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1、(10)申请公布号 CN 103926274 A (43)申请公布日 2014.07.16 CN 103926274 A (21)申请号 201410162717.6 (22)申请日 2014.04.22 G01N 25/72(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘俊岩 龚金龙 王扬 秦雷 宋鹏 (54) 发明名称 一种 CFRP 层板缺陷的红外热波雷达成像无 损检测方法与系统 (57) 摘要 一种 CFRP 层板缺陷的红外热波雷达成像无 损检测方法与系统， 所述方法为 ： 调整激光光源 扩束整形装置。
2、与被测样件的空间位置， 使激光均 匀照射到试样表面， 控制数据采集卡产生线性调 频脉冲信号， 驱动激光功率驱动器， 使光纤激光器 的功率按照线性调频脉冲信号规律变化 ； 采集被 测 CFRP 试样表面的热波雷达信号 ； 对采集的表面 热波雷达信号进行处理， 提取热波雷达信号的时 频域特征信息， 通对特征信息图像的处理与分析， 提取样件内部缺陷的特征参数， 实现对样件内部 缺陷及损伤的无损检测。所述系统包括光纤激光 器、 激光功率驱动器、 数据采集卡、 激光光源扩束 整形装置、 焦平面红外热像仪及计算机。 本发明实 现了对 CFRP 层板缺陷的快速、 准确检测。 (51)Int.Cl. 权利要求。
3、书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103926274 A CN 103926274 A 1/2 页 2 1. 一种红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述方法包括以下步骤 ： S1、 调整激光光源扩束整形装置与被测样件的空间位置， 使激光均匀照射到试样表面， 利用 BNC 数据线将数据采集卡的模拟输出通道端口与激光功率驱动器的模拟调制信号输 入端口相连， 由计算机控制数据采集卡产生线性调频脉冲信号， 驱动激光功率驱动器， 使光 纤激光器的功率按照线性调频脉冲。
4、信号规律变化 ； S2、 利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接， 利用 BNC 数据线连接数据 采集卡脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口， 打开激光器， 通过计 算机对焦平面红外热像仪运行触发控制， 采集被测 CFRP 试样表面的热波雷达信号， 记录至 少 23 个周期， 将采集到的图像数据存储到计算机相应目录下 ； S3、 对采集的表面热波雷达信号进行处理， 提取热波雷达信号的时频域特征信息， 利用 时频域特征信息建立表征 CFRP 内部层板缺陷的特征图像， 通对特征信息图像的处理与分 析， 提取样件内部缺陷的特征参数， 实现对样件内部缺陷及损伤的快速、 准确的无。
5、损检测。 2. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述激光光源 扩束整形装置通过调整支架调整入射光线与样件待检区域表面外法线的夹角， 其最大夹角 应小于 60。 3. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述光纤激光 器的调制方式设置为外部模拟调制方式或外部 TTL 调制方式。 4. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述焦平面红 外热像仪采样频率设置为线性调频信号最高频率的 510 倍。 5. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述焦平面红 外热像仪的采集触发模式设置。
6、为外部触发或内部触发。 6. 根据权利要求 1、 4 或 5 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述焦 平面红外热像仪的像素为 320256， 热灵敏度为 20mK， 全幅最大采样频率为 170Hz。 7. 根据权利要求 1 或 3 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述光纤 激光器的激光波长为 808nm， 最高功率为 50W， 最高调制频率为 100kHz。 8. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述数据采集 卡最高采样率为 250 kS/s。 9. 根据权利要求 1 所述的红外热波雷达成像无损检测方法， 其特征在于所述激光光源。
