一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置及方法。以解决目前红外热波成像检测过程中热流横向热扩散作用造成的缺陷检测精度低的问题，本发明专利技术提出基于热波时频特征的离散余弦

【技术实现步骤摘要】
一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置及方法


[0001]本专利技术属于光热科学与探测技术、信号分析与特征提取、图像处理与识别
，特别是涉及一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置及方法。该成像装置与方法适用于航空航天、微电子及微纳结构等材料缺陷/损伤的精准无损检测与评价领域。

技术介绍

[0002]红外热波成像检测技术作为一种新兴无损检测技术，具有非接触、直观、探测面积大等优势，适用于薄金属构件、复合材料构件以及高分子材料的无损检测与质量评价等方面。红外热波成像检测技术采用外部激励源对被检测试件进行主动热激励加载，热流由被检测试件表面向内部渗透，当被检测试件内部存在缺陷时，缺陷与被检测试件材料在其热物理参数上存在明显区别，进而加速或阻碍热流扩散过程。此时缺陷的阻碍作用通过热传导扩散到被检测试件表面，利用红外热像仪可以识别出被检测试件的红外辐射差异，进而实现缺陷的有效识别。热流的传播完全依靠被检测试件内部的温度梯度，由高温区域到低温区域扩散，存在对缺陷的放大检测效果，热流的横向热扩散必然导致缺陷被检测尺寸大于实际尺寸。虽然，热波成像检测方法利用热流的非均匀扩散检测手段可以实现对小尺度缺陷的放大检测，但是缺陷尺寸检测偏差大，因此，基于红外热波成像检测技术的缺陷精准检测面临较大挑战，如果在缺陷检测过程中对热流横向热扩散作用进行有效抑制成为实现缺陷精准检测的关键技术瓶颈。
[0003]在已有研究中，贵州大学魏嘉呈等提出了一种相似光流法(Likeness optical flow,LOF)的方法，该方法可以在二维对应的热特征图像中来估计热流梯度扩散场，并利用该方法减少横向热扩散对检测精度的影响。通过仿真与试验证明了LOF方法对红外图像序列热流横向热扩撒效应起到了较好的抑制作用，同时该方法对于特定特征提取方法具有较好的特征增强效果，但是，在进行LOF迭代运算过程中，初始图像与终止图像选取并未制定严格准则，因此，在未知缺陷尺度时，获得的结果准确度无实在意义。哈尔滨工业大学王飞等对LOF方法进行优化，基于梯度变化的Horn
‑
Schunk算法，在光流基本约束方程的基础上附加了全局平滑假设，实现了方程的完备性，通过特征提取算法提取缺陷特征，并经理论计算获取缺陷深度信息，将深度信息反馈到特征图像迭代模型中，最终实现缺陷对横向热扩散的有效抑制。但是由于Horn
‑
Schunk算法应用的前提为图像缓慢运动(即热流扩散慢)，因此，缺陷等效直径精度依然与实际缺陷直径存在较大偏差。哈尔滨商业大学卜迟武等(专利号：ZL201810891371.1)提出一种热障涂层结构脱粘缺陷脉冲飞秒激光激励红外热波检测装置与方法，在该专利中为实现热障涂层结构脱粘缺陷的精准测量，提出采用飞秒激光对试件进行主动热激励加载，缩短热流横向热扩散时间，实现缺陷尺寸的精准测量，但该方法也带来了缺陷检测信噪比低的问题，对于较小的脱粘缺陷无法识别。首都师范大学与北京维泰凯信新技术有限公司的冯立春等(专利号：ZL200510077750.X)提出一种红外热波检测
层析图像的重建方法，在该专利中仅根据热流在深度方向扩散特性理论公式实现缺陷的三维重构，并未对热流的平面扩散放大作用进行考虑，因此，实现的层析成像为仅考虑深度方向的伪层析成像，获取的缺陷等效直径与实际直径偏差较大。综上，目前针对红外热波成像检测方法的研究主要集中在如何对缺陷进行三维定位，由于热流梯度扩散的特殊性，对于缺陷尺寸的精准量化表征存在较大挑战，进而导致在该方面的研究总体较少。
[0004]为了充分考虑热流梯度扩散特性进而对缺陷尺寸进行准确量化表征，本专利技术涉及一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置与方法，该专利技术涉及热波干涉与衍射特性、信号分析与特征提取、光热特征融合、特征图像变化追踪及缺陷识别量化与表征等多方面内容，能够有效抑制热流横向热扩散导致的缺陷检测精度差的问题，实现针对金属材料以及复合材料缺陷平面尺寸的有效识别。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置及方法。本专利技术适用于航空航天、微电子及微纳结构等领域复合材料、金属材料等无损检测方面。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置，所述成像装置包括红外热像仪、第一BNC控制线、第二BNC控制线、第一以太网线、传导光纤、风冷制冷器、半导体制冷器、激光器、控制线、激光器电源、第三BNC控制线、函数发生器、第一USB通讯线、第四BNC控制线、锁相放大器、第五BNC控制线、数据采集卡、第二以太网线、光学相机、计算机、第二USB通讯线、运动控制器、运动控制线、二维移动台、柱透镜、第一偏振片、工程漫射体、套筒、准直镜、夹具、试件和第二偏振片；
