一种固定视场的红外热波脉冲相位无损检测方法技术

本发明专利技术涉及一种固定视场脉冲激励红外热波脉冲相位无损检测方法。综合运用复调制Zoom-FFT细化谱方法、热波数据拟合扩展方法和零相位数字滤波器方法，对采集到的热激励前后连续等间隔的红外热波图像序列，进行高精度的频谱分析，从而快速获得精密的超低频的热像相位图和幅值图，进而实现对设备缺陷或损伤的检测与识别。本发明专利技术方法同现有技术相比，热像的采集频率、采集时间、采集帧数和分析的细化程度不仅可根据实际检测需要灵活设置，而且检测速度、细化程度和精密程度均提高十倍，缺陷检测效果和检测深度也能实现成倍增长，同时还降低了对计算机硬件的要求，使得该方法使用灵活，特别适合于现场红外热波无损检测，有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种固定视场脉冲激励红外热波脉冲相位无损检测方法。综合运用复调制Zoom-FFT细化谱方法、热波数据拟合扩展方法和零相位数字滤波器方法，对采集到的热激励前后连续等间隔的红外热波图像序列，进行高精度的频谱分析，从而快速获得精密的超低频的热像相位图和幅值图，进而实现对设备缺陷或损伤的检测与识别。本专利技术方法同现有技术相比，热像的采集频率、采集时间、采集帧数和分析的细化程度不仅可根据实际检测需要灵活设置，而且检测速度、细化程度和精密程度均提高十倍，缺陷检测效果和检测深度也能实现成倍增长，同时还降低了对计算机硬件的要求，使得该方法使用灵活，特别适合于现场红外热波无损检测，有广阔的应用前景。【专利说明】
本专利技术属于热波无损检测图像处理
，涉及一种固定视场的红外热波脉冲 相位无损检测方法。
技术介绍
热波（Thermal Wave)无损检测技术是上个世纪90年代由美国航空航天和国防领 域兴起的一种新型的无损检测技术。从1990年以来，国内外许多国家积极开展热波理论与 技术的研究，随着计算机水平和红外热像仪精度的不断提高，目前这项技术在航空航天、石 油化工、建筑、电力、医学等领域有了日益广泛的应用。热波检测技术的理论基础是热波传 导理论和热辐射定律，研究的重点是变化性热源（如周期、脉冲、阶梯函数热源等）与被检 测对象及其几何结构之间的相互作用。被加热后，不同的材料表面及表面以下的物理结构 特性和边界条件将影响热波的传输并将影响材料表面的温度场变化。通过控制热激励方法 和利用热像仪探测材料表面的温度场变化及专门的热像序列处理技术等关键技术进行无 损检测。其检测原理如图1所示。 脉冲相位法（Pulsed Phase Thermography, PPT)，又叫傅里叶变换法，最早是由 X.Maldague等人提出来的，是综合了脉冲热像法（Pulsed Thermography, PT)和锁相热像 法（MT，又称"L0CK-IN"热像技术）MT技术而发展起来的一种热波图像处理方法，由于在脉 冲激励热波中包含全频带频率成分，而在锁相调制中一次只有一种热激励频率，将二者结 合起来，即通过傅里叶变换对脉冲激励热像序列的不同频率进行一次相位谱分析，可以同 时得到众多不同频率成分的所对应的相位图像序列，从中找出对缺陷最敏感（或称为最清 晰）的脉冲相位对应的频率及其图像，就可以进行有效的检测和测量，该方法既有脉冲辐 射测量检测速度快的特点，又有调制辐射测量抗干扰能力强、信号分析简单的优点，不仅可 以用在闪光灯脉冲激励型热波图像序列处理中，而且也可以用在宽时窗直流热激励型热波 图像序列处理领域，是一种很有前途的热波无损检测方法。但是，由于PPT方法是基于快速 傅里叶分析（FFT)运算的，难免会发生频谱泄露和栅栏现象，使得普通的频谱精度较低，信 号的幅值、相位与频率的确定，也都由于采样定理、傅立叶变换的性质和工程实际的限制， 难以获得精确的结果，特别是频率和相位难以达到很高的分辨率，使得热波图像序列的定 性分析、定量计算与真实情况偏差较大。近年来的很多研究表明PPT分析的最优频率通常 在低频段，往往是1 % Hz量级水平，并且随着缺陷深度的增加，其最优分析频率逐步减小。 因此，工程上总是希望在这些特定频率的附近有较高的频率分辨率，能够对信号的频率进 行精确的估计，这样得到的检测效果会更好，其结果也更加可靠。 按照频率分辨率是采样频率与采样数据量的比值的原理，要提高频率分辨率，可 通过三条途径来实现：1)降低采样频率。这样做会使可分析的频谱范围缩小，并且有可能 因不满足采样定理而发生频率混叠现象；2)增加采样点数，即进行长时间的采样观测。这 需要增加硬件的存储量和计算量，由于受到系统硬、软件资源的限制，这样做并不是总能实 现；3)在降低采样频率的同时增加采样点数，这样做，对于普通材料试件PPT分析，要想达 到0. 002Hz的频率分辨率，如果采样频率为2Hz，就需要500秒（8. 3分钟）的采样时间，显 然，这样做就失去了脉冲法快捷的特点，也难以满足实际工程检测的需要。 