一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種采用激光掃描的熱波鎖相成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用高功率激光束對試件表面進行周期性熱激勵，紅外熱像儀連續(xù)采集試件表面的序列熱波圖像，通過采用鎖相圖像處理技術，得到試件的振幅與相位熱波圖像，從而判定材料內部的結構與缺陷。
【專利說明】
一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種熱波鎖相成像系統(tǒng)，特別是采用了激光掃描熱激勵技術，屬紅外無損檢測技術領域。
【背景技術】
[0002]熱波成像技術是近代發(fā)展起來的一項無損檢測手段，其基本原理是采用熱激勵源對試件表面進行加熱來產生溫度差，該溫度差形成向試件內部傳播的熱波，當熱波在試件內部遇到缺陷或熱阻抗有變化的地方時，部分熱能就會發(fā)生反射而回到試件的表面，使得試件表面的溫度發(fā)生動態(tài)分布。采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度隨時間變化的信息，再通過圖像處理手段對熱波信號進行校正、處理和分析，可以實現(xiàn)對內部結構及缺陷的檢測。相比傳統(tǒng)的無損檢測手段，熱波成像技術具有非接觸、遠距離、大面積快速成像等獨特優(yōu)勢，特別適合檢測各種復雜結構的復合材料，包括表面粗糙的非透明涂層。其應用廣泛，如太陽能電池的粘合、風電葉片的脫粘，集成電路封裝，航天器外殼的內部腐蝕、水下艦只的殼體、汽車外殼及漆層質量等等的評估與檢測。
[0003]熱波成像無損檢測分為多種技術手段，比較普遍采用的是脈沖熱激勵方式，基本原理是采用脈沖熱激勵源在試件表面產生一個短周期的熱脈沖，利用其在試件內部傳播途中與材料內部缺陷及非均勻性結構之間的相互作用來進行檢測。這個方法的測試時間快，對不同深度的缺陷可同時有效的探測，但對熱激勵源的要求比較高，必須能在短時間內輻射出很高的輻射能量。另一個主要手段是熱波鎖相成像檢測技術，其采用周期性熱激勵源對試件表面進行加熱，利用信號的周期相關性對采集到的試件表面溫度變化進行處理，可分離出熱波信號的振幅與相位，從而得到試件內部缺陷與結構的信息。相對于脈沖熱激勵方法，其優(yōu)點是對熱激勵源的性能要求降低很多，單位面積的熱激勵功率大幅度減低。當然缺點是測試時間長，而且不同深度的缺陷需要采用不同的調制頻率，以免漏檢。因此比更適合面積比較大的試件，而且缺陷的深度相對比較確定的情況。
[0004]目前主流的熱波鎖相成像系統(tǒng)大都是采用高功率紅外加熱燈，其優(yōu)點是成本低，使用也比較方便。但缺點也十分明顯，如光輻射嚴重發(fā)散，以至于不適合遠距離作用，并且由此導致在試件表面的電熱轉換效率不高，而且熱激勵的面積大小不易控制，完全靠燈的位置來調整，且光輻射的均勻性不好。加之燈管的熱響應比較慢，燈管本身高溫所輻射的紅外線通過試件表面的反射會干擾熱波圖像的采集，等等。因此需要有一種更加有效的熱激勵方式來進一步對目前的熱波鎖相成像技術進行提高。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有熱波鎖相成像技術的不足，提出一種改進的熱激勵與檢測裝置。本發(fā)明采用掃描激光束作為熱激勵源，激光掃描熱激勵具有多重優(yōu)勢，它可以遠距離投射、輻射區(qū)域大小可任意改變、輻照均勻、響應速度快、可靈活控制、自身不發(fā)熱，等等，因此特別適合應用于熱波成像技術。
[0006]本發(fā)明的具體方法為:采用激光束對試件表面進行掃描熱激勵，使得掃描的頻率與圖像采集的幀頻保持特定的同步關系，這樣可以消除由于激光光斑在掃描過程中對熱波圖像產生的干擾。紅外熱像儀的工作方式可分為凝視型與掃描型，凝視型是指整幅圖像在同一時刻采集，然后順序讀出，而掃描型紅外熱像儀則是采取逐行積分與讀出的方式。因此根據紅外熱像儀工作方式的不同將采用不同的同步方式。下面的實施示例將給予進一步的詳細介紹。
【附圖說明】
[0007]圖1為熱波鎖相成像技術的原理示意圖；
[0008]圖2為激光掃描鎖相成像系統(tǒng)原理圖；
[0009]圖3為激光掃描鎖相成像系統(tǒng)的熱激勵與圖像采集示意圖；
