基于光学斩波的锁相热波成像技术

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(南京诺威尔光电系统有限公司，南京 210046)

随着现代科学与工业技术的发展，产品更新换代的速度不断加快，对产品质量及安全的要求也越来越高，产品检测的技术也越来越受到重视，新的检测方法不断出现并逐步发展和完善。锁相热波成像是近年来新兴的无损检测技术，在国际上得到了广泛的关注[1-3]。其结合了热波成像与数字锁相技术的优势，大幅降低了对热激励源峰值能量的要求，也降低了对加热均匀性和表面发射率一致性的要求，同时提高了信噪比，检测灵敏度和检测能力也得到了很大的提高。锁相热波成像技术与材料或构件表面的辐射发生率、环境条件及构件结构无关[4-5]，既可作为红外热成像无损检测技术的补充，也可发挥其独特的技术优势，对解决待测物体表面及内部缺陷的检测，以及保证产品质量安全提供了有效的工具。

德国、法国、加拿大等的研究人员都对锁相热波成像技术进行了深入研究。近年来,锁相热波成像技术也受到国内学者和工程技术人员的广泛关注。冯立春等[6]采用红外加热灯作为热源，结合信号发生器输出的方波信号，并采用0.67 Hz锁相频率对涂层涂覆缺陷人工样品进行了检测，缺陷清晰可见。赵廷广等[7]采用法国Cedip公司开发的锁相红外热成像系统实现了加筋结构的检测，该系统采用卤素灯作为热源，函数发生器输出正弦信号，采用的锁相频率范围为0.3～0.5 Hz，实现了对加筋结构缺陷的检测。刘俊岩等[8]采用法国Cedip公司的锁相红外热成像系统在锁相频率为低频(0.1～0.25 Hz)时实现了对钢板、CFRP(碳纤维增强复合材料)蒙皮蜂窝夹层及轴瓦缺陷的检测，取得了较好的效果。程腾等[9]采用红外灯作为热源，函数发生器输出正弦信号，并采用0.1 Hz锁相频率对囊体布热合缺陷进行检测，可以有效识别该类缺陷，具有较高的可靠度和较强的抗干扰能力。周正干等[10]采用卤素灯作为热源，函数发生器输出正弦信号，实现了锁相频率范围为0.001～1 Hz，并采用该系统对钛合金蜂窝结构蒙皮脱焊缺陷进行了检测，取得了较好的检测结果。

目前对锁相热波成像技术的研究中，大多采用信号发生器对热源信号进行调制。热源多采用大功率的卤素灯之类的红外光源，但这些热源的启动时间长、热惯性大，无法实现高频率的周期性调制。激光器虽然可以快速调制，但由于能量有限及均匀扩束的问题，无法实现大面积热激励。

笔者提出了采用光学斩波器结合红外灯阵列进行周期性调制，红外灯在较高调制频率时的调制深度有限，但通过锁相系统控制的光学斩波器可以使调制深度达到100%，从而实现有效的高频率周期性调制，并使得调制频率范围得到较大的扩展。该系统还可以实现单脉冲热波成像检测，斩波器在加热期间处于静止，当降温阶段开始时，斩波器快速挡住光源，避免了光源余热对检测结果产生影响，提高了检测精度。

锁相热波成像技术在检测缺陷时，存在一个缺陷对比度最高的最佳锁相频率，或者说缺陷检测的效果与锁相调制频率相关。缺陷越浅或材料导热越快，需要的锁相频率越高；相反，缺陷越深、材料导热越慢，需要的锁相频率就越低。因而，具有较高调制频率的锁相热波成像系统特别适合于诸如涂层、太阳能电池、薄金属板件等的检测。

1 锁相红外热波成像原理

锁相热波成像技术有别于脉冲热波成像技术,其最大的区别是锁相技术中使用的是周期性热源。其检测原理是：对待测物体进行周期性加热,若待测物体内部有缺陷,该缺陷对其上方表面温度的分布会产生周期性的影响,因此有缺陷的地方与无缺陷的地方会产生振幅与相位差,通过红外热像仪采集物体表面温度分布并进行计算，达到识别缺陷的目的。其本质上是通过信号相关的手段对噪声进行抑制，提取单频热响应，将微弱信号从众多干扰信号中提取出来，使得缺陷被检测出来。

锁相技术的一个优点是可以通过增加检测周期来提高信噪比，因此特别适合一些微小缺陷，如裂纹等的检测。这些缺陷的热波响应对试件表面温度分布的影响小，多数情况下甚至低于噪声的影响，通过热图序列很难观察得到。

设计的锁相热波成像系统框图如图1所示，系统由红外热像仪、锁相控制系统、光学斩波器、红外光源、控制与图像处理系统等组成。通过锁相控制模块调节光学斩波器，将红外灯的辐射调制成周期性热激励。光学斩波器的转动速度与锁相频率保持同步关系。斩波器中间的圆孔处安装了红外热像仪，以对试件表面温度进行采集。该热激励系统还可以级联，即多个单元同时使用，以统一调制频率与相位，特别适用于大面积的检测需求。

锁相红外热成像技术最终可得到两张图像，即振幅图与相位图。数据可采用FFT(快速傅里叶变换)进行处理，一般采用1 024个数据点或2 048个数据点。

图1 锁相热波成像系统框图

2 锁相红外热波成像理论分析

对于采用调制频率为fe的正弦调制的光激励，其热激励功率密度为[11]

(1)

式中:I(t)为周期性变化的功率密度；I0为热源的最大加热功率；fe为热源激励加载频率;t为时间。

当热波在试件中传递时，傅里叶热扩散方程可描述该过程，如式(2)所示。

(2)

