專利名稱：使用激光超聲和紅外熱敏成像的無損檢視的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無損測試，并且更具體地說，涉及使用熱成像和超聲測試以檢視 (inspect)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近年來，高級(jí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的使用在航空、汽車和許多其它商業(yè)中得到巨大的增長。雖 然復(fù)合材料在性能方面提供了重大的改進(jìn)，但在制造工藝中和材料在制成品中使用后，它 們需要嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程。具體而言，無損評(píng)估(NDE)方法必須評(píng)定復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)完 整性。適當(dāng)?shù)脑u(píng)定要求具有檢測在近表面區(qū)域和深層內(nèi)部區(qū)域的包含物、分層和多孔性的 能力。各種方法和設(shè)備已提議用于評(píng)定復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性。一個(gè)解決方案使用超聲 源在目標(biāo)材料中生成超聲表面位移。隨后測量和分析超聲表面位移。超聲的源可以是對(duì)準(zhǔn) 目標(biāo)的脈沖生成激光束(pulsedgeneration laser beam)。來自單獨(dú)檢測激光器的激光照 亮超聲表面位移，并且由工件表面散射。隨后，收集光學(xué)器件收集散射的激光能。收集光學(xué) 器件耦合到干涉儀或其它器件，并且有關(guān)復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性的數(shù)據(jù)能通過散射激光能 的分析而獲得。激光超聲已證明是對(duì)制造工藝期間構(gòu)件的檢視很有效。一般情況下，激光源通過熱膨脹在表面的局部點(diǎn)(localized spot)產(chǎn)生聲音，而 與干涉儀耦合的探測激光束檢測表面位移或速度。由于生成激光的吸收而造成的熱膨脹產(chǎn) 生了由激光超聲檢測系統(tǒng)解調(diào)的位移，導(dǎo)致在激光超聲信號(hào)開始時(shí)的脈沖。此回波通常稱 為表面回波。表面回波可掩蓋樣本表面附近缺陷產(chǎn)生的任何回波。表面回波的持續(xù)時(shí)間取 決于生成激光脈沖持續(xù)時(shí)間和檢測系統(tǒng)的頻率帶寬。一般情況下，使用C02生成激光器和 共焦Fabry-Perot進(jìn)行檢測時(shí)，表面回波可能持續(xù)高達(dá)幾微秒。因此，在該時(shí)間期間將產(chǎn)生 回波的任何缺陷可能被掩蓋。為此，激光超聲檢視對(duì)深層內(nèi)部缺陷靈敏，對(duì)近表面缺陷較不 靈敏。另一種NDE方法是瞬間紅外(IR)熱敏成像，由于其對(duì)聚合母體構(gòu)件 (polymer-matrix parts)中深于幾毫米的缺陷不靈敏的原因，它未有效地顧及聚合母體復(fù) 合物的檢視。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例涉及實(shí)質(zhì)上解決上文確定的需求及其它需求的系統(tǒng)和方法。在下 面的說明書和權(quán)利要求中還描述了本發(fā)明的實(shí)施例。從說明書、附圖和權(quán)利要求中，可明白 本發(fā)明的實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)和特性。本發(fā)明的實(shí)施例組合激光超聲和熱成像技術(shù)以實(shí)質(zhì)上解決上文確定的需求及其 它需求。激光超聲生成技術(shù)可用于提供瞬間熱源。因此，瞬間紅外(IR)熱敏成像可與激光 超聲組合以提供對(duì)聚合母體構(gòu)件(即，復(fù)合材料)的更完整的無損檢視。一個(gè)實(shí)施例提供檢視系統(tǒng)以檢查目標(biāo)材料的近表面和深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此檢視系統(tǒng)包括生成激光器、超聲檢測系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)和處理器/控制模塊。生成激光器產(chǎn)生脈沖激 光束，該激光束可操作地在目標(biāo)材料誘發(fā)超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲檢測系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材 料的超聲表面位移。熱成像系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材料的熱瞬態(tài)。處理器/控制器分析目標(biāo)材料 的檢測到的超聲位移和熱成像，并使其相關(guān)以得出有關(guān)目標(biāo)材料的近表面和深層內(nèi)部結(jié)構(gòu) 的信息。另一實(shí)施例提供檢視目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。