本發(fā)明屬于無損檢測技術領域，具體涉及一種基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術：

隨著航空航天、石油化工、核電等領域的飛速發(fā)展，一系列具有優(yōu)異力學、熱學性能的復合材料廣泛地應用于以上領域。由于對產(chǎn)品性能及產(chǎn)品質(zhì)量要求的逐步提高，各種復合材料在制備工藝及后續(xù)使用過程中的質(zhì)量保證顯得尤為重要。復合材料制備工藝與傳統(tǒng)金屬材料加工工藝存在特殊性，不合理的加工工藝容易造成復合材料出現(xiàn)脫粘、分層、內(nèi)部氣孔等多種不同缺陷，以上缺陷嚴重威脅產(chǎn)品的使用性能。同時大多數(shù)復合材料外在表現(xiàn)為輕、薄及尺寸較大，相對于整個產(chǎn)品而言，缺陷尺度較小，所以一些傳統(tǒng)的無損檢測技術存在分辨率低或檢測信噪比低等不同劣勢。因此找到一種可以實現(xiàn)對復合材料表層及淺表層缺陷進行高效率及高信噪比的無損檢測方法對整個復合材料制備工藝過程的質(zhì)量把關十分重要。

紅外熱波無損檢測技術作為一種新興的主動式紅外無損檢測技術，由于其具有非接觸、直觀、探測面積大及無損傷等優(yōu)點，廣泛應用于各種復合材料、金屬材料、樹脂材料的無損檢測領域。目前針對于紅外熱波無損檢測技術的研究主要集中于激勵方式、激勵源及信號處理算法的相關研究上。目前已有的紅外熱波無損檢測技術（鎖相熱波無損檢測技術及脈沖紅外無損檢測技術）對復合材料仍然存在缺陷檢測效果差及信噪比低的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服目前傳統(tǒng)紅外熱波無損檢測技術對復合材料缺陷檢測效果差及信噪比低的難題，提供一種基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法。

相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測技術，基于光熱輻射測量（photothermalradiometry,ptr）原理，采用計算機控制函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生二進制編碼信號（binaryphasecoding,bpc），利用此信號控制激光器電源，進而控制激光按照調(diào)制規(guī)律變化照射到試件檢測面。其中bpc信號是一種非線性調(diào)頻信號，相較于單一頻率信號具有大的時寬-帶寬積，最早與電磁信號結(jié)合應用于雷達信號等領域。本發(fā)明中介紹的方法為將bpc信號與紅外光熱探測技術進行融合。調(diào)制變化的激光照射到樣件后由于存在光熱效應，樣件出現(xiàn)溫度漲落與紅外輻射，光熱輻射信號（熱波信號）與樣件光熱特性參數(shù)與結(jié)構相關，信號被紅外熱像儀接收，進而通過信號處理算法提取樣件光熱特性達到對樣件缺陷的判定。其中本方法中所采用為信號處理方法為互相關匹配濾波技術及雙路正交解調(diào)算法。在進行特征提取運算過程中，通過對熱波信號進行匹配濾波，進而達到提高復合材料表層及淺表層缺陷檢出信噪比的目的。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

一種基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括第一激光準直鏡、第一光纖、第一808nm激光器、第一激光器電源線、第一激光器電源、第一bnc數(shù)據(jù)線、計算機、usb數(shù)據(jù)線、數(shù)據(jù)采集卡、第二bnc數(shù)據(jù)線、bnc觸發(fā)信號線、以太網(wǎng)線、紅外熱像儀、垂直升降臺、第二激光器電源、第二激光器電源線、第二808nm激光器、第二光纖、第二激光準直鏡、三維移動臺；

