CN103411999B - 激光异步扫描热波成像无损检测***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光异步扫描热波成像无损检测***与方法，***采用高功率激光束，经光束偏转装置对样品的表面进行快速扫描，实现脉冲热激励。激光束的帧扫描速度异步于热像仪的帧扫描速率，热像仪采集一系列热波图像，每帧图像中各像素的热波信号与热激励之间具有不同的延迟，经过延迟量修正和数值处理的热波图像，可以用于对样品的内部缺陷进行分析。

Description

激光异步扫描热波成像无损检测***与方法

技术领域

本发明涉及一种采用扫描激光束作为热激励源的热波成像方法，用于对被测物体进行无损检测，属于红外无损检测的技术领域。

背景技术

热波层析成像无损检测技术的基本原理是，首先采用热激励源对被测物体表面进行脉冲加热，形成表面与被测物体内部的温度差，使得热能从表面向物体内部流动。如果物体内部的热学特性具有非均匀性，比如断裂或空隙等缺陷，热流的传播将会受到影响，部分热流会被反射回到物体的表面。利用热像仪连续采集来自被测物体表面的热辐射图像，再通过分析这些图像随温度变化的特性，可以得到热波被物体内部缺陷反射的时间和强度，从而判断出这些缺陷的大小和特性。

随着新材料、新能源、高速铁路、核工业及航空航天等工业的快速发展，对无损检测技术的要求日益增加。热波检测技术具有检测速度快、成像面积大、非接触及远距离探测等优点，应用广泛，从小的方面讲，可对半导体材料，如太阳能电池、集成电路的封装、半导体光源的封装导热性能等的测试，以及金属及其他非透明薄膜的测量等。从大的方面讲，可对飞机和航天器外壳的内部粘合状况及腐蚀程度、水下舰只的外壳、气体和液体的输送管线、火车轨道及轮盘、锅炉锅体、汽车外壳及漆层质量等进行评估，从而及时发现隐患以避免事故。

相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，红外热波成像技术具有独特的优势。而且这个技术尤其对复合材料的检测十分有效。复合材料的运用已成为现代航空航天领域装备先进性的重要标志之一。随着各种特殊金属材料和复合材料在机身、机翼、涡轮叶片、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及机身结构等部位的应用，对无损检测的要求逐步增加。同样在新能源领域的复合材料应用也在快速成长，如风力发电机的叶片目前主要都是由玻璃纤维树脂填充材料制成的。通常复合材料是采用多层纤维胶合的方式或蜂窝夹层结构，具有高强度和重量轻的优点。由于在制造和使用的过程中经常会产生内部缺陷，如分层、脱粘、裂缝等，大大影响了材料的强度和使用寿命。对复合材料的无损检测虽然可以采用传统的超声探伤技术，但该技术要求探头接触被测物体，逐点扫描，费时费力。对于结构复杂的复合材料，如蜂窝状板材，超声波技术则无法有效地进行检测。

在热波层析成像时，根据样品的特性有两种热激励方式。对于比较薄的样品、特别是高导热率的材料，例如半导体晶片及太阳能硅片等，采用热激励时间很短的脉冲方式，否则热波的回波到达表面时热激励还没结束，影响检测。而对于比较厚或导热率差的样品，热波的变化缓慢，对热激励的能量要求高，所以通常采用连续的热激励源，如大功率红外灯等，连续长时间加热，然后再进行图像采集，采样速率可以很慢。

对快速变化热波信号的检测需要解决两个问题，高能量短脉冲热激励和高速图像采集。对于高能量短脉冲热激励，目前国外市场上的产品都采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如其总能量有限，每次测试的面积不能太大；光束发散不均匀，不能远距离作用；闪光脉冲周期极短且不可调，过高的峰值功率会造成样品的损坏；灯管的使用寿命有限，设备体积庞大、不易移动等。而对于高速图像采集的问题，目前只有采用具有高帧频功能的热像仪。这种热像仪十分昂贵，而且输出的图像分辨率随着帧频的提高大幅度下降。

近年来大功率半导体激光器得到了飞跃式的发展，使得此类激光器在功率大幅度提高的同时，价格快速下降。激光器和传统的热激励光源相比具有波长可选择、强度可调制，光束可聚集和可扫描等优点。