此方法涉及誘發(fā)在目標(biāo)材料的超聲 位移和熱瞬態(tài)。這些超聲位移和熱瞬態(tài)可使用單個(gè)脈沖生成激光束產(chǎn)生?？蓹z測和分析對(duì) 準(zhǔn)目標(biāo)表面的生成激光束造成的超聲位移和熱瞬態(tài)。生成和分析可涉及超聲信息和熱信息 的同步和相關(guān)以得出有關(guān)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)的更完整理解。分析超聲位移例如可得出有關(guān)復(fù)合材 料內(nèi)深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。熱成像可得出有關(guān)復(fù)合材料的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。將超聲 信息和熱信息相關(guān)得到目標(biāo)的總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更佳理解。然而，另一實(shí)施例提供復(fù)合材料檢視系統(tǒng)。此復(fù)合材料檢視系統(tǒng)包括生成激光器 以生成脈沖激光束，該激光束誘發(fā)在復(fù)合材料的超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲檢測系統(tǒng)提供用 于檢測在復(fù)合材料的超聲表面位移。熱成像系統(tǒng)提供用于檢測在復(fù)合材料的熱瞬態(tài)。控制 模塊可匹配熱成像幀采集和生成激光束的脈沖重復(fù)頻率。處理器提供用于分析檢測到的超 聲位移和熱成像并使其相關(guān)以便得出有關(guān)目標(biāo)的總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。


為更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在將結(jié)合附圖，參照以下說明，其中類似的標(biāo) 號(hào)指示類似的特性，并且其中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用生成激光束和檢測激光束以生成和檢測激光 超聲位移和熱瞬態(tài)；圖2提供示出激光超聲/熱成像系統(tǒng)的基本組件的框圖；圖3提供根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，激光超聲和IR成像系統(tǒng)的框圖或功能圖；圖4描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，用于收集有關(guān)目標(biāo)的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息的IR 圖像的處理；圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過在帶有平底孔的聚合物板上掃描脈沖C02激 光束而獲得的紅外結(jié)果；圖6提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的邏輯流程圖；以及圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可操作地生成超聲位移和熱瞬態(tài)的生成激光器的 框圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在圖中示出，類似的標(biāo)號(hào)用于指各個(gè)附圖的類似和對(duì)應(yīng)部 分。本發(fā)明的實(shí)施例組合激光超聲和熱成像技術(shù)以提供諸如但不限于聚合母體構(gòu)件 (即，復(fù)合材料)等目標(biāo)材料的更完整無損檢視。一個(gè)實(shí)施例提供可操作地檢查目標(biāo)材料的 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢視系統(tǒng)。此檢視系統(tǒng)包括生成激光器、超聲檢測系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)和處理器/ 控制模塊。生成激光器產(chǎn)生脈沖激光束，該激光束可操作地在目標(biāo)材料誘發(fā)超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲檢測系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材料的超聲表面位移。熱成像系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材料的熱瞬 態(tài)。處理器分析檢測到的目標(biāo)材料的超聲位移和熱成像，并使其相關(guān)以得出有關(guān)目標(biāo)材料 的總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。本發(fā)明的實(shí)施例提供用于實(shí)現(xiàn)更快的檢視速率、改進(jìn)的系統(tǒng)可靠 性和更低的操作成本。