7、 扩束整形装置由准直镜、 工程漫射体、 套管与转接环依次组装而成 ； 采用准直镜对激光光束 进行准直， 准直后， 光束直径为 7.5mm， 采用工程漫射体对准直后的光束进行整形， 整形后， 光束发散角为 20。 10. 一种红外热波雷达成像无损检测系统， 其特征在于所述系统包括光纤激光器、 激光 功率驱动器、 数据采集卡、 激光光源扩束整形装置、 焦平面红外热像仪及计算机， 其中 ： 所述光纤激光器与激光功率驱动器用以为检测提供稳定的热源 ； 所述数据采集卡用以实现模拟信号的输出与采集， 具有可编程函数接口， 能够产生焦 平面红外热像仪采集图像所需的脉冲触发信号 ； 所述激光光源扩束整形装置用。
8、以对光纤激光器输出的激光光束进行准直、 扩束及整 形 ； 所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图 ； 权 利 要 求 书 CN 103926274 A 2 2/2 页 3 所述计算机通过控制数据采集卡信号的输出与采集， 控制焦平面红外热像仪采集被测 试样表面热波雷达信号， 提取热波雷达信号的时频域特征信息， 并形成特征图像， 确定缺陷 信息。 权 利 要 求 书 CN 103926274 A 3 1/4 页 4 一种 CFRP 层板缺陷的红外热波雷达成像无损检测方法与 系统 技术领域 0001 本发明涉及一种利用主动式红外热波检测手段来实现 CFRP 层板缺陷无损检测的 方法与系统， 。
9、尤其涉及了一种红外热波雷达成像无损检测方法与系统。 背景技术 0002 随着材料科学与工业检测技术的快速发展， 无损检测技术已成为保证产品质量的 必要手段之一。碳纤维增强复合材料 (CarbonFiberReinforcedPolymer/Plastic， CFRP） 是近几十年发展起来的一种新型材料， 广泛应用于航空航天、 汽车、 船舶工业等领域。碳纤 维增强复合材料在成型与使用过程中容易产生多种缺陷与损伤， 目前 CFRP 层板缺陷的常 规无损检测技术主要有射线检测 （RT） 、 超声检测 （UT） 和电磁检测 （ET） 。射线检测 （RT） 不 受材料和几何形状的限制， 对气孔、 夹渣等。
10、体积型缺陷比较敏感， 但射线检测的设备投资较 大， 不易发现与射线垂直方向上的裂纹， 安装及安全方面有严格的要求， 不适于现场原位检 测， 检测周期长， 检测成本较高。超声波检测 （UT） 对缺陷比较敏感， 检测速度快、 定位方便， 但对于小而薄的复杂零件难以检测， 需要耦合剂进行耦合， 形状复杂的结构难以进行检测， 检测速度慢， 周期长。电磁检测 （ET） 只用于表面和近表面缺陷检测， 对于零件几何形状突 变引起的边缘效应敏感， 容易给出虚假的显示。这些方法各有所长， 也各有其局限性。主 动式红外热波无损检测技术具有快速、 非接触、 无须耦合、 大面积及远距离检测等优点， 能 够实现构件损伤。
11、或缺陷深度、 各种涂层及夹层结构蒙皮厚度测量和内部材料与结构特性识 别， 适用于检测金属与非金属材料， 不受任何材料特性的限制。 红外锁相法热波无损检测技 术是目前应用最广泛的红外热波无损检测技术之一， 该技术能够克服加热不均、 检测速度 慢等缺点， 但采用该技术检测 CFRP 内部不同深度的缺陷时， 需要选择合适调制频率， 否则 将会出现内部缺陷的漏检。 发明内容 0003 本发明的目的是提供一种红外热波雷达成像无损检测方法与系统， 采用线性调频 脉冲信号对加热热源进行调制， 克服了锁相法热波检测技术的缺陷， 能够实现对 CFRP 内部 不同深度缺陷的准确可靠检测。 0004 本发明的目的是。
12、通过以下技术方案实现的 ： 一种红外热波雷达成像无损检测方法， 包括以下步骤 ： S1、 调整激光光源扩束整形装置与被测样件的空间位置， 使激光均匀照射到试样表面， 利用 BNC 数据线将数据采集卡的模拟输出通道端口与激光功率驱动器的模拟调制信号输 入端口相连， 由计算机控制数据采集卡产生线性调频脉冲信号， 驱动激光功率驱动器， 使光 纤激光器的功率按照线性调频脉冲信号规律变化 ； S2、 利用以太网数据线将计算机与焦平面红外热像仪连接， 利用 BNC 数据线连接数据 采集卡脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口， 打开激光器， 通过计 说 明 书 CN 103926274 A 。
13、4 2/4 页 5 算机对焦平面红外热像仪运行触发控制， 采集被测 CFRP 试样表面的热波雷达信号， 记录至 少 23 个周期， 为了完整地采集到热波雷达信号的时频域特征信息， 焦平面红外热像仪采 样频率应设置为线性调频信号最高频率的 510 倍， 将采集到的图像数据存储到计算机相 应目录下 ； S3、 对采集的表面热波雷达信号进行处理， 提取热波雷达信号的时频域特征信息， 利用 时频域特征信息建立表征 CFRP 内部层板缺陷的特征图像， 通对特征信息图像的处理与分 析， 提取样件内部缺陷的特征参数， 实现对样件内部缺陷及损伤的快速、 准确的无损检测。 0005 更具体地， 以上所述的一种 。
