一种激光扫描热波锁相成像系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种采用激光扫描的热波锁相成像系统，系统采用高功率激光束对试件表面进行周期性热激励，红外热像仪连续采集试件表面的序列热波图像，通过采用锁相图像处理技术，得到试件的振幅与相位热波图像，从而判定材料内部的结构与缺陷。

Laser scanning thermal wave phase locking imaging system

The utility model relates to a laser scanning imaging system using thermal wave phase-locked system, high power laser beam on the specimen surface periodic thermal excitation, infrared thermal image sequence continuous acquisition test surface, by using lock-in image processing technology, test the amplitude and phase of the thermal image, to determine the structure with the defects inside the material.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种热波锁相成像系统，特别是采用了激光扫描热激励技术，属红外无损检测

技术介绍
热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是采用热激励源对试件表面进行加热来产生温度差，该温度差形成向试件内部传播的热波，当热波在试件内部遇到缺陷或热阻抗有变化的地方时，部分热能就会发生反射而回到试件的表面，使得试件表面的温度发生动态分布。采用红外热像仪记录试件表面温度随时间变化的信息，再通过图像处理手段对热波信号进行校正、处理和分析，可以实现对内部结构及缺陷的检测。相比传统的无损检测手段，热波成像技术具有非接触、远距离、大面积快速成像等独特优势，特别适合检测各种复杂结构的复合材料，包括表面粗糙的非透明涂层。其应用广泛，如太阳能电池的粘合、风电叶片的脱粘，集成电路封装，航天器外壳的内部腐蚀、水下舰只的壳体、汽车外壳及漆层质量等等的评估与检测。热波成像无损检测分为多种技术手段，比较普遍采用的是脉冲热激励方式，基本原理是采用脉冲热激励源在试件表面产生一个短周期的热脉冲，利用其在试件内部传播途中与材料内部缺陷及非均匀性结构之间的相互作用来进行检测。这个方法的测试时间快，对不同深度的缺陷可同时有效的探测，但对热激励源的要求比较高，必须能在短时间内辐射出很高的辐射能量。另一个主要手段是热波锁相成像检测技术，其采用周期性热激励源对试件表面进行加热，利用信号的周期相关性对采集到的试件表面温度变化进行处理，可分离出热波信号的振幅与相位，从而得到试件内部缺陷与结构的信息。相对于脉冲热激励方法，其优点是对热激励源的性能要求降低很多，单位面积的热激励功率大幅度减低。当然缺点是测试时间长，而且不同深度的缺陷需要采用不同的调制频率，以免漏检。因此比更适合面积比较大的试件，而且缺陷的深度相对比较确定的情况。目前主流的热波锁相成像系统大都是采用高功率红外加热灯，其优点是成本低，使用也比较方便。但缺点也十分明显，如光辐射严重发散，以至于不适合远距离作用，并且由此导致在试件表面的电热转换效率不高，而且热激励的面积大小不易控制，完全靠灯的位置来调整，且光辐射的均匀性不好。加之灯管的热响应比较慢，灯管本身高温所辐射的红外线通过试件表面的反射会干扰热波图像的采集，等等。因此需要有一种更加有效的热激励方式来进一步对目前的热波锁相成像技术进行提高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述现有热波锁相成像技术的不足，提出一种改进的热激励与检测装置。本专利技术采用扫描激光束作为热激励源，激光扫描热激励具有多重优势，它可以远距离投射、辐射区域大小可任意改变、辐照均匀、响应速度快、可灵活控制、自身不发热，等等，因此特别适合应用于热波成像技术。本专利技术的具体方法为：采用激光束对试件表面进行扫描热激励，使得扫描的频率与图像采集的帧频保持特定的同步关系，这样可以消除由于激光光斑在扫描过程中对热波图像产生的干扰。红外热像仪的工作方式可分为凝视型与扫描型，凝视型是指整幅图像在同一时刻采集，然后顺序读出，而扫描型红外热像仪则是采取逐行积分与读出的方式。因此根据红外热像仪工作方式的不同将采用不同的同步方式。下面的实施示例将给予进一步的详细介绍。附图说明图1为热波锁相成像技术的原理示意图；图2为激光扫描锁相成像系统原理图；图3为激光扫描锁相成像系统的热激励与图像采集示意图；图4为本专利技术方法的一种实施方式；图5为本专利技术方法的另一种实施方式；图6为本专利技术方法的又一种实施方式；图7为本专利技术方法的还一种实施方式；图8为几种激光调制波形，（a）为正弦波，（b）为多个正弦波的叠加，（c）为频率渐变正弦波。具体实施方式为了使本专利技术的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施例与附图对本专利技术做进一步的说明。