[0010]圖4為本發(fā)明方法的一種實施方式；
[0011]圖5為本發(fā)明方法的另一種實施方式；
[0012]圖6為本發(fā)明方法的又一種實施方式；
[0013]圖7為本發(fā)明方法的還一種實施方式；
[0014]圖8為幾種激光調制波形，(a)為正弦波，(b)為多個正弦波的疊加，(C)為頻率漸變正弦波。
【具體實施方式】
[0015]為了使本發(fā)明的原理及特點得到更好的理解，以下將結合具體實施例與附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[0016]圖1(a)所示的是現(xiàn)有熱波鎖相成像技術的系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)包括熱激勵源10，紅外熱像儀11，熱激勵驅動單元12及數(shù)據處理單元14。在熱激勵驅動單元12的控制下，熱激勵源10的光輻射對試件表面進行周期性加熱，產生的熱波15向試件內部傳播，當遇到內部缺陷17或結構性變化時，會有一部分反射熱波16被反射到試件表面，熱波反射回來的時間、強度等和缺陷深度及材料的物理特性相關。一種周期性熱激勵波形如圖1(b)中的“熱激勵調制”曲線所示，這是一方波，但也可以采用其它波形，如正弦波等。試件表面在吸收熱激勵能量后的溫度變化如圖1 (b)的“試件表面溫度”曲線所示，其上升與下降沿都有平滑現(xiàn)象，這是材料的熱學弛豫現(xiàn)象所致。當試件內部有缺陷時，由于部分“反射熱波信號”的影響，這個溫度曲線將受到一定的改變，但通常這種改變十分微弱，在圖像噪聲的影響下，直接從熱波圖像上往往比較難于看清楚。由于周期性的熱激勵產生的熱波信號也是周期性的，而噪聲則是無規(guī)的，因此可以通過這種周期相關性對噪聲進行抑制，從而使得圖像的信噪比得到很大提高，缺陷變得清晰起來，這就是鎖相技術的基本原理。
[0017]周期信號的相關處理，也就是鎖相信號處理的方式有幾種，最簡單的可以將其稱為單相積分法，就是將檢測到的熱波信號按熱激勵的正、負兩個半周期分別進行積分，具體的就是將這個周期內采集的“序列熱波圖像”進行平均，如圖1(b)的“單相積分法”曲線所示，然后將這兩個半周的積分信號相減，這樣背景信號得到消除，噪聲得到一定的抑制，而熱波信號不受損失。這個方法處理速度很快，特別適合于比較短周期的熱激勵，可以在較短時間處理很多周期。由于被缺陷反射的熱波信號傳到表面需要一定時間，因此熱波信號積分的周期相對于熱激勵的周期需要要一定的延遲或稱為相移，否則信號會受到損失。這種方法的缺點是不能得到熱波信號的振幅與相位。因此另一種方法可稱為雙相積分法，它是通過在單相積分的基礎上增加第二路單相積分來實現(xiàn)的。這兩路單相積分之間相差90度的相位，如果將熱波信號作為一個矢量，在二維坐標上這兩路單相積分信號就相當于熱波信號在x、y兩個正交坐標的投影。因此可以通過三角公式計算出熱波信號的幅度與相位。這種方法由于計算量相對不是很大，處理速度也是比較快的，因而得到普遍的應用。另外一種周期信號的相關處理方式就是直接對“序列熱波圖像”進行快速傅立葉變換，計算出熱波信號的振幅與相位圖像。這種快速傅立葉變換圖像分析法有很多優(yōu)點，如精度高，抑噪效果好，當然缺點是計算量很大，處理時間比較長。
[0018]上述現(xiàn)有熱波鎖相成像系統(tǒng)中采用的多是紅外線燈，也有報道采用的是激光束來進行熱激勵的。但不是采用掃描的方式，而是將激光束擴束，使得光斑充滿紅外熱像儀的視場。這種方式的主要缺點是由于激光束的相干性，擴大的光斑里會有很多干涉條紋和散斑；另外激光束是高斯分布的，很難將大光斑中各點的光強調均勻，因此這些都會影響到熱激勵的質量。本發(fā)明采用激光掃描的方式，當激光束聚焦成點狀或線狀時，干涉現(xiàn)象將不會產生影響，通過一維或二維掃描，可以得到均勻分布的熱激勵。并且掃描方式還可以很容易改變熱激勵的范圍，而這樣的系統(tǒng)還可以同時實現(xiàn)熱波鎖相成像與脈沖熱波成像的目的。
[0019]對于鎖相成像技術，圖像上由于熱激勵所引起的熱波信號強度分布不均勻在一定范圍內是可以接受的，因為盡管會影響振幅圖像，但在最終的相位圖像上這種非均勻熱激勵的影響會得到很大的抑制。但是這種強度的不均勻性不能太大，否則其影響無法完全消除。特別是熱激勵的強度分布在所有序列熱波圖像中不能發(fā)生變動，否則這種變動等同于噪聲，將影響到最終圖像的質量。由此可見，激光掃描與紅外熱像儀的幀頻之間必須保持一定的同步關系。