圖1示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，使用生成激光束和檢測激光束以生成和檢測激光 超聲位移和熱瞬態(tài)。激光束102生成超聲和熱瞬態(tài)，而照明(檢測)激光束104檢測在諸 如在測試的復(fù)合材料等目標(biāo)106的超聲。如圖所示，這些激光可共軸應(yīng)用到目標(biāo)106。生 成激光束102在目標(biāo)106造成熱彈性膨脹112，這導(dǎo)致形成超聲變形或超聲波108。變形或 超聲波108在目標(biāo)106中傳播，并且調(diào)制、散射和反射檢測激光束104以產(chǎn)生引導(dǎo)遠(yuǎn)離目標(biāo) 106的相位調(diào)制光110，相位調(diào)制光經(jīng)收集和處理以獲得描述目標(biāo)106的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。圖2提供帶有用于執(zhí)行超聲激光測試和紅外(IR)熱敏成像的基本組件的框圖。生 成激光器210產(chǎn)生生成激光束212，而光學(xué)配件214將該光束引導(dǎo)到目標(biāo)216。如圖所示， 光學(xué)配件214包括沿掃描或測試平面(scan or test plan) 218移動(dòng)激光束212的掃描器 或其它類似機(jī)構(gòu)。光學(xué)配件214可包括視覺相機(jī)、深度相機(jī)、IR相機(jī)、范圍檢測器(range detectors)、窄帶相機(jī)或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它類似光學(xué)傳感器。這些光學(xué)傳感器每 個(gè)可要求在執(zhí)行檢視前進(jìn)行校準(zhǔn)。此校準(zhǔn)驗(yàn)證系統(tǒng)集成各種傳感器收集的信息的能力。生 成激光器210產(chǎn)生在目標(biāo)216內(nèi)的超聲波108和熱瞬態(tài)。熱成像系統(tǒng)232捕獲目標(biāo)的熱像。 這些圖像經(jīng)處理以得出有關(guān)目標(biāo)216的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。此過程將參照?qǐng)D3和下文 進(jìn)一步詳細(xì)地描述。產(chǎn)生超聲波108和熱瞬態(tài)的熱彈性膨脹112是由于復(fù)合材料吸收生成激光束的原 因。復(fù)合材料216容易吸收生成激光束212而不會(huì)腐蝕或分解。更高功率的生成激光不一 定是克服信噪比(SNR)問題的優(yōu)選，因?yàn)檫@些激光能導(dǎo)致工件的表面的材料腐蝕，從而可 能損壞組件。在其它實(shí)施例中，視在測試的材料而定，一些腐蝕可以是可接受的，以便增大 檢測到的信號(hào)的SNR。生成激光束212具有適當(dāng)?shù)拿}沖持續(xù)時(shí)間、功率和頻率以誘發(fā)超聲 表面變形和適當(dāng)?shù)臒崴矐B(tài)。例如，橫向激發(fā)大氣壓(TEA)C02激光器能產(chǎn)生100納秒脈沖寬 度的10. 6微米波長光束。激光的功率必須足以輸送例如0.25焦耳脈沖到目標(biāo)，這可需要 以400Hz脈沖重復(fù)率操作的100瓦激光。生成激光束212作為熱量被吸收到目標(biāo)表面中， 由此造成熱彈性膨脹而無腐蝕。在脈沖模式或CW模式中操作的檢測激光器220不誘發(fā)超聲位移。例如，能使用 Nd:YAG激光器。此激光器的功率必須足以輸送例如100毫焦耳100微秒脈沖，這可需要 一千瓦(KW)激光。檢測激光器220生成檢測激光束222。檢測激光器220包括濾波機(jī)構(gòu) 224或光學(xué)耦合到濾波機(jī)構(gòu)224以從檢測激光束224去除噪聲。光學(xué)配件214將檢測激光 束224引導(dǎo)到散射和/或反射檢測激光束224的復(fù)合材料216的表面。結(jié)果相位調(diào)制光由 收集光學(xué)器件226收集。如此處所示，散射和/或反射的檢測激光通過光學(xué)配件214往回 傳播?？蛇x光學(xué)處理器228和干涉儀230處理相位調(diào)制光以產(chǎn)生包含表示在復(fù)合材料216 表面的超聲位移的信息的信號(hào)。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232協(xié)調(diào)激光超聲系統(tǒng)組件和熱成像 組件的操作以得出有關(guān)目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232可以是單個(gè)處理器件或多個(gè)處理器件。此類處理器件 可以是微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、微計(jì)算機(jī)、中央處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、可編程邏輯器件、狀態(tài)機(jī)、邏輯電路、模擬電路、數(shù)字電路和/或基于存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的操作 指令操控信號(hào)(模擬和/或數(shù)字)的任何器件。存儲(chǔ)器可以是單個(gè)存儲(chǔ)器件或多個(gè)存儲(chǔ)器 件。