CN104422715A - 基于动态子窗口技术的激光扫描热波成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种红外热波成像无损检测方法，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，同时设置热像仪的图像采集子窗口，使之动态地跟踪激光束的移动。通过热像仪采集的一系列热波图像，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

基于动态子窗口技术的激光扫描热波成像方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于动态子窗口热成像技术、采用扫描激光束进行热激励的热波成像方法，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。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。

目前国际上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，其中一个典型的***如图4所示，其中采用了多元光电探测器。但该发明的热激励激光束和热波红外信号都通过扫描***，红外探测器的接收孔径受到转镜尺寸的限制，信噪比很低，而且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。

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。再动态地设置热像仪采集子窗口的位置，使其跟踪激光光斑的扫描，然后通过对所采集的热波图像进行延迟时间的修正及图像拼接与重建，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。而高帧频热像仪除了十分昂贵，其输出的图像分辨率随着帧频的提高会大幅度下降。本发明技术有效的解决了这个问题，使得在使用常规热像仪的情况下，热波检测的时间分辨率得到大幅度提高。

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被吸收。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为热波信号随时间变化示意图。

图2为采用闪光灯激励热波成像的现有技术***示意图。

图3为采用闪光灯激励热波成像的现有技术原理图。

图4为采用扫描激光热激励的热波成像现有技术***原理图。

图5为本发明***原理图。

图6为本发明光路原理图。

图7为本发明一种确定激光扫描速度与位置的方法示意图。

图8为本发明两种种扫描方式示意图。

图9为本发明一种实施例的***原理图。

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（a）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。但如果样品内部存在热阻性缺陷，如空隙或裂纹等，将阻碍热波向样品内部传播，样品表面热波信号的变化如曲线32所示。曲线31和32相减的结果如图1（b）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可以得知有关缺陷的信息，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。

现有技术中，采用闪光灯热激励的热波层析成像的***结构和基本原理分别如图2和图3所示，高能量闪光灯102对样品104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106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。因此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36。因此对一些热波信号变化比较快的样品，必须采用高帧频的热像仪，但当热像仪的帧频提高时，通常采用子窗口方式，即成像的像素会大大减少，造成成像的面积和分辨率的下降。

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。为了形成高能量脉冲热激励，可以将激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。当然也可以进一步聚焦到一个点上，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，样品上任意一点所受到的热激励是短暂的，因此可以看成是脉冲式的。

图5所示的是本发明***的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、及扫描控制单元24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，扫描控制单元24控制光束偏转装置25，进而控制激光焦斑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进行数据处理和热波分析。

为了提高热像仪22的图像采集帧频，本发明采用动态采集子窗口41跟踪激光焦斑30扫描轨迹的方法，即每帧图像只采集红外阵列探测器40上一个局部，即采集子窗口41所示的区域，此采集子窗口41跟随激光焦斑30的扫描而移动。

图6所示为本发明装置成像部分的光路示意图。激光焦斑30的影像42经热像仪22的透镜43投射到红外阵列探测器40上，采集子窗口41选在激光焦斑影像42的周围，图6（a）和（b）分别代表在两个不同的时刻，采集子窗口41和激光焦斑影像42在红外阵列探测器40上的相对位置。当激光焦斑30扫描时，相应的激光焦斑影像42也在红外阵列探测器40上移动，因此采集子窗口41也动态地跟随着激光焦斑影像42移动。由于采集子窗口41可以远小于红外阵列探测器40的行数，因此采样帧频得到很大地提高。例如一个帧频50赫兹的640 X 480的热像仪，当采集子窗口41设为640 X 20时，帧频可以提高24倍，即1200赫兹。由于采样窗口41跟随激光焦斑30在整个被测物体28的激光扫描区29中一起移动，因此经过处理后的图像是完整覆盖整个激光扫描区29的，即最终的热波图像的分辨率不变。不像采用闪光灯热激励的现有技术，在为了提高帧频而使用子窗口方式成像同时，因子窗口位置固定，成像的区域大幅减小，即分辨率大幅下降。

采集子窗口41的大小决定于材料热学特性及激光扫描速度，当材料热扩散率大或很薄时，例如金属材料或各种薄膜和涂层，激光焦斑30的扫描速度需要提高，同时采集子窗口41可以减小一些，以增加图像的采样频率。