针对这些问题，近年来人们开始采用频谱细化的方法对PPT方法进行改进。目前， 频谱细化技术主要有复调制细化FFT(Zoom-FFT)、相位补偿细化法、小波分析细化等方法。 其中复调制Zoom-FFT方法分析精度高、容易实现、控制灵活且计算效率高，该方法在基带 FFT分析的基础上先获取全景谱，进而对频谱中最优特征频率处的一个频段进行局部放大 细化，增加谱线密度，以足够高的频率分辨率进行频谱的细致分析，从而获取更准确的频率 信息。上述现有的频谱细化方法主要集中于幅值谱和功率谱的细化，而对于PPT方法的核 心相位分析研究还不多，特别是对频谱细化过程中的降频采样的数据长度与细化倍数成同 样倍数增长，其来源一般只能用补〇的方法，与实际情况不符，且缺乏有效的改进措施，严 重限制了细化谱分析技术的应用。 综上所述，到目前为止，尚未发现一种简单易行、切实有效的方法，能够对红外热 波脉冲相位图像做精密的处理，以满足对装备缺陷的快速无损检测与识别的需要。
技术实现思路
针对上述现有的技术状况，本专利技术的目的在于，提供一种简单易行、切实有效、能 够满足对红外热波脉冲相位图像做精密处理和对装备缺陷快速无损检测识别需要的一种 固定视场的红外热波脉冲相位无损检测方法。 现将本专利技术技术解决方案叙述如下： 本专利技术，其特征在于：综合运用 复调制Zoom-FFT细化谱方法、热波数据拟合扩展方法和零相位数字滤波器方法，对采集到 的热激励前后连续等间隔的红外热波图像序列，进行高精度的频谱分析，包括如下步骤： 步骤1 :用脉冲热像法（PT)获取被测试件热波图像序列，并记录与采样处理相关 的参数； 步骤2 :根据多项式数据拟合方法，对所有像素温度随时间变化序列进行统一阶 数的最小二乘对数拟合，得到所有序列的拟合系数表； yiJ = Cijo+Cmt+Cwt2+…+ciJ5t5 (I) 其中i、j代表像素所在的行与列，t代表时间，c为拟合系数； 步骤3 :运用拟合系数表和3?5阶多项式标准公式，按照被测试件热波图像序列 的热像采样参数生成等时间间隔序列，代入多项式标准公式重建和还原所有的被测试件热 波图像序列；所述被测试件热波图像序列的热像采样参数包括采用帧数、采用帧频、热像宽 度和热像高度。 步骤4 :设置细化倍数与相关参数，用拟合公式对数据进行延拓，经过复调制移 频、低通数字滤波、重新抽样、FFT频谱分析、频率调整步骤，得到原采样序列在某一频带内 的频谱特性和频率分辨率更精密的信息； 步骤5 :对所有的热波图像序列进行精密脉冲相位法（APPT)分析，获得最优化的 精确相位图，并据此进行缺陷检测与分析，包括相位调整、缺陷检测与识别步骤。 本专利技术进一步提供，其特征在 于：步骤1中所述的脉冲热像法（PT)所用的脉冲热激励包括高能闪光灯、超声、直流、通电 类短时间加热激励所生成的热波图像序列；所述的被测试件热波像素点数据序列的热传导 规律满足如公式（2)所示： 【权利要求】1. ，其特征在于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固定视场的红外热波脉冲相位无损检测方法，其特征在于：综合运用复调制细化谱(Zoom‑FFT)方法、热波数据拟合扩展方法和零相位数字滤波器方法，对采集到的热激励前后连续等间隔的红外热波图像序列，进行高精度的频谱分析，包括如下步骤：步骤1：用脉冲热像法(PT)获取被测试件热波图像序列，并记录与采样处理相关的参数；步骤2：根据多项式数据拟合方法，对所有像素温度随时间变化序列进行统一阶数的最小二乘对数拟合，得到被测试件所有序列的拟合系数表；yij＝cij0+cij1t+cij2t2+…+cij5t5   (2)其中i、j代表像素所在的行与列，t代表时间，c为拟合系数；步骤3：运用拟合系数表和3～5阶多项式标准公式，按照被测试件热波图像序列的热像采样参数生成等时间间隔序列，代入多项式标准公式(2)重建和还原所有的被测试件热波图像序列；所述被测试件热波图像序列的热像采样参数包括采用帧数、采用帧频、热像宽度和热像高度；步骤4：设置细化倍数与相关参数，用拟合公式对数据进行延拓，经过复调制移频、低通数字滤波、重新抽样、FFT频谱分析、频率调整步骤，得到原采样序列在某一频带内的频谱特性和频率分辨率更精密的信息；步骤5：对所有的热波图像序列进行精密脉冲相位法(APPT)分析，获得最优化的精确相位图，并据此进行缺陷检测与分析，包括相位调整、缺陷检测与识别。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张金玉，张炜，苏勋家，杨正伟，田干，孟祥兵，王冬冬，陶胜杰，宋鸿杰，
申请(专利权)人：中国人民解放军第二炮兵工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61