此類存儲(chǔ)器件可以是只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、易失性存儲(chǔ)器、非易失性存儲(chǔ)器、靜 態(tài)存儲(chǔ)器、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器、閃存、高速緩沖存儲(chǔ)器和/或存儲(chǔ)數(shù)字信息的任何器件。存儲(chǔ)器存 儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于如將示出的至少一些步驟和/或功能的操作指令，并且數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)232 執(zhí)行這些指令。圖3提供根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，激光超聲和IR成像系統(tǒng)300的框圖或功能圖。激 光超聲和IR成像系統(tǒng)300包括生成激光器302、控制模塊304、激光超聲檢測系統(tǒng)306、熱成 像系統(tǒng)308、處理模塊310及光學(xué)系統(tǒng)312。生成激光器302產(chǎn)生生成激光束，該激光束由 光學(xué)系統(tǒng)312引導(dǎo)到由諸如但不限于復(fù)合材料等材料形成的目標(biāo)314，其中，如上所述誘發(fā) 了超聲位移。激光超聲檢測系統(tǒng)306生成檢測激光束，該激光束由光學(xué)系統(tǒng)312引導(dǎo)到目 標(biāo)314，其中，在目標(biāo)314表面的超聲位移造成檢測激光束被相位調(diào)制。檢測激光束由目標(biāo) 的表面散射。光學(xué)系統(tǒng)312也收集這種散射的相位調(diào)制光。激光超聲檢測系統(tǒng)306處理收 集的相位調(diào)制光以便形成包含有關(guān)超聲位移的信息的信號(hào)。信號(hào)提供到處理模塊310。生成激光器302也為目標(biāo)314的熱成像測量產(chǎn)生熱瞬態(tài)。諸如IR相機(jī)308等熱 成像系統(tǒng)采集目標(biāo)314內(nèi)熱瞬態(tài)的熱成像或幀。為每個(gè)生成激光脈沖采集圖像。另外的圖 像可在每個(gè)生成脈沖后在預(yù)定時(shí)間采集。這些不同的圖像經(jīng)處理以產(chǎn)生激光超聲所檢視的 完整區(qū)域的熱敏成像檢視。熱敏成像結(jié)果補(bǔ)充激光超聲結(jié)果，并且以此方式提供更完整和更可靠的檢視。瞬 間IR熱敏成像本身不提供用于諸如聚合母體復(fù)合物等復(fù)合構(gòu)件(composite parts)的有 效檢視。瞬間IR熱敏成像只對(duì)復(fù)合構(gòu)件的頂部表面靈敏，這是因?yàn)樗诰酆夏阁w上是低熱 傳導(dǎo)性。因此，IR熱敏成像不能用于識(shí)別以檢測以及識(shí)別聚合母體或復(fù)合構(gòu)件內(nèi)的深層缺 陷。激光超聲和IR成像系統(tǒng)300包含提供深層內(nèi)部檢視系統(tǒng)的激光超聲和解決目標(biāo) 314的近表面檢視的熱成像。這解決了與激光超聲檢視可能對(duì)近表面缺陷不靈敏的實(shí)際情 況相關(guān)聯(lián)的問題。通過組合這兩種技術(shù)，可能實(shí)現(xiàn)與在只使用激光超聲或IR熱敏成像時(shí)可 能的檢視相比對(duì)復(fù)合構(gòu)件或材料的更完整的無損檢視。圖4描述IR圖像的處理以聚集有關(guān)目標(biāo)314的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。熱像可在每次生 成激光束已發(fā)出后聚集，或者在生成激光束已發(fā)出后預(yù)定時(shí)間聚集。在生成激光束向目標(biāo) 314A發(fā)出或發(fā)射脈沖時(shí)，將沿掃描路徑316掃描生成激光束。生成激光束引導(dǎo)到的點(diǎn)318 每個(gè)將具有熱瞬態(tài)320。通過用生成激光束重復(fù)照亮目標(biāo)314，并收集許多熱像，目標(biāo)314N 示出路徑316的掃描。這些熱瞬態(tài)可用于確定與目標(biāo)材料相關(guān)聯(lián)的熱性質(zhì)。例如，通過分 析在一段時(shí)間內(nèi)目標(biāo)的熱成像，可確定量化的熱壁厚度(thermal wall thickness)。這可 以如圖5所示的合成視覺圖像形式顯現(xiàn)。此處理方案分析紅外圖像(更具體地說，分析不 同圖像內(nèi)隨時(shí)間變化的溫度變化)。從IR相機(jī)的每個(gè)點(diǎn)的所有IR圖像構(gòu)建相對(duì)溫度變化 曲線。另一實(shí)施例可提供掃描IR熱敏成像技術(shù)以檢視材料的近表面缺陷。這允許限制 目標(biāo)的峰值熱負(fù)載，這是因?yàn)樵谌魏我粋€(gè)時(shí)間只加熱一小部分的目標(biāo)。此類系統(tǒng)使用掃描 激光器誘發(fā)熱瞬態(tài)。