在上述实施例所采集的热波图像中，由于激光焦斑在移动，每个像素或像素行的热波信号与热激励之间的延迟时间是不一样的，为了对这些延迟时间进行修正，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的位置通常也是热波信号最强的地方。如图7（a）所示，当激光焦斑30从上至下扫描时，如果沿扫描方向读取热波信号，得到如图7（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光斑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。通过对比两帧已知时间间隔的图像中信号极大值50的位置变化，可以得知激光焦斑30的移动速度。

另外一个方法是采用对热激励波长敏感的摄像机52同步记录激光光斑30的扫描轨迹，并由此计算出激光光斑30的位置和扫描速度，如图9所示。摄像机52和热像仪22的扫描区域经过精确校对，并且两者的帧频最好是同步的。摄像机52的图像还可以用来对激光光斑30的均匀性及被测物体28的表面光学特性进行记录以用于校正。

上述热波成像***实施例采用的激光焦斑30是一条基本等宽于激光扫描区29的直线，光束偏转装置25进行一维扫描。根据需要，比如在需要高热激励强度或用于检测较大样品时，激光焦斑30可以窄于激光扫描区29，此时光束偏转装置25进行二维扫描，如图8（a）所示。同时激光焦斑30还可以间隔式扫描，第一列结束后扫第三列、第五列等，然后再回头扫第二列、第四列等，直到覆盖整个一帧图像，这样扫描方法可以使两相邻扫描重合区域有较长的降温恢复时间，以免该区域热波信号失真。

激光焦斑30也可以是点状光斑，采用二维扫描的方法，如图8（b）所示。采集子窗口41可以选在激光焦斑30的周围区域，通过检测激光焦斑30侧面和前面的热波信号变化，可以得到更多的信息。总之，激光焦斑30可以是各种形状，扫描也可以是任意方向。

为了叙述方便，以上实施例都是采用激光作为热激励源。实际上任何能形成焦斑和可被物体吸收的能量束都可以作为热激励源，如电子束、离子束、声波束等。

Claims (10)

1.一种激光扫描热波成像***，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）用于调整激光束（27）在被测物体（28）表面形成所需激光焦斑（30）的形状；

光束偏转装置（25），所述光束偏转装置（25）用于偏转激光焦斑（30）对被测物体（28）表面进行扫描；

扫描控制单元（24），所述扫描控制单元（24）用于控制所述光束偏转装置（25）；

数据处理单元（20），所述数据处理单元（20）用于对***进行控制和对采集的热波图像进行分析处理；

热像仪（22），用于采集所述被测物体（28）的热波图像，其特征为，所述热像仪（22）的采集子窗口（41）的大小和位置根据红外阵列探测器（40）上激光焦斑影像（42）的位置和移动速度动态地跟踪与调整。

2.根据权利要求1所述的激光扫描热波成像***，其特征为，所述光束整形装置（26）使激光束（27）在被测物体（28）表面形成与激光扫描区（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所述的激光扫描热波成像***，其特征为，所述光束整形装置（26）使激光束（27）在被测物体（28）表面形成线度小于激光扫描区域（29）的激光焦斑（30），所述光束偏转装置（25）实行二维扫描。

4.根据权利要求1所述的激光扫描热波成像***，其特征为，进一步包括对激光器（21）输出波长敏感的摄像机（52）。

5.一种激光扫描热波成像无损检测方法，包括以下步骤：

采用激光焦斑（30）对所述被测物体（28）进行热激励扫描；

根据所述激光焦斑（30）的扫描速度及所述被测物体的热学特性，设置所述热像仪（22）采集子窗口（41）的大小；

在所述激光束（27）扫描过程中，动态地设置所述采集子窗口（41）的位置，使其跟随所述红外阵列探测器（40）上的激光焦斑影像（42）的位置；

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及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。

6.根据权利要求5所述的激光扫描热波成像方法，所述激光焦斑（30）在所述热波图像的位置由所述光束偏转装置（25）的偏转角度与到所述被测物体（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）的偏转角速度与到所述被测物体（28）的距离来确定。

7.根据权利要求5所述的激光扫描热波成像方法，所述激光焦斑（30）在所述热波图像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。

8.根据权利要求5所述的激光扫描热波成像方法，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之差；

用所述像素差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。

9.根据权利要求5所述的激光扫描热波成像方法，所述激光焦斑（30）的位置和扫描速度通过对所述摄像机（52）与所述热像仪（22）同步采集的图像进行分析来确定。

10.根据权利要求5所述的激光扫描热波成像方法，所述热波分析包括以下步骤：

采集一组热波图像；

计算每个像素的热波信号相对于热激励的时间延迟；

采用插值法，计算出新的一组图像，每帧图像中所有像素的热波信号相对于热激励具有相同的时间延迟。