目前已有少量热波成像技术采用激光扫描热激励，如美国专利3,808,439、6,343,874、6,419,387等，都介绍了采用激光扫描热激励的方法进行热波成像，但这些方法中都没能解决热波层析成像的关键问题，特别是针对于浅表层缺陷的检测必须采用高帧频热像仪的问题。中国发明专利申请（申请号2013101306946）描述了一种采用激光移相扫描热激励的热波层析成像方法，同时解决了对浅层缺陷实现热波层析成像所必需的短脉冲热激励与高速采样的两个问题。但由于该发明的激光扫描行频同步于热像仪的行频，所以扫描速度局限于热像仪的参数，使得该技术的应用得到了较大的限制。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有热波无损检测技术的不足，提供一种同时满足脉冲热激励和高速红外图像采集的热波成像无损检测方法。该方法采用大功率激光器作为热激励源，通过控制光束偏转装置对样品的表面进行快速扫描，实现脉冲热激励。激光光斑的帧扫描频率异步于热像仪的帧扫描频率，使得每个像素的热波信号相对于热激励的延迟不断地变化，再通过对所采集的热波图像进行延迟时间的修正及数据处理，从而达到高帧频图像采集的目的。

传统的热波成像技术的时间分辨率决定于热像仪的帧频，常规的热像仪的帧频是有限的，如在25-60Hz左右，不适合于较薄或热导率较大的样品的热波成像无损检测。本发明的激光异步扫描技术有效的解决了这个问题，在使用常规热像仪的情况下，使得热波检测的时间分辨率大幅度提高。

本发明采用异步扫描方法，即激光束的帧扫描速率与热像仪的帧扫描速率不同步，激光束多次重复扫描，这样每帧图像中各个像素的热波信号相对于热激励都具有不同的时间延迟，将所有图像相同像素点的热波信号按延迟时间排序起来并进行拟合，即可以得到该点热波信号随时间变化的曲线。

激光扫描的速度可以根据样品的特性进行选择，如果样品导热快并具有较浅层的缺陷，可以采用细光束快速扫描。如果样品导热率低，缺陷位置比较深，则可以采用宽光束慢速扫描，以便有更多的热激励能量。除了可以采取线状光束一维扫描外，也可以采用点状聚焦光斑进行二维扫描。

附图说明

图1为热波信号随温度变化示意图。

图2为有缺陷区与无缺陷区的差分热波信号示意图。

图3为常规热波层析成像技术原理图。

图4为本发明热波成像技术的原理图。

图5为本发明实施方式示意图。

图6为本发明热波成像光路示意图。

图7为本发明的技术原理示意图。

图8为本发明的激光扫描方式示意图。

图9为本发明几种激光扫描方式示意图。

图10为本发明另几种激光扫描方式示意图。

图11为本发明另几种激光扫描方式示意图。

图12为本发明另几种激光扫描方式示意图。

图13为本发明一种确定热波信号延迟时间的示意图。

图14为本发明另一种实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1所示的是热波信号随时间变化的关系。在短暂的脉冲热激励后，样品表面温度迅速升高，然后开始下降。如果样品内部没有缺陷，热波信号变化如曲线31所示。但如果样品内部有热阻性缺陷，如空隙裂纹等，则信号的变化如曲线32所示。这两个曲线31、32的差分如图2中的曲线33所示。根据曲线33的峰值S_o的大小和峰值出现的时间t_o可以得知缺陷的有关信息，如深度及大小等。因此为了能实现热波层析成像，必须能够测出温度下降曲线31和32。

常规的热波层析成像的过程如图3所示。高能量闪光灯对样品加热后，随着样品表面吸收的热能开始向样品内部传播，表面温度开始下降，如曲线36所示。热像仪在温度下降的过程中连续采集一系列图像34，再将这一系列图像34中对应于同一个像素点的热波信号35用公式拟合起来，即可得到该像素点热波信号随温度变化的曲线36。可以看出，常规的热波层析成像技术采用的是一次激发，多次图像采集的方法，图像采集的最小间隔为一个帧频周期。由此可见，热像仪的帧频周期必须远小于热波信号的变化周期，否则会因采样点太少而无法准确得到曲线34。因此对一些热波信号变化比较快的样品，通常要求采用高帧频的热像仪。