圖5示出通過在帶有平底孔的聚合物板(polymer plate)上掃描脈沖C02激光 束而獲得的紅外結(jié)果。目標(biāo)502中的缺陷清晰地顯示在灰階圖像500中。圖像500包括 材料502內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)504。此圖像可使用諸如在題為“合成參考熱成像方法”(Synthetic reference thermal imaging method)的美國專利6367969中所述的成像方法生成，為了所 有目的，該專利通過引用結(jié)合于本文中。IR瞬間熱敏成像分析方案可用于準(zhǔn)確地測量目標(biāo) 的厚度，并提供指示在目標(biāo)的所需區(qū)域上其橫截面厚度的可視編碼顯示?；旧?，在快速加熱目標(biāo)的表面的溫度時(shí)間(T_t)響應(yīng)分析中拐點(diǎn)的IR瞬間熱敏 成像使用優(yōu)選從“前端”IR相機(jī)觀察獲得。此拐點(diǎn)在T-t響應(yīng)中較早發(fā)生，并且基本上與側(cè) 向熱損失機(jī)構(gòu)無關(guān)。(此類考慮可以是特定相關(guān)的，例如，在處理金屬時(shí)，由于金屬的高熱傳 導(dǎo)性，金屬目標(biāo)的熱響應(yīng)相當(dāng)快，因此，可用于獲得熱數(shù)據(jù)測量結(jié)果的時(shí)間通常很短)。拐點(diǎn) 從預(yù)定時(shí)段內(nèi)從連續(xù)IR相機(jī)圖像幀采集的熱數(shù)據(jù)提取。優(yōu)選的是，基于在評(píng)估的目標(biāo)的厚 度估計(jì)，此時(shí)段至少稍長于預(yù)期特征時(shí)間。成像目標(biāo)的每個(gè)(x，y)像素位置的熱參考數(shù)據(jù)被計(jì)算得出，并隨后用于為每個(gè)像 素確定隨時(shí)間變化的對(duì)比度。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制成像系統(tǒng)，記錄和分析經(jīng)IR相機(jī)采集的表 面溫度數(shù)據(jù)，并提供準(zhǔn)確地對(duì)應(yīng)于目標(biāo)厚度的以彩色或灰階圖案為特征的圖像(color or graypattern-keyed image) 0此信息可與激光超聲數(shù)據(jù)合并以產(chǎn)生目標(biāo)的更詳細(xì)內(nèi)部圖 片。表面溫度數(shù)據(jù)的采集通過發(fā)出生成激光以照亮和加熱目標(biāo)的一部分表面來啟動(dòng)。 隨后，在每個(gè)生成激光脈沖后的一段時(shí)間內(nèi)記錄熱圖像幀，并且記錄的圖像用于形成溫度 時(shí)間(T-t)歷史，如與圖4的熱瞬態(tài)320相關(guān)聯(lián)的歷史。隨后，為采集的圖像幀中的每個(gè)像素進(jìn)行T-t歷史的熱流分析，以確定目標(biāo)在每 個(gè)分辨單元位置的厚度。通常，通過目標(biāo)的固體部分的瞬間熱流分析要求確定熱能的“脈 沖”在第一表面穿入目標(biāo)，從相對(duì)表面反射和返回第一表面所需的特征時(shí)間。由于此特征時(shí) 間與兩個(gè)表面之間的距離有關(guān)，因此，它能用于確定在所需點(diǎn)目標(biāo)的兩個(gè)表面之間的厚度。 為與目標(biāo)表面的每個(gè)分辨單元對(duì)應(yīng)的每個(gè)(x，y)像素位置確定對(duì)比度與時(shí)間曲線。圖6提供根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，描述檢視諸如但不限于復(fù)合材料等材料的方法的 邏輯流程圖。操作600應(yīng)用激光超聲技術(shù)和熱成像或紅外熱敏成像技術(shù)以便檢視和檢查要 測試的材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。操作600在步驟602中開始，在該步驟中，在目標(biāo)材料中誘發(fā)超聲 位移和熱瞬態(tài)。這些均可使用與激光超聲系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的生成激光束進(jìn)行。此生成激光束在 引導(dǎo)到目標(biāo)材料的表面時(shí)，生成如參照?qǐng)D1和4所述的超聲位移和熱瞬態(tài)。在步驟604中， 檢測超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲位移可使用諸如但不限于激光超聲系統(tǒng)等超聲系統(tǒng)檢測。熱 瞬態(tài)可通過采集目標(biāo)材料的熱成像來檢測。如上所述，熱瞬態(tài)和超聲的生成可以是同步或 相關(guān)的。此信息可用于匹配在步驟606中執(zhí)行的分析結(jié)果。在步驟606中，分析檢測到的超 聲位移和熱成像。檢測到的超聲位移將提供有關(guān)目標(biāo)材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，而熱瞬 態(tài)的熱成像可經(jīng)處理以確定目標(biāo)材料內(nèi)的近表面結(jié)構(gòu)。由于超聲位移和熱瞬態(tài)由同一生成 激光束啟動(dòng)，因此，此信息可用于輕松地將檢測到的超聲位移和熱成像相關(guān)。這在步驟608 中允許實(shí)現(xiàn)目標(biāo)材料的近表面和深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的詳細(xì)綜合理解。