[0020]圖2所示的是一種采用激光掃描的熱波鎖相成像系統(tǒng)原理框圖。高功率激光器21在激光控制單元20的驅動下，用于在被測試件表面激勵熱波。激光控制單元20可以控制激光器21的輸出功率的波形，例如在熱波圖像采集過程中有時希望使用如正弦或其它波形來進行熱激勵，這可以通過數(shù)據處理單元14來控制激光控制單元20去實現(xiàn)。光束整形裝置22可以根據需要調整激光光斑24的形狀，如點狀或線狀等，為了方便本說明書將以線狀光斑為主進行敘述。掃描振鏡23在掃描控制單元25的驅動下，用于對激光束進行一維或二維的掃描。紅外熱像儀11則用于采集熱波圖像，其幀頻與掃描振鏡23的掃描頻率在掃描控制單元25的控制下保持特定的同步關系。
[0021]由于聚焦的激光束功率密度很高，因此必須保持較高的掃描速度。對于長周期的熱激勵，在一個加熱周期中激光束將往復掃描多次，與此同時熱波圖像也需要連續(xù)采集。如圖3所示，曲線31表示的是試件表面各點溫度因激光束重復掃描而隨時間的變化，有如鋸齒波狀，上升沿為激光束加熱，下降沿為加熱后的冷卻。曲線32代表由這種連續(xù)激光掃描所產生的平均加熱效應。曲線33則是加熱周期停止后的溫度下降曲線，比較平滑。
[0022]激光掃描應用于熱波鎖相成像技術的首要問題是，在加熱周期里由于激光束在不停掃描，每幀熱波圖像中各點的熱激勵時間是不同的，這樣會造成熱波圖像強度分布的不均勻。另外在在加熱周期里，激光光斑24所在位置的溫度往往高于周邊很多，采集到的圖像中各點亮度差別很大。如圖4(a)所示，其中曲線41表示熱波圖像自上而下的溫度分布。如果紅外熱像儀幀頻和激光掃描不同步，激光光斑24不停地移動，并且在不同幀的熱波圖像中的位置不一樣，這樣的序列熱波圖像在進行處理時就很難得到好的結果。因此必須設法使得采集的序列熱波圖像的信號強度分布盡量均勻，并且?guī)c幀之間的信號強度分布相同。
[0023]一個直接的解決辦法就是使得激光光斑24的掃描與紅外熱像儀11的幀頻同步，并且等待激光光斑24掃描出紅外熱像儀11視場后再開始采集熱波圖像，以避免激光光斑24的影響。如圖4(b)所示，在沒有激光光斑24的影響下，這時熱波圖像上的信號從上至下相對變化較小，這有利于后期處理時進行修正。
[0024]另外一種方式是將激光光斑24適當擴寬成條狀，以降低功率密度，如圖5所示，激光光斑24寬度約為圖像高度的四分之一，這時熱波圖像中激光光斑24所在區(qū)域的熱波信號幅度相對其它區(qū)域差別不是很大，如圖中曲線51所示。同時在掃描時使得掃描振鏡23與熱像儀11幀頻之間有一個偏移量，例如圖5中所示的，掃描振鏡23的掃描頻率是紅外熱像儀11幀頻的1.25倍，即在4幀圖像中激光束掃描了 5次，每幀圖像中的激光光斑24的位置下移了四分之一幅。將這4幀圖像平均起來得到新的熱波圖像上熱波信號的均勻性得到很大提高。這種每4幀圖像平均成一幀新的熱波圖像，等效降低了幀頻，因此比較適合熱激勵周期比較長或幀頻比較高的情況。上述方法歸納起來就是，如果激光掃描頻率為M，紅外熱像儀幀頻為N，則每經過N幀圖像的時間激光掃描了 M次，可將每N幀圖像進行平均得到一幀新的熱波圖像。這幀新的熱波圖像上的熱波信號強度分布非均勻性會得到很大改善，而且由此方法得到的新的序列圖像，盡管熱波信號的強度分布還不完全均勻，但其幀與幀之間這種強度分布非均勻性是完全相同的，因此在后續(xù)鎖相信號處理中不會影響到相位圖的質量。
[0025]圖6所示的是另一種實施方式，這里紅外熱像儀的積分時間盡量接近幀頻周期，在一幀之內可以完整掃描數(shù)次，圖6(a)所示的是激光束在一幀時間里掃描了兩個周期，這樣圖像上的每個像素行所積分的熱波信號基本相同，盡管激光光斑掃過的時刻不一樣。這一點可以進一步參考圖6(b)進行說明，在一幀周期內，位于紅外熱像儀芯片頂部某像素行的熱波信號變化如圖所示，具有兩個完整掃描周期。而位于紅外熱像儀芯片中部的某像素行由于激光掃描的延遲，所積分的熱波信號在剛開始一段時間是由前一次激光掃描所產生的，但它與本積分周期的激光掃描所產生的熱波信號結合起來正好也是兩個完整周期，因此整幀圖像的信號強度分布基本是均勻的。另一種相似原理的方式如圖6(c)所示，當激光掃描頻率慢于紅外熱像儀的幀頻時，在一個激光掃描周期里紅外熱像儀采集數(shù)幀熱波圖像，這幾幀圖像相互之間強度分布不同，但相加后就可以得到一幀強度基本均勻分布的熱波圖像。用這種方法可以采集一系列具有相同強度分布的熱波圖像。
