列的處理 為進一步改善相位分析結(jié)果，采用公式（2)的數(shù)據(jù)擬合方法得到很平滑的相位信息； 步驟5. 1. 3:相位的修正與補償 在頻譜細化過程中，信號通過低通濾波器時會產(chǎn)生相移，在最后結(jié)果里并不是真正的 相位值，所以必須按照濾波器的相位特性予以修正或補償，得到真正的相位，從而實現(xiàn)相位 的細化； 步驟5. 2 :缺陷檢測與識別； 缺陷檢測與識別通過人工進行，檢查精密相位圖像序列每幀圖像是否存在明顯的缺陷 點或區(qū)域，如圖像中沒有相位差，即沒有缺陷區(qū)域的存在，說明試件完好；若存在相位差，則 從獲得的精密相位圖像序列中，挑選出一幀最清晰、對比度最明顯的相位圖像，據(jù)此進行缺 陷的定性和定量分析與檢測識別。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種固定視場的紅外熱波脈沖相位無損檢測方法，其特征在 于：步驟5. 1. 3相位的修正與補償中所述的"必須按照濾波器的相位特性予以修正或補償， 得到真正的相位"的具體步驟如下： 步驟5. I. 3. 1:線性相位的修正： FIR濾波器在特定條件下具有良好的線性相位特性，但采用的FIR濾波器需要滿足一 定條件，即FIR濾波器的脈沖響應應具有對稱特性，若設其濾波系統(tǒng)函數(shù)H(Z)為：
式中：h (n)是濾波器脈沖響應系數(shù)；z為Z變換的變量；N-I為濾波器階數(shù)，F(xiàn)IR濾波器 的脈沖響應該滿足如下條件： h (n) = h (N-n-1), O ^ n ^ N-I (11) 此時濾波器的相位因子為e_iu(N_1)/2,與頻率《是線性關系，所以相位e應修正為： 0 (o) = O (N-I)/2 (12) 步驟5. 1. 3. 2 :同理，IIR濾波器也具有良好的線性相位性質(zhì)，因此也可采用經(jīng)典的IIR 低通數(shù)字濾波器，并對相位進行修正； 步驟5. 1. 3. 3:相位補償 在細化譜分析中引入零相位數(shù)字濾波器；零相位濾波器使用信號中當前點前后的數(shù)據(jù) 信息，先進行正向濾波，再進行一次反向濾波，正反向濾波產(chǎn)生的線性相移正好得到補償或 抵消，消除了相位失真，從而實現(xiàn)零相位濾波。
【文檔編號】G01N25/72GK104359944SQ201410619630
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權日:2014年11月5日
【發(fā)明者】張金玉, 張煒, 蘇勛家, 楊正偉, 田干, 孟祥兵, 王冬冬, 陶勝杰, 宋鴻杰 申請人:中國人民解放軍第二炮兵工程大學