相關(guān)可部分地通過對(duì)所采集的熱像應(yīng)用時(shí)戳而進(jìn)行。此外，熱成像采集幀速率可 與生成激光束的脈沖重復(fù)頻率進(jìn)行匹配。熱敏成像允許為目標(biāo)材料的其它表示確定合成圖像。這可涉及通過分析熱成像來確定到達(dá)的量化熱厚度。量化熱壁厚度的變化可指示在目 標(biāo)材料中在發(fā)生量化熱壁厚度的意外變化的該點(diǎn)的近表面缺陷。此信息可通過對(duì)比度顯示 來顯現(xiàn)，其中，對(duì)比度的突然變化指示量化熱壁厚度的不連續(xù)性或變化。生成激光束可以是中間紅外超聲生成激光。此類生成激光提供緊湊的(compact) 高平均功率中間紅外激光以實(shí)現(xiàn)超聲和熱瞬態(tài)生成。如圖7所示，生成激光器700包括其 中具有纖維激光器的泵激光頭(pump laser head) 702，耦合到生成激光頭704的纖維。使 用纖維激光器允許激光泵位置遠(yuǎn)離生成激光頭704。泵激光頭可經(jīng)光纖702耦合到生成激 光頭704。將泵激光頭702定位在遠(yuǎn)離生成激光束輸送頭704數(shù)米外的位置，這允許緊湊的 中間紅外生成激光頭，該激光頭降低了用于輸送生成激光束和采集熱圖像的機(jī)器人系統(tǒng)的 總有效負(fù)載和穩(wěn)定性要求。在機(jī)器人系統(tǒng)的檢視頭內(nèi)，只需安裝包含生成激光束輸送頭和 IR相機(jī)的緊湊且重量輕的模塊。這允許部署使用更小的機(jī)器人的中間紅外激光源。因此， 為使用便攜式激光超聲系統(tǒng)和IR熱敏成像系統(tǒng)的現(xiàn)場復(fù)合NDE創(chuàng)造了新的復(fù)合檢視機(jī)會(huì)。 這些方案在題為“生成超聲的纖維激光器”(fiber laser to generate ultrasound)的號(hào) _的美國專利申請(qǐng)中論述，為了所有目的，該專利通過引用結(jié)合于本文中?？傊?，本發(fā)明的實(shí)施例提供可操作地檢查目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢視系統(tǒng)。此檢 視系統(tǒng)包括生成激光器、超聲檢測系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)和處理器/控制模塊。生成激光器產(chǎn)生 脈沖激光束，該激光束可操作以在目標(biāo)材料誘發(fā)超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲檢測系統(tǒng)檢測在 目標(biāo)材料的超聲表面位移。熱成像系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材料的熱瞬態(tài)。處理器分析檢測到的目 標(biāo)材料的超聲位移和熱成像以得出有關(guān)目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的一樣，術(shù)語“實(shí)質(zhì)上”或“大約”可能在本文中使用 時(shí)提供了其對(duì)應(yīng)術(shù)語的工業(yè)接受容限。此類工業(yè)接受容限范圍從低于到20%，并且對(duì) 應(yīng)于但不限于組件值、集成電路工藝變化、溫度變化、升降時(shí)間和/或熱噪聲。正如本領(lǐng)域 的技術(shù)人員將還理解的一樣，術(shù)語“可操作地耦合”可能在本文中使用時(shí)包括直接耦合和經(jīng) 另一組件、元件、電路或模塊的間接耦合，其中，對(duì)于間接耦合，中介組件、元件、電路或模塊 不修改信號(hào)的信息而可能調(diào)整其電流水平、電壓電平和/或功率水平。正如本領(lǐng)域的技術(shù) 人員將理解的一樣，推斷耦合(inferred coupling)(即，一個(gè)元件通過推斷(inference) 耦合到另一元件)包括使用與“可操作地耦合”相同的方式在兩個(gè)元件之間的直接和間接 耦合。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將還理解的一樣，術(shù)語“比較起來有利”可能在本文中使用時(shí) 表示兩個(gè)或更多元件、項(xiàng)目、信號(hào)等之間的比較提供了所需的關(guān)系。例如，在所需關(guān)系是信 號(hào)1具有比信號(hào)2更大的幅度時(shí)，有利的比較可能在信號(hào)1的幅度大于信號(hào)2的幅度或者 信號(hào)2的幅度小于信號(hào)1的幅度時(shí)實(shí)現(xiàn)。雖然本發(fā)明已詳細(xì)描述，但應(yīng)理解，在不脫離隨附權(quán)利要求書定義精神和范圍的 情況下，可對(duì)其進(jìn)行不同的更改、替代和變化。
權(quán)利要求