本发明采取的是激光异步扫描热波成像的方法。常见的大功率激光器的峰值功率是有限的，特别是平均到样品表面上。为了形成脉冲热激励，首先将光束聚焦到一条线上，这样单位面积的功率密度可以提高数百倍。当然也可以聚焦到一个点，这样功率密度提高更多，但是需要采用二维的扫描装置。当激光线束在样品表面快速扫描时，对样品上任意一点的热激励是短暂的，因此可以看成是脉冲的。激光器可以重复周期性扫描，每次扫描的升温和降温过程基本重复。如图4所示，曲线37代表由激光扫描引起的温度上升，曲线39代表温度下降过程。如果在每次温度下降期间采集一帧图像38，并且每帧图像38的采集时间相对于前一帧有一个偏移，这样经过数个周期后，可以得到一系列具有不同时间延迟的热波图像38。对这一系列图像38中同一个像素的热波信号进行拟合，便可以得到该像素点的热波变化曲线39。和传统的热波层析成像所采用的单次热激励、多次采样技术相比，本发明所采用的激光扫描技术是重复性热激励、异步采样的方法。

在重复扫描之间如果不是等待足够时间，每次扫描后的样品表面温度都会有所升高，因此需要进行背景温度的校正，即在每次激光束扫描前测量样品表面的温度。

图5所示的是本发明***一种实施方式示意图，包括高功率激光器21、光束整形装置26、光束偏转装置25、热像仪22、数据处理单元20、扫描控制单元24、及红外滤光片23等。激光束27通过光束整形装置26形成扇状一字形激光焦斑30，在被测物体28上的激光扫描区29进行逐行扫描。所激发的热波信号由热像仪22接收并送到数据处理单元20，红外滤光片23用于滤去热波信号以外的波长，特别是热激励光束的波长。扫描控制单元24控制光束偏转装置25和热像仪22的相对关系，使得两者的帧扫描速率保持一个差值。

图6所示为本发明装置成像部分的光路示意图。热像仪22的透镜43将激光焦斑30投影到热像仪22的红外阵列探测器40上，激光焦斑30投影在红外焦平面探测器40上的像素行42上，而红外阵列探测器40的当前信号读出行41则相应于激光扫描区29的位置46。激光焦斑30的投影位置42与当前读出行41之间的行距除以激光焦斑30在红外阵列探测器40上投影的扫描速率就是当前读出行41的热波信号相对于热激励的延迟。例如激光焦斑30的帧扫描速度为10Hz，帧频周期为100ms，如果当前读出行41和光束投影位置42的差距为1/4帧，则当前读出的热波信号相对于热激励的时间延迟为25ms。

为了实现快速热波层析成像，本发明采取激光异步扫描方法，即激光束扫描的速度与热像仪读出的扫描速度不同步。如图7（a）所示，当激光束扫描速度V_L（单位：行数/秒）大于热像仪读出扫描速度V_D时，热像仪当前读出行41与激光束投影42之间的距离会随着时间从t₀到t₁逐渐增大。反之，当激光束扫描速度V_L小于热像仪读出扫描速度V_D时，热像仪当前读出行41与激光束投影42之间的距离会随着时间从t₀到t₁逐渐缩小，如图7（b）所示。热像仪当前读出行41与激光束投影42之间的行距除以热像仪扫描速度就是激光束加热部位的热波信号到被检测出时的延迟。

如果刚开始时热像仪当前读出行41与激光束投影42之间的延迟为dt₀，到t时刻的延迟量dt则为：

dt(t)=dt₀+(V_L/V_D–1)t

由此可以得到任意一帧热波图像中任意一行的热波信号与热激励之间的延迟量。如果帧频周期为T_F，行频周期为T_L，则第N帧中第n行的热波信号延迟量dt(N,n)为：

dt(N,n)=dt₀+(V_L/V_D–1)(NT_F+nT_L)

