基于超声红外热成像的缺陷检测与定位究

王鹏

摘要：目前，我国的科技发展十分迅速，超声红外热成像以超声作为激励源，能够用于检测多种工件，但是由于热传导效应及空气的散射，检测结果中缺陷边缘较为模糊，成像对比度不高，并且会有温度分布不均引起的“散斑噪声”。为解决以上问题，提出了一种对超声红外热成像结果进行缺陷检测和定位的方法，使用限制对比度自适应直方图均衡（contrastlimitedadaptivehistogramequalization，简称CLAHE）方法对图像进行对比度增强，用巴特沃斯滤波器进行降噪，根据图像的局部方差特征判断是否有缺陷，并通过形态学处理对缺陷中心进行定位。实验表明，根据局部方差可以对图像进行有效判断，经过形态学处理之后能够准确定位。该研究为通过超声红外热成像实现缺陷检测及定位提供了一种便捷有效的方法。

关键词：红外热成像;图像处理;缺陷检测;巴特沃斯滤波器

引言

复合材料具有诸多优点，在航空航天设备上广泛使用。但在制造过程中，由于环境和人为因素，复合材料的最终制品中存在孔隙、分层等缺陷;在使用过程中，动、静载荷等原因也会引起基体微裂纹、层间分离等损伤。这些界面贴合型的缺陷和损伤，将严重削弱复合材料结构的性能，降低结构的使用可靠性和安全性。因此发展快速、高效的无损检测技术已成为亟需解决的关键技术之一。

1红外热成像无损检测技术现状阐释

红外热成像无损检测技术基于热成像设备发展起来，并且于第二次世界大战以后，第一代军用红外热像设备成功研发。此后，在国际范围内，红外热成像无损检测技术的研究不断深入，特别是光脉冲与超声激励红外热成像方面获得了理想的研究成就。也有大部分国家将此领域研究成果应用在检测飞机复合材料构件内部缺陷方面。而在我国，受到热像仪发展制约，使得红外热波无损检测技术研究时间不长，最初仅被应用于传统的被动式红外热成像检测当中，而且非制冷热像仪与扫描仪仍占据市场主导地位，在温度分辨率与采集频率方面都很难与温场的快速变化需求相适应。随后，各院校在热波检测理论与热激励方法等方面加大了研究力度，并在汽车制造与航空航天领域得到了应用。

2超声红外热成像的缺陷检测与定位究

2.1光脉冲热成像技术

它是利用高能脉冲闪光灯对被检物表面进行热激励，瞬间在试件表面形成一层平面热源，并以热波的形式在其中传播。如果试件内部有缺陷（脱粘、分层等），会使该处热波的传播形式发生改变，从而引起试件表面温场的变化。同时用热像仪捕捉这个变化的过程，找到缺陷的位置和形状。此外，热图序列还包含了温场变化的时间信息，通过相应的数据处理算法，可以实现缺陷属性识别、缺陷深度定量测量等。该方法是最为经典、成熟的方法，其优点是非接触、检测速度快。但该方法也受试件表面红外发射率、试件几何形状以及加热均匀性的影响。

2.2缺陷识别

常用的缺陷识别方法有神经网络和支持向量机等，根据大量的样本，对图像进行特征采集和识别训练。鉴于本研究中的样本较少，笔者采用色彩分量-局部方差作为识别缺陷的特征。经过图像增强之后，缺陷区域和正常区域区分较为明显，缺陷区域的色彩分布不均匀，正常区域的色彩分布较为统一。因此，笔者根据此特征，选取局部方差作为区分图像中有无缺陷的依据。具体方案如下：a.将红绿蓝色彩模式（red，green，blue，简称RGB）的图像的G分量图像分为3×3共计9部分，子图像长度或宽度不是整数的向下取整;b.对每个子图像求灰度值的标准差，记为si，i=1～9;c.求si的极差D，若D>D0，则判断此图像中的被测件有缺陷;否则，判断为正常被测件，其中D0为阈值。在同一实验环境下采集的热图像阈值D0较为接近。

2.3太赫兹激励红外热波技术

对于太赫兹波而言，所指代的就是频率控制在0.1-10THz之间的电磁辐射。通过对THz波的应用，将其当做热源实施红外热波检测是全新探索方式，能够借助返波振荡器太赫兹源针对试件的表面中展开连续亦或是周期热激励，而热像仪则能够对试件表面的温场改变进行探测。现阶段，太赫兹功率源受到一定的限制，所以此技术尚处在试验阶段，一般被应用在小范围热激励检测当中。而此技术的检测能力，较之于闪光灯脉冲激励技术仍存在一定的差距。然而，伴随THz技术的可持续发展，THz发生源明显改进，被当做热源红外热波技术将实现进一步地发展。

2.4缺陷中心定位

对识别出有缺陷的图像进行缺陷中心定位。通过形态学处理的闭运算消除缺陷周圍杂点的影响，选取图像中最大连通域的质量中心作为缺陷中心。经过形态学处理，二值图像中会有多个大小不等的连通域，缺陷区域和温度分布不均的区域都会形成连通域。缺陷区域周围的像素点灰度值较大，会形成面积较大的连通域。因此，笔者选取面积最大的连通域P作为包含缺陷中心的连通域。

2.5锁相红外热成像

锁相红外热成像技术是主动对被检物施加周期调制的热激励（光、超声等），如被检测物内部存在缺陷，缺陷部位会产生周期性的热响应，进而影响试件表面温场分布。热像仪采集表面温场的变化，通过软、硬件提取特定锁相频率下表面热信号的幅值、相位信息。幅值表征了反射波和入射波的矢量和，相位则表征了反射波和入射波之间的相位差，由此来分析被检测物中的缺陷信息。光锁相红外热成像一次性检测面积大，所得的相位图不易受热激励不均匀性、环境反射、材料表面状况等影响。超声锁相热成像，可以用功率较小（相对于脉冲超声激励）的周期性超声激励得到较好的检测结果，一定程度上避免了对试件造成二次损伤。但是不论是光锁相还是超声锁相，检测时都需要尝试不同的锁相调制频率，频率太高热波穿透深度不够，太低得到热图像的信噪比低，且单次实验周期较长。

结语

（1）利用有限元方法对复合材料表面疲劳裂纹检测进行数值模拟，结果表明，裂纹面在超声激励下发生了接触、碰撞等运动，且由于裂纹面不光滑，出现相对运动，从而产生摩擦生热现象;裂纹中部生热速率大于裂纹尖端处;微小裂纹（≤1mm）可以被检测出，且裂纹越长，裂纹面越大，则表面温度场的相对变化就越大，但微小裂纹表面温度场变化的绝对值较小。（2）通过对玻璃纤维复合材料内部分层损伤的检测试验，研究了试件表面温度场的变化，分析了超声波激励源及“驻波”对检测结果的影响，并对检测结果进行了定量识别，由于热的横向传导，使得识别值略大于真实值;通过与脉冲热激励的对比发现，超声热激励特别适合对复合材料中的裂纹、分层等界面贴合型损伤进行检测，其效果明显，且不需要考虑加热不均匀的问题。（3）通过对不同耦合材料的试验得出，医用胶带能保证激励过程中，超声波有效地进入试件，激发损伤处生热，并消除“驻波”现象。

参考文献

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