一種檢視目標(biāo)的方法，包括產(chǎn)生可操作地在所述目標(biāo)誘發(fā)超聲位移和熱瞬態(tài)的生成激光束；將所述生成激光束引導(dǎo)到所述目標(biāo)的表面，其中所述生成激光束在所述目標(biāo)產(chǎn)生超聲位移和所述熱瞬態(tài)；檢測在所述目標(biāo)的所述超聲位移和所述熱瞬態(tài)；分析在所述目標(biāo)檢測到的超聲位移和所述目標(biāo)的熱成像得出有關(guān)所述目標(biāo)的信息。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述目標(biāo)包括復(fù)合材料；分析檢測到的超聲位移得出有關(guān)所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息；以及 分析在所述目標(biāo)的熱成像得出有關(guān)所述復(fù)合材料的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括將有關(guān)所述復(fù)合材料的所述深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息 和所述復(fù)合材料的所述近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息相關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述檢測到的超聲位移和所述熱成像相關(guān)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測在所述目標(biāo)的所述超聲位移和所述熱瞬態(tài)還包括匹配熱成像和所述生成激光束的脈沖重復(fù)頻率。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測在所述目標(biāo)的所述超聲位移和所述熱瞬態(tài)還包括匹配熱成像幀速率和所述生成激光束的脈沖重復(fù)頻率。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱像的視場包括所述生成激光束的掃描平面。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過分析在所述目標(biāo)的熱成像來確定量化的熱壁厚度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述量化的熱壁厚度的意外變化指示所述目標(biāo)中在 所述意外變化處的缺陷。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中分析在所述目標(biāo)的熱成像包括紅外(IR)瞬間熱敏 成像。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括 生成檢測激光束；將所述檢測激光束引導(dǎo)到所述目標(biāo)的所述表面；散射在所述目標(biāo)的所述表面的所述檢測激光束，以產(chǎn)生通過超聲表面位移進(jìn)行相位調(diào) 制的光；收集所述相位調(diào)制光；處理所述相位調(diào)制光以獲得表示在所述表面所述超聲表面位移的數(shù)據(jù)；以及 收集帶有所述信息的所述數(shù)據(jù)以分析所述目標(biāo)內(nèi)的結(jié)構(gòu)。
12.—種可操作地檢視目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢視系統(tǒng)，包括生成激光器，可操作地生成脈沖激光束，所述激光束可操作地在所述目標(biāo)誘發(fā)超聲位 移和熱瞬態(tài)；超聲檢測系統(tǒng)，可操作地檢測在所述目標(biāo)的所述超聲表面位移； 熱成像系統(tǒng)，可操作地檢測在所述目標(biāo)的所述熱瞬態(tài)；處理器，可操作地分析在所述目標(biāo)檢測到的超聲位移和所述目標(biāo)的熱成像以得出有關(guān) 所述目標(biāo)的所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
13.如權(quán)利要求12所述的檢視系統(tǒng)，其中所述超聲檢測系統(tǒng)包括檢測激光器，可操作地生成檢測激光束，所述激光束可操作地照亮在所述目標(biāo)的所述 超聲表面位移；收集光學(xué)器件，用于收集來自在所述目標(biāo)表面散射的所述檢測激光束通過超聲表面位 移進(jìn)行相位調(diào)制的光；干涉儀，處理所述相位調(diào)制光并生成至少一個(gè)輸出信號(hào)；以及 處理單元，處理所述至少一個(gè)輸出信號(hào)以獲得表示在所述目標(biāo)的所述超聲表面位移的 數(shù)據(jù)。
14.如權(quán)利要求12所述的檢視系統(tǒng)，其中所述熱成像系統(tǒng)包括紅外(IR)瞬間熱敏成像 系統(tǒng)。
15.如權(quán)利要求14所述的檢視系統(tǒng)，其中所述IR瞬間熱敏成像系統(tǒng)包括IR敏感相機(jī)， 所述IR敏感相機(jī)可操作地采集由所述生成激光束照亮的所述目標(biāo)的圖像幀。
16.如權(quán)利要求15所述的檢視系統(tǒng)，其中所述目標(biāo)的圖像幀包括像素的陣列，并且指 配有對(duì)應(yīng)于經(jīng)過時(shí)間的幀號(hào)，其中通過分析熱成像的連續(xù)幀來確定量化的熱壁厚度。
17.如權(quán)利要求15所述的檢視系統(tǒng)，其中所述處理單元將所述檢測到的超聲位移和所 述熱成像相關(guān)。
18.如權(quán)利要求15所述的檢視系統(tǒng)，還包括控制模塊，所述控制模塊可操作地匹配熱 成像幀采集和所述生成激光束的脈沖重復(fù)頻率。