所述紅外熱線儀放置在垂直升降臺上，紅外熱像儀信號輸出端通過以太網(wǎng)線與計算機信號輸入端相連接，所述計算機控制信號輸出端通過usb數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集卡控制信號輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端一通過bnc觸發(fā)信號線與紅外熱像儀信號輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端二通過第一bnc數(shù)據(jù)線與第一激光器電源信號輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡信號輸出端三通過第二bnc數(shù)據(jù)線與第二激光器電源信號輸入端相連接，所述第一激光器電源信號輸出端通過第一激光器電源線與第一808nm激光器信號輸入端相連接，所述第一808nm激光器信號輸出端通過第一光纖與第一激光準直鏡信號輸入端相連接，所述第二激光器電源信號輸出端通過第二激光器電源線與第二808nm激光器信號輸入端相連接，第二808nm激光器信號輸出端通過第二光纖與第二激光準直鏡信號輸入端相連接，所述三維移動臺用于承載檢測試件。

一種利用上述系統(tǒng)實現(xiàn)基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測的方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：確定要檢測的檢測試件，將其放置到三維移動臺上；

步驟二：開啟所述基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)，此步驟包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、第一激光器電源、第二激光器電源及紅外熱像儀設備的開啟以及軟件程序的開啟；

步驟三：對紅外熱像儀進行非均勻性較正，進而通過計算機控制軟件輔助調(diào)整紅外熱像儀成像檢測視野，通過調(diào)節(jié)三維移動臺使圖像成像清晰；

步驟四：計算機控制數(shù)據(jù)采集卡進而控制第一808nm激光器及第二808nm激光器出射激光，調(diào)整第一激光準直鏡及第二激光準直鏡，使激光均勻地照射到檢測試件表面；

步驟五：計算機控制軟件信號通過數(shù)據(jù)采集卡輸出，使其控制第一808nm激光器及第二808nm激光器光強按二進制編碼調(diào)制規(guī)律變化，同時此控制信號通過bnc觸發(fā)信號線控制紅外熱像儀進行實時圖像數(shù)據(jù)采集；

步驟六：計算機通過以太網(wǎng)線對紅外熱像儀采集的圖像序列進行記錄，并通過計算機控制軟件進行圖像數(shù)據(jù)處理與信號提取，提取幅值圖、相位圖、延遲圖及峰值圖特征信息，基于以上特征信息實現(xiàn)缺陷識別與判定。

本發(fā)明中，測試材料針對復合材料、金屬材料及樹脂材料表層及淺表層缺陷；

本發(fā)明中，激光器功率選擇依據(jù)材料缺陷信息而定；

本發(fā)明中，激光器輸出與紅外熱像儀采集保持完全同步。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的有益效果是：

（1）本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)復合材料、金屬材料及樹脂材料表層及淺表層缺陷的無損傷、非接觸、高效檢測，同時不受檢測試件尺寸限制；

（2）本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測方法，采用具有較大時寬-帶寬積的編碼信號作為激勵信號，極大地提高了表層及淺表層缺陷檢測信噪比（對于深度≥2mm,徑深比＞2的cfrp層板缺陷可以較為容易的檢出）；

（3）本發(fā)明采用制冷型紅外熱像儀進行熱波信號提取，試驗結(jié)果具有較好的精度；

（4）本發(fā)明采用808nm激光作為光源，提高了材料光熱轉(zhuǎn)化的吸收能力，同時準直鏡的使用，較大程度的減少了加熱不均對幅值特征及峰值特征的影響。

綜上，本發(fā)明的基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法適用于航空航天、微電子、石油化工及核電等領域的各種復合材料表層、淺表層脫粘、分層及內(nèi)部氣孔等缺陷檢測與定量評價。

附圖說明

圖1為本發(fā)明采用的二進制相位編碼波形圖；

圖2為本發(fā)明的特征提取算法框圖；

圖3為本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)結(jié)構示意圖；

圖4為本發(fā)明采用的試件表面預制裂紋示意圖；

圖5為利用本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法對cfrp檢測試件進行檢測得到的延遲圖；

圖6為利用本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法對cfrp檢測試件進行檢測得到的峰值圖；

圖7為利用本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法對cfrp檢測試件進行檢測得到的相位圖；

圖8為利用本發(fā)明基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)及方法對cfrp檢測試件進行檢測得到的幅值圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。