[0026]有一種紅外熱像儀是逐行掃描型的，即紅外熱像儀芯片在任一時刻只有一個像素行在積分紅外信號，逐行依次進行，周而復始。對于這種類型的紅外熱像儀，可以采用一種直接同步掃描方式，即紅外熱像儀行行掃描與激光光斑掃描完全同步。如圖7所示，激光光斑24在紅外熱像儀芯片70上形成激光光斑投影72，其移動速度與紅外熱像儀芯片當前信號積分行71的移動速度與方向完全一致，并且兩者之間保持一個固定的時間差，這樣得到的熱波圖像中的信號強度分布將十分均勻。
[0027]前面提到激光作為熱激勵源具有很多優(yōu)勢，其中之一就是激光輸出功率可以很方便準確的控制。這在一些具體應用中十分有用。例如采用圖8(a)所示的正弦波進行熱激勵可以減少諧波的產生，也降低熱激勵源的功耗。有時為了同時檢測不同深度的缺陷，需要將幾種不同頻率的能量疊加在一起進行熱激勵，通常是采用數(shù)個獨立的熱激勵源。而圖8(b)所示是兩種不同頻率合成的多頻疊加波，采用這種波形控制激光器，一個序列熱波圖像的采集便可以得到兩個不同熱激勵頻率的結果。圖8(c)所示的是采用變頻波熱激勵的方式，這也對同時檢測不同深度的缺陷有幫助。
[0028]本發(fā)明是以激光器作為熱激勵源，其它形式能夠定向投射的能量束也同樣可以使用，例如電子束、微波等。
[0029]以上敘述中激光束是通過振鏡進行掃描的，但其它形式的掃描裝置都具有等同的效果，如聲光調制器，包括移動試件進行掃描等。
[0030]以上對本發(fā)明的描述為說明性的，而非限制性，在權利要求書的范圍中對其進行修改、變化及等效，都將落于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)，其特征在于所述系統(tǒng)包括: 高功率激光器(21)，所述高功率激光器(21)用于對試件表面進行掃描，激勵熱波； 激光控制單元(20)，所述激光控制單元(20)用于控制高功率激光器(21)的輸出功率，以實現(xiàn)不同頻率與波形的熱激勵； 光束整形裝置(22)，所述光束整形裝置(22)用于使得激光束在試件表面形成所需形狀的激光光斑(24); 紅外熱像儀(11)，所述紅外熱像儀(11)用于采集試件表面的序列熱波圖像； 掃描控制單元(25)，所述掃描控制單元(25)用于控制激光束掃描頻率與所述紅外熱像儀(11)的幀頻保持特定同步關系； 數(shù)據處理單元(14)，所述數(shù)據處理單元(14)用于對所述紅外熱像儀(11)所采集的序列熱波圖像進行鎖相數(shù)據處理，并協(xié)調控制所述激光控制單元(20)與所述掃描控制單元(25)。2.根據權利要求1所述的一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)，所述鎖相數(shù)據處理包括采用單相積分法、雙相積分法或快速傅立葉變換圖像分析法。3.根據權利要求1所述的一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)，所述特定同步關系是:每當所述紅外熱像儀(11)完成采集N幀序列圖像后，所述激光光斑(24)完成掃描M周期，其中N與M為大于零的整數(shù)，且N與M互質。4.根據權利要求1所述的一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)，所述紅外熱像儀(11)采用逐行掃描型，并選擇激光光斑(24)的掃描方向與速度，使得紅外熱像儀芯片(70)上的激光光斑投影(72)與所述紅外熱像儀芯片(70)上的當前信號積分行(71)所移動的方向與速度相同。5.根據權利要求1所述的一種激光掃描熱波鎖相成像系統(tǒng)，所述光束整形裝置(22)可將所述激光光斑(24)的形狀設為點狀，線狀或條狀的一種。
【文檔編號】G01J5/00GK205537964SQ201521132435
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月31日
【發(fā)明人】陳力
【申請人】南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司