[0007]所述的计算机设有四个信号端，计算机的其中一个信号输入端通过第一以太网线与红外热像仪的信号输出端连接，计算机的第二个信号输入端通过第二以太网线与光学相机的信号输出端连接，计算机的第三个信号输出端通过第一USB通讯线与函数发生器输入端相连接，计算机的第四个信号输出端通过第二USB通讯线与运动控制器输入端连接，红外热像仪的其中一个信号输入端通过第一BNC控制线与函数发生器输出端连接，红外热像仪的第二信号输出端通过第二BNC控制线与数据采集卡输入端连接，风冷制冷器、半导体制冷器以及激光器通过螺栓机械连接，激光器输出端通过传导光纤与准直镜相连接，柱透镜、第一偏振片、工程漫射体、套筒和准直镜通过螺纹连接在套筒上，激光器电源的信号输出端通过控制线与激光器输入端相连接，激光器电源的信号输入端通过第三BNC控制线与函数发生器信号输出端相连接，函数发生器信号输出端通过第四BNC控制线与锁相放大器信号输入端相连接，数据采集卡输出端通过第五BNC控制线与锁相放大器信号输入端相连接，运动控制器输出端通过运动控制线与二维移动台信号输入端相连接，夹具通过螺纹连接固定于二维移动台之上，夹具用于装夹试件，第二偏振片通过螺纹连接与红外热像仪相连接。
[0008]本专利技术提出一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置的成像方法，所述成像方法具体包括：
[0009]步骤一：明确待检测试件，将试件放置于二维移动台上；
[0010]步骤二：开启基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置；
[0011]步骤三：开启激光器电源若干分钟后，激光器、风冷制冷器以及半导体制冷器已将
激光器温度控制于预设温度，此时打开激光器；
[0012]步骤四：开启红外热像仪和光学相机并对试验样件进行实时成像，并采用激光器照射试件，计算机控制运动控制器，进而调整二维移动台以确保激光束照射位置全部处于红外热像仪和光学相机视野；
[0013]步骤五：计算机控制函数发生器产生脉冲触发信号，该脉冲触发信号一路控制激光器产生固定功率的常脉冲激光，另一路控制红外热像仪按照固定频率采集试件热辐射图像，与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置，其特征在于，所述成像装置包括红外热像仪、第一BNC控制线、第二BNC控制线、第一以太网线、传导光纤、风冷制冷器、半导体制冷器、激光器、控制线、激光器电源、第三BNC控制线、函数发生器、第一USB通讯线、第四BNC控制线、锁相放大器、第五BNC控制线、数据采集卡、第二以太网线、光学相机、计算机、第二USB通讯线、运动控制器、运动控制线、二维移动台、柱透镜、第一偏振片、工程漫射体、套筒、准直镜、夹具、试件和第二偏振片；所述的计算机设有四个信号端，计算机的其中一个信号输入端通过第一以太网线与红外热像仪的信号输出端连接，计算机的第二个信号输入端通过第二以太网线与光学相机的信号输出端连接，计算机的第三个信号输出端通过第一USB通讯线与函数发生器输入端相连接，计算机的第四个信号输出端通过第二USB通讯线与运动控制器输入端连接，红外热像仪的其中一个信号输入端通过第一BNC控制线与函数发生器输出端连接，红外热像仪的第二信号输出端通过第二BNC控制线与数据采集卡输入端连接，风冷制冷器、半导体制冷器以及激光器通过螺栓机械连接，激光器输出端通过传导光纤与准直镜相连接，柱透镜、第一偏振片、工程漫射体、套筒和准直镜通过螺纹连接在套筒上，激光器电源的信号输出端通过控制线与激光器输入端相连接，激光器电源的信号输入端通过第三BNC控制线与函数发生器信号输出端相连接，函数发生器信号输出端通过第四BNC控制线与锁相放大器信号输入端相连接，数据采集卡输出端通过第五BNC控制线与锁相放大器信号输入端相连接，运动控制器输出端通过运动控制线与二维移动台信号输入端相连接，夹具通过螺纹连接固定于二维移动台之上，夹具用于装夹试件，第二偏振片通过螺纹连接与红外热像仪相连接。2.一种基于权利要求1所述的基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置的成像方法，其特征在于，所述成像方法具体包括：步骤一：明确待检测试件，将试件放置于二维移动台上；步骤二：开启基于热流扩散跟踪的缺陷精准检测光热融合成像装置；步骤三：开启激光器电源若干分钟后，激光器、风冷制冷器以及半导体制冷器已将激光器温度控制于预设温度，此时打开激光器；步骤四：开启红外热像仪和光学相机并对试验样件进行实时成像，并采用激光器照射试件，计算机控制运动控制器，进而调整二维移动台以确保激光束照射位置全部处于红外热像仪和光学相机视野；步骤五：计算机控制函数发生器产生脉冲触发信号，该脉冲触发信号一路控制激光器产生固定功率的常脉冲激光，另一路控制红外热像仪按照固定频率采集试件热辐射图像，与此同时，计算机控制二维移动台及光学相机工作，其中二维移动台移动方向垂直于线激光方向，红外热像仪、激光器以及光学相机位置是相对静止的，试件随着二维移动台的某一方向匀速运动，线扫描激光作用于试场的位置固定，扫描完成后进行图像序列重构；步骤六：重构后的图像序列等同于受到脉冲热源激励后的热图像响应，将重构的图像利用离散余弦变化获得其特征响应图像序列；步骤七：经过离散余弦变换可以得到不同频率分量的特征图像序列，此时选取试件缺陷位置与无缺陷位置相位特征差异与不同频率对应关系曲线；步骤八：基于两张特征图像，采用卢卡斯卡纳德方法获取图像沿x,y方向的运动速度v
x
,v
y
；
步骤九：获取最终的特征图像；步骤十：将获取的特征图像与光学相机获取的图像进行配准融合，采用拟合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王飞，刘俊岩，岳卓言，孟祥林，王永辉，宋鹏，强桂燕，陈明君，岳洪浩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学芜湖机器人产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：