具體實施方式一：如圖3所示，本實施方式記載的是一種基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括檢測試件1、第一激光準直鏡2、第一光纖3、第一808nm激光器（峰值功率50w）4、第一激光器電源線5、第一激光器電源6、第一bnc數(shù)據(jù)線7、計算機8、usb數(shù)據(jù)線9、數(shù)據(jù)采集卡（ni-6229）10、第二bnc數(shù)據(jù)線11、bnc觸發(fā)信號線12、以太網(wǎng)線13、紅外熱像儀（flirsc7000，像素：320×256，響應波長：3.6~5.1μm）14、垂直升降臺15、第二激光器電源16、第二激光器電源線17、第二808nm激光器（峰值功率50w）18、第二光纖19、第二激光準直鏡20、三維移動臺21；

所述紅外熱線儀14放置在垂直升降臺15上，紅外熱像儀14信號輸出端通過以太網(wǎng)線13與計算機8信號輸入端相連接，所述計算機8控制信號輸出端通過usb數(shù)據(jù)線9與數(shù)據(jù)采集卡10控制信號輸入端相連接，所述數(shù)據(jù)采集卡10信號輸出端一通過bnc觸發(fā)信號線12與紅外熱像儀14信號輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡10信號輸出端二通過第一bnc數(shù)據(jù)線7與第一激光器電源6信號輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡10信號輸出端三通過第二bnc數(shù)據(jù)線11與第二激光器電源16信號輸入端相連接，所述第一激光器電源6信號輸出端通過第一激光器電源線5與第一808nm激光器4信號輸入端相連接，所述第一808nm激光器4信號輸出端通過第一光纖3與第一激光準直鏡2信號輸入端相連接，所述第二激光器電源16信號輸出端通過第二激光器電源線17與第二808nm激光器18信號輸入端相連接，第二808nm激光器18信號輸出端通過第二光纖19與第二激光準直鏡20信號輸入端相連接，所述三維移動臺21用于承載檢測試件1。

具體實施方式二：一種利用具體實施方式一所述系統(tǒng)實現(xiàn)基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測的方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：確定要檢測的檢測試件1（圖4所示），將其放置到三維移動臺21上；

步驟二：開啟所述基于相位編碼調(diào)制方式的紅外無損檢測系統(tǒng)，此步驟包括計算機8、數(shù)據(jù)采集卡10、第一激光器電源6、第二激光器電源16及紅外熱像儀14設備的開啟以及軟件程序（軟件程序是安裝在計算機中的）的開啟；

步驟三：對紅外熱像儀14進行非均勻性較正，進而通過計算機8控制軟件輔助調(diào)整紅外熱像儀14成像檢測視野，通過調(diào)節(jié)三維移動臺21使圖像成像清晰；

步驟四：計算機8控制數(shù)據(jù)采集卡10進而控制第一808nm激光器4及第二808nm激光器18出射激光，調(diào)整第一激光準直鏡2及第二激光準直鏡20，使激光均勻地照射到檢測試件1表面；

步驟五：計算機8控制軟件信號通過數(shù)據(jù)采集卡10輸出，使其控制第一808nm激光器4及第二808nm激光器18光強按二進制編碼調(diào)制規(guī)律變化，其中二進制編碼方式如圖1所示；同時此控制信號通過bnc觸發(fā)信號線12控制紅外熱像儀14進行實時圖像數(shù)據(jù)采集；

步驟六：計算機8通過以太網(wǎng)線13對紅外熱像儀14采集的圖像序列進行記錄，并通過計算機8控制軟件（具體軟件算法如圖2所示）進行圖像數(shù)據(jù)處理與信號提取，提取幅值圖（圖8所示）、相位圖（圖7所示）、延遲圖（圖5所示）及峰值圖（圖6所示）特征信息，基于以上特征信息實現(xiàn)缺陷識別與判定；至此，完成了對測試件1的熱波成像檢測。

本發(fā)明具體實施方式中測試材料以厚度為4mm、尺寸為10cm×10cm的cfrp檢測試件,試件預制有平底孔（其尺寸見表1）。表1為cfrp預制孔尺寸。

表1