这时同一帧热波图像中每一行的延迟量都是不同的。

激光焦斑30的帧扫描可以如图8（a）所示那样，沿着一个方向进行，回扫时快速掠过，或将激光器关闭；也可以如图8（b）所示，激光焦斑30进行往复扫描，节省时间和充分利用激光器的能量。

激光焦斑30可以是一条宽线，如图9（a）所示。激光焦斑30也可以如图9（b）所示，在不断前进的同时往复扫描较宽的区域。宽线扫描的优点是在局部形成一维热扩散，有利于热波向深处传播，以探测较深的缺陷。

激光焦斑30还可以跳跃式扫描，如图10（a）所示，第一行和第二行相隔约半帧，然后再回到第三行，直到完成一帧的扫描，这样可以使热激励重合区域有较长的降温恢复时间。同样，激光束可以聚成一条短线，每次扫描样品的一个局部，隔列扫描，如图10（b）所示，这特别适用于检测较大的样品。

激光焦斑30的扫描方向可以和热像仪22的扫描方向不一样，如图11（a）所示，两者的方向正交，或是成一个夹角，如图11（b）所示。要求是激光焦斑30的扫描速率与热像仪22的扫描速率保持特定关系，使得热像仪22的每个像素的热波信号延迟都会产生渐变。

激光焦斑30也可以是点状或短线状光斑，采用二维扫描的方法，如图12所示。图12（a）表示的是扫描路径如梳状，即都是从左到右，快速回扫；图12（b）表示的是往复扫描，可以充分利用回扫时间，提高激光功率的利用率；图12（c）所示的是大光斑扫描，可以提高扫描效率，同时可以形成局部的一维热扩散的条件，有利于深处缺陷的探测。

在上述激光异步扫描情况下所采集的热波图像中，每个像素或像素行的热波信号与热激励之间的时间延迟是不一样的，为了对这些时间延迟进行修正，需要知道激光焦斑30在热波图像中的位置和扫描速度。这个可以通过多种方法实现。首先，在已知被测物体28到光束偏转装置25的距离的情况下，可以采用事先校准过的光束偏转装置25的偏转角度与转动角速度，结合光束偏转装置25和热像仪22之间的扫描时序关系通过计算获得。比较好的做法是从采集到的热波图像中，根据激光焦斑30的位置来确定，激光焦斑30的位置通常也是信号最强的地方。如图13（a）所示，当激光焦斑30从上至下扫描时，如果沿扫描方向的直线51读取热波信号，得到如图13（b）所示的曲线，其中激光焦斑30所在处的信号极大值50为最强。因此可以对热波图像中沿激光焦斑30的扫描方向取出数据进行拟合，找出热波信号极大值50所处的位置。将相邻两帧图像中的激光焦斑30位置相减得到激光焦斑30在两帧图像时间间隔里所移动的像素值，再除以这个时间间隔便可以得到激光焦斑30的扫描速度。再有一个方法如图14所示，即采用对热激励波长敏感的摄像机52同步记录激光焦斑30的扫描轨迹，并由此计算出激光焦斑30的位置和扫描速度。摄像机52和热像仪22的扫描区域需经过精确校对，并且图像的帧频最好是同步的。摄像机52的图像还可以用来对激光焦斑30的均匀性及被测物体28的表面光学特性进行记录和校正。

Claims (13)

1.一种激光异步扫描热波成像无损检测***，其特征在于，所述***包括：

激光器（21），所述激光器（21）用于在被测物体（28）表面激励热波；

光束整形装置（26），所述光束整形装置（26）调整激光束（27）在被测物体（28）表面形成的激光焦斑（30）的形状；

光束偏转装置（25），所述光束偏转装置（25）用于偏转激光束（27）对被测物体（28）表面进行扫描；

热像仪（22），所述热像仪（22）包括红外阵列探测器（40），用于采集被测物体（28）表面的热波图像；

数据处理单元（20），所述数据处理单元（20）用于对所述热像仪（22）采集的热波图像进行处理分析；

扫描控制单元（24），所述扫描控制单元（24）控制所述光束偏转装置（25），使得所述激光焦斑（30）在所述红外阵列探测器（40）上的投影的扫描速率异步于所述红外阵列探测器（40）自身的信号扫描速率。