14、CFRP 层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法， 所述 的步骤 S1 中， 激光光源扩束装置通过调整支架调整入射光线与样件待检区域表面外法线 的夹角， 其最大夹角应小于 60， 光纤激光器的调制方式可以设置为外部模拟调制方式或 外部 TTL 调制方式。 0006 更具体地， 以上所述的一种 CFRP 层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法， 所述 的步骤 S2 中， 通过焦平面红外热像仪的触发控制实现积分时间及采样频率的设置， 焦平面 红外热像仪的采集触发模式可以设置为外部触发或内部触发， 当设置为外部触发模式时， 焦平面红外热像仪的图像采集动作将由触发信号输入端口的脉冲信号触发， 当设置为内部。
15、 触发模式时， 焦平面红外热像仪的采样帧频将由焦平面红外热像仪的内部采样时钟控制。 0007 更具体地， 以上所述的一种 CFRP 层板缺陷红外热波雷达成像无损检测方法， 所述 的步骤 S3 中， 采用相关算法 （时域信号处理分析的常用算法） 、 希尔伯特变换算法及傅立叶 变换算法提取热波雷达信号的时频域特征信息， 利用时频域特征图像， 实现对样件内部缺 陷及损伤的快速、 准确的无损检测。 0008 一种红外热波雷达成像无损检测系统， 包括光纤激光器、 激光功率驱动器、 数据采 集卡、 激光光源扩束整形装置、 焦平面红外热像仪及计算机， 其中 ： 所述光纤激光器与激光功率驱动器用以为检测提供稳。
16、定的热源 ； 所述数据采集卡用以实现模拟信号的输出与采集， 具有可编程函数接口， 能够产生焦 平面红外热像仪采集图像所需的脉冲触发信号 ； 所述激光光源扩束整形装置用以对光纤激光器输出的激光光束进行准直、 扩束及整 形， 本发明的激光扩束整形装置是根据热播雷达成像检测需要由准直镜、 工程漫射体、 套管 与转接环依次组装而成 ； 所述焦平面红外热像仪用以采集被测试样的表面热图 ； 所述计算机通过控制数据采集卡信号的输出与采集， 控制焦平面红外热像仪采集被测 试样表面热波雷达信号， 提取热波雷达信号的时频域特征信息， 并形成特征图像， 确定缺陷 的形状、 尺寸与位置等信息 ； 所述激光光源扩束装置。
17、与光纤激光器连接， 光纤激光器与激光功率驱动器相连， 数据 采集卡的模拟输出通道端口与激光功率驱动器的模拟调制信号输入端口相连， 数据采集卡 脉冲信号输出端口与焦平面红外热像仪的触发信号输入端口连接， 计算机分别与数据采集 卡和焦平面红外热像仪连接。 0009 本发明中， 采用焦平面红外热像仪像素 320256， 热灵敏度 20mK， 全幅最大采样 频率为 170Hz。 0010 本发明中， 采用半导体光纤激光器作为激励热源， 激光波长 808nm， 最高功率 50W， 说 明 书 CN 103926274 A 5 3/4 页 6 最高调制频率为 100kHz。 0011 本发明中， 采用数据。
18、采集卡产生模拟调制信号， 最高采样率为 250 kS/s。 0012 本发明中， 采用准直镜对激光光束进行准直， 准直后， 光束直径为 7.5mm， 采用工程 漫射体对准直后的光束进行整形， 整形后， 光束发散角为 20。 0013 本发明中， 采用焦平面红外热像仪完成热波雷达信号的采集， 采用相关算法、 希尔 伯特变换算法及傅立叶变换算法实现热波雷达信号时频域特征的提取， 并形成特征图像， 在此基础上通过对特征图像的处理与分析， 实现样件内部缺陷的无损检测。 0014 本发明通过对焦平面红外热像仪采集的红外图像序列进行处理， 实现了红外热波 雷达成像无损检测， 红外热波雷达成像无损检测方法是。
19、一种利用数字信号处理方法提取表 面热波雷达信号特征信息并进行分析的方法， 它结合了信息处理技术与计算机图像处理技 术的长处。针对 CFRP 内部层板缺陷， 利用红外热波雷达成像无损检测方法， 可同时得到的 样件表面热波雷达信号多个特征信息， 并进行缺陷的识别和探测， 实现对 CFRP 内部层板缺 陷的快速及准确的无损检测。 附图说明 0015 图 1 为红外热波雷达成像无损检测系统示意图 ； 图 2 为激光扩束装置示意图。 具体实施方式 0016 下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明， 但并不局限于此， 凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换， 而不脱离本发明技术方案的精神和范围，。
20、 均应涵盖 在本发明的保护范围中