式中:k为材料的热导率；ρ为材料密度;c为材料比热容。

为了分析周期性热流在试件中的传递过程，可将方程进行简化，只考虑热波沿z方向的传导，则可以得到正弦规律变化的热流在试件中传递时的温度分布和变化历程模型的解析方程。

T(z,t)=Tam+ΔT[1-exp(-t/r)]+

Aexp-z/Λ)exp[i2πfet-z/Λ)]

(3)

(4)

式中：Tam为环境温度；A为恒定热流引起的温度变化量；ΔT为余弦波变化热流引起的温度变化量；Λ为热扩散长度；a为热扩散系数;fe为热波频率。

采集频率为fs，采集数据点数为N，则锁相频率为

n=1,2,3,4,…,N

(5)

锁相频率flock-in与采集频率、数据点数有相对应的固定关系，不能任意取值。

不同的锁相频率对应不同的检测深度，检测频率和热波传播深度满足下述关系

(6)

α=k/(ρ·c)

(7)

式中：μ为热扩散长度;α为热扩散系数。

从式(6)可以看出，热波传播深度只与热扩散系数和锁相频率有关，与热源强度无关。因此，在检测浅缺陷时，可采用较高的锁相频率；在检测深缺陷时，可采用较低的锁相频率。

红外热像仪采集N帧数据后，每一个像素点(i,j)对应N个离散温度时间信号T(i,j)(t)，对每一个像素点进行FFT变换得到

(8)

φn=arctanImn/Ren)

(9)

(10)

式中：Ren,Imn分别为序列n频域信号的实部和虚部；φn为信号的相位角；An为信号的幅度。

最后提取每一个像素点对应锁相频率flock-in的振幅和相位，构成振幅图和相位图。

3 试验系统

试验采用的是自主研发的基于光学斩波调制的锁相热波成像系统。该系统采用4个红外灯管作为热激励源，灯管呈对称分布，每个红外灯管的功率为500 W,总功率为2 000 W。斩波器由步进电机驱动，每转一圈热激励能量改变4次，斩波频率可达100 Hz。考虑到便携性，系统集成了非制冷热像仪，工作波段为7～14 μm，图像分辨率为384 像素×288 像素，帧频可调，采集帧频最高为100 Hz。控制、驱动、采集、图像数据处理等功能集成在一个便携手提箱中，同时搭配一个可移动支架，使用与移动都十分方便。斩波调制锁相热波系统外观如图2所示。

该系统为多功能热波成像无损检测设备，即具有宽调制频率范围的锁相热激励与长周期的脉冲热激励。对于长脉冲热激励，斩波器的作用相当于快门，加热时处于静止，加热结束开始采集前将其快速转动到阻挡的位置，避免红外灯的余热对采集信号造成影响。

图2 斩波调制锁相热波系统外观

图3 太阳能电池板外观

4 检测结果

为了验证基于光学斩波器的锁相热波成像系统的有效性，分别采用不同的锁相频率对不同的试件进行了缺陷检测。

太阳能电池由硅半导体材料集成，通过吸收太阳光并转换成电荷进行发电。在使用过程中，由于转换效率不能很高，会有很多热能产生，因此电池片与背板的黏接质量直接影响太阳能电池的发电效率与寿命。太阳能电池板外观如图3所示(左上、右上、左下、右下分别为编号是5，6，3，4的太阳能电池)，包括4片小硅太阳能电池。由于硅太阳能电池板厚度大约为0.2 mm，因此采用锁相方式需要较高的锁相频率，试验中热像仪频率设为50 Hz，锁相频率为4 Hz，共采集了1 024帧图像。

图4所示为硅太阳能电池的锁相热波检测结果，图4(a)为振幅图，图4(b)为相位图。从相位图中可以看出，编号为5的硅太阳能电池中间有一大片黏接质量差的区域，编号为3，6的硅太阳能电池黏接质量良好，编号为4的硅太阳能电池左边出现类似圆环区域，为黏接质量差的区域。由图中对比可以看出，相位图比振幅图提供了更多的内部缺陷信息。

图4 硅太阳能电池的锁相热波检测结果

第二个试件是有平底孔缺陷的碳纤维复合材料，材料尺寸为150 mm×100 mm×5.5 mm(长×宽×高)，平底孔直径为40 mm，缺陷深度分别为(从左到右)3.9 ，4.7 mm。碳纤维复合材料平底孔的光学图像如图5所示，其中图5(a)为正面图像，即检测面，图5(b)为背面图像，是平底孔所在面。由于缺陷较深，试验中热像仪采集频率为10 Hz，锁相频率为0.01 Hz，共采集了2 048帧图像。

图5 碳纤维复合材料平底孔的光学图像

图6为碳纤维复合材料平底孔锁相热波的检测结果，可以看出在这个调制频率下，振幅图更多地提供了试件表面的信息，而缺陷深度很难检测出来。试件表面的不均匀对相位图来说干扰不大，从相位图可以看出，两个平底孔缺陷清晰可见，且3.9 mm平底孔比4.7 mm平底孔相位差更大，图像对比度更高。

图6 碳纤维复合材料平底孔锁相热波的检测结果

5 结语

在常规的锁相热波成像检测中，由于大功率热源多采用红外灯，其启动慢、热惯性大，很难实现高频率调制。通过引入光学斩波器，结合红外灯阵列，实现了对热源的高频率调制。在此基础上研发的锁相红外热成像系统可以实现对热源的宽频率范围调制，适用于多种测试场合。其既可以实现锁相热波成像，也可以实现长周期的脉冲热波成像，且具有快速隔断光源余热，达到降低背景干扰的目的，因而对热波成像技术的推广应用具有较好的价值。

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