2.根据权利要求1所述的激光异步扫描热波成像无损检测***，其特征为，所述光束整形装置（26）使激光束（27）在被测物体（28）表面形成至少一条与激光扫描区域（29）基本等宽的线形激光焦斑（30），所述光束偏转装置（25）实行一维扫描。

3.根据权利要求1所述的激光异步扫描热波成像无损检测***，其特征为，所述光束整形装置（26）使所述激光束（27）在被测物体（28）表面形成至少一个激光焦斑（30），所述光束偏转装置（25）实行二维扫描。

4.根据权利要求1所述的激光异步扫描热波成像无损检测***，其特征为，所述激光焦斑（30）在所述红外阵列探测器（40）上的投影的扫描方向与所述红外阵列探测器（40）自身的信号扫描方向不一致。

5.根据权利要求1所述的激光异步扫描热波成像无损检测***，其特征为，进一步包括对所述激光束（27）波长敏感的摄像机（52），用于记录被测物体（28）的表面光学特征及激光焦斑（30）的光学特征。

6.一种激光异步扫描热波成像无损检测方法，包括以下步骤：

将被测物体（28）置于激光扫描区域（29）中；

采用热像仪（22）对所述激光扫描区域（29）进行检测；

采用激光焦斑（30）对所述被测物体（28）进行热激励扫描，所述热激励扫描的行频率与所述热像仪（22）的行扫描频率异步；

采集一组热波图像，根据所述激光焦斑（30）在所述热波图像中的位置与扫描速度计算出所述热波图像上每个像素的热波信号与热激励之间的延迟量；

对所述热波图像进行延迟时间的修正；

对所述延迟时间修正后的图像进行热波分析。

7.根据权利要求6所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，所述激光焦斑（30）通过光束偏转装置（25）进行热激励扫描，所述激光焦斑（30）的位置由所述光束偏转装置（25）的偏转角度与所述光束偏转装置（25）到所述被测物体（28）的距离来确定；所述激光焦斑（30）的扫描速度由所述光束偏转装置（25）的偏转角速度与所述光束偏转装置（25）到所述被测物体（28）的距离来确定。

8.根据权利要求6所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，所述激光焦斑（30）的位置由所述热波图像中的热波信号极大值（50）位置来确定。

9.根据权利要求6所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，所述激光焦斑（30）的扫描速度的计算方法包括以下步骤：

选取两帧已知时间间隔的图像；

根据热波信号极大值（50）在所述两帧图像中所处的像素位置，得到激光焦斑（30）在所述两帧图像之间所移动的像素值；

用所述像素值除以所述两帧图像的时间间隔，得到所述激光焦斑（30）的扫描速度。

10.根据权利要求6所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，所述激光焦斑（30）的位置和扫描速度通过对激光波长敏感的摄像机（52）与所述热像仪（22）同步采集的图像进行分析来确定。

11.根据权利要求6所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，进一步包括利用对激光波长敏感的摄像机（52）采集激光焦斑（30）的扫描图像，利用所述扫描图像对所采集的热波图像进行激光强度分布的修正，降低激光束非均匀性与所述被测物体（28）表面光学特征对热波信号的影响。

12.一种激光异步扫描热波成像无损检测方法，包括以下步骤：

将被测物体（28）置于激光扫描区域（29）中；

设定激光焦斑（30）的扫描的速率异步于热像仪（22）的扫描速率；

使用激光焦斑（30）对所述被测物体（28）进行热激励扫描，同时采集一组热波图像；

重复所述热激励扫描与热波图像采集，并在每次重复扫描前，设定所述激光焦斑（30）的扫描起始时间相对于所述热像仪（22）的扫描起始时间具有不同的延迟；

计算出所有图像上每个像素的热波信号与热激励之间的延迟量；

将所有图像按所述延迟量排列，并对所述热波图像进行延迟时间的修正；

对经所述延迟时间修正后的图像进行热波分析。

13.根据权利要求12所述的激光异步扫描热波成像无损检测方法，所述热波分析包括首先对每次所述重复扫描得到的热波图像分别进行背景温度的校正。