19.如權(quán)利要求15所述的檢視系統(tǒng)，其中 所述目標(biāo)包括復(fù)合材料；所述處理單元分析分析檢測到的超聲位移以得出有關(guān)所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息； 分析在所述目標(biāo)的熱成像以得出有關(guān)所述復(fù)合材料的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息；以及 將有關(guān)所述復(fù)合材料的所述深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息和所述復(fù)合材料的所述近表面內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的信息相關(guān)。
20.一種大面積復(fù)合檢視系統(tǒng)，包括生成激光器，可操作地生成脈沖激光束，所述激光束可操作地在下面的復(fù)合材料誘發(fā) 超聲位移和熱瞬態(tài)；超聲檢測系統(tǒng)，可操作地檢測在所述復(fù)合材料的所述超聲表面位移； 熱成像系統(tǒng)，可操作地檢測在所述復(fù)合材料的所述熱瞬態(tài)； 控制模塊，可操作地匹配熱成像幀采集和所述生成激光束的脈沖重復(fù)頻率； 處理器，可操作地分析在所述復(fù)合材料檢測到的超聲位移和所述目標(biāo)的熱成像以得出有關(guān)所述目標(biāo)的 所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。
21.如權(quán)利要求20所述的檢視系統(tǒng)，其中所述處理單元分析分析檢測到的超聲位移以得出有關(guān)所述復(fù)合材料的深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息； 分析在所述目標(biāo)的熱成像以得出有關(guān)所述復(fù)合材料的近表面內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息；以及將有關(guān)所述復(fù)合材料的所述深層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息和所述復(fù)合材料的所述近表面內(nèi)部 結(jié)構(gòu)的信息相關(guān)。
22.如權(quán)利要求20所述的檢視系統(tǒng)，其中所述超聲檢測系統(tǒng)包括檢測激光器，可操作地生成檢測激光束，所述激光束可操作地照亮在所述目標(biāo)的所述 超聲表面位移；收集光學(xué)器件，用于收集來自在所述目標(biāo)表面散射的所述檢測激光束通過超聲表面位 移進(jìn)行相位調(diào)制的光；干涉儀，處理所述相位調(diào)制光并生成至少一個(gè)輸出信號(hào)；以及處理單元，處理所述至少一個(gè)輸出信號(hào)以獲得表示在所述目標(biāo)的所述超聲表面位移的 數(shù)據(jù)。
23.如權(quán)利要求20所述的檢視系統(tǒng)，其中所述熱成像系統(tǒng)包括紅外(IR)瞬間熱敏成像 系統(tǒng)。
24.如權(quán)利要求23所述的檢視系統(tǒng)，其中所述IR瞬間熱敏成像系統(tǒng)包括IR敏感相機(jī)， 所述IR敏感相機(jī)可操作地采集由所述生成激光束照亮的所述目標(biāo)的圖像幀。
25.如權(quán)利要求20所述的檢視系統(tǒng)，其中圖像幀包括像素的陣列，并且指配有對(duì)應(yīng)于 經(jīng)過時(shí)間的幀號(hào)，其中通過分析熱成像的連續(xù)幀來確定量化的熱壁厚度。
全文摘要
檢視系統(tǒng)(200)提供用于檢查目標(biāo)材料(216)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此檢視系統(tǒng)包括生成激光器(210)、超聲檢測系統(tǒng)(220，226，228，230)、熱成像系統(tǒng)(234)及處理器/控制模塊(232)。生成激光器(210)產(chǎn)生脈沖激光束(212)，該激光束可操作地在目標(biāo)材料(216)誘發(fā)超聲位移和熱瞬態(tài)。超聲檢測系統(tǒng)檢測在目標(biāo)材料(216)的超聲表面位移。熱成像系統(tǒng)(234)檢測在目標(biāo)材料(216)的熱瞬態(tài)。處理器(232)分析檢測到的目標(biāo)材料(216)的超聲位移和熱成像以得出有關(guān)目標(biāo)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。目標(biāo)材料(216)優(yōu)選包括復(fù)合材料。
文檔編號(hào)G01N29/24GK101889194SQ200780101871
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2007年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者D·R·霍沃, H·I·林格馬赫, M·杜波瓦斯, P·W·德拉克, P·W·洛蘭 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司