图1(a)所示的是现有热波锁相成像技术的系统原理框图，系统包括热激励源10，红外热像仪11，热激励驱动单元12及数据处理单元14。在热激励驱动单元12的控制下，热激励源10的光辐射对试件表面进行周期性加热，产生的热波15向试件内部传播，当遇到内部缺陷17或结构性变化时，会有一部分反射热波16被反射到试件表面，热波反射回来的时间、强度等和缺陷深度及材料的物理特性相关。一种周期性热激励波形如图1（b）中的“热激励调制”曲线所示，这是一方波，但也可以采用其它波形，如正弦波等。试件表面在吸收热激励能量后的温度变化如图1（b）的“试件表面温度”曲线所示，其上升与下降沿都有平滑现象，这是材料的热学弛豫现象所致。当试件内部有缺陷时，由于部分“反射热波信号”的影响，这个温度曲线将受到一定的改变，但通常这种改变十分微弱，在图像噪声的影响下，直接从热波图像上往往比较难于看清楚。由于周期性的热激励产生的热波信号也是周期性的，而噪声则是无规的，因此可以通过这种周期相关性对噪声进行抑制，从而使得图像的信噪比得到很大提高，缺陷变得清晰起来，这就是锁相技术的基本原理。周期信号的相关处理，也就是锁相信号处理的方式有几种，最简单的可以将其称为单相积分法，就是将检测到的热波信号按热激励的正、负两个半周期分别进行积分，具体的就是将这个周期内采集的“序列热波图像”进行平均，如图1（b）的“单相积分法”曲线所示，然后将这两个半周的积分信号相减，这样背景信号得到消除，噪声得到一定的抑制，而热波信号不受损失。这个方法处理速度很快，特别适合于比较短周期的热激励，可以在较短时间处理很多周期。由于被缺陷反射的热波信号传到表面需要一定时间，因此热波信号积分的周期相对于热激励的周期需要要一定的延迟或称为相移，否则信号会受到损失。这种方法的缺点是不能得到热波信号的振幅与相位。因此另一种方法可称为双相积分法，它是通过在单相积分的基础上增加第二路单相积分来实现的。这两路单相积分之间相差90度的相位，如果将热波信号作为一个矢量，在二维坐标上这两路单相积分信号就相当于热波信号在x、y两个正交坐标的投影。因此可以通过三角公式计算出热波信号的幅度与相位。这种方法由于计算量相对不是很大，处理速度也是比较快的，因而得到普遍的应用。另外一种周期信号的相关处理方式就是直接对“序列热波图像”进行快速傅立叶变换，计算出热波信号的振幅与相位图像。这种快速傅立叶变换图像分析法有很多优点，如精度高，抑噪效果好，当然缺点是计算量很大，处理时间比较长。上述现有热波锁相成像系统中采用的多是红外线灯，也有报道采用的是激光束来进行热激励的。但不是采用扫描的方式，而是将激光束扩束，使得光斑充满红外热像仪的视场。这种方式的主要缺点是由于激光束的相干性，扩大的光斑里会有很多干涉条纹和散斑；另外激光束是高斯分布的，很难将大光斑中各点的光强调均匀，因此这些都会影响到热激励的质量。本专利技术采用激光扫描的方式，当激光束聚焦成点状或线状时，干涉现象将不会产生影响，通过一维或二维扫描，可以得到均匀分布的热激励。并且扫描方式还可以很容易改变热激励的范围，而这样的系统还可以同时实现热波锁相成像与脉冲热波成像的目的。对于锁相成像技术，图像上由于热激励所引起的热波信号强度分布不均匀在一定范围内是可以接受的，因为尽管会影响振幅图像，但在最终的相位图像上这种非均匀热激励的影响会得到很大的抑制。但是这种强度的不均匀性不能太大，否则其影响无法完全消除。特别是热激励的强度分布在所有序列热波图像中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光扫描热波锁相成像系统，其特征在于所述系统包括：高功率激光器（21），所述高功率激光器（21）用于对试件表面进行扫描，激励热波；激光控制单元（20），所述激光控制单元（20）用于控制高功率激光器（21）的输出功率，以实现不同频率与波形的热激励；光束整形装置（22），所述光束整形装置（22）用于使得激光束在试件表面形成所需形状的激光光斑（24）；红外热像仪（11），所述红外热像仪（11）用于采集试件表面的序列热波图像；扫描控制单元（25），所述扫描控制单元（25）用于控制激光束扫描频率与所述红外热像仪（11）的帧频保持特定同步关系；数据处理单元（14），所述数据处理单元（14）用于对所述红外热像仪（11）所采集的序列热波图像进行锁相数据处理，并协调控制所述激光控制单元（20）与所述扫描控制单元（25）。

【技术特征摘要】
1.一种激光扫描热波锁相成像系统，其特征在于所述系统包括：高功率激光器（21），所述高功率激光器（21）用于对试件表面进行扫描，激励热波；激光控制单元（20），所述激光控制单元（20）用于控制高功率激光器（21）的输出功率，以实现不同频率与波形的热激励；光束整形装置（22），所述光束整形装置（22）用于使得激光束在试件表面形成所需形状的激光光斑（24）；红外热像仪（11），所述红外热像仪（11）用于采集试件表面的序列热波图像；扫描控制单元（25），所述扫描控制单元（25）用于控制激光束扫描频率与所述红外热像仪（11）的帧频保持特定同步关系；数据处理单元（14），所述数据处理单元（14）用于对所述红外热像仪（11）所采集的序列热波图像进行锁相数据处理，并协调控制所述激光控制单元（20）与所述扫描控制单元（25）。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈力，
申请(专利权)人：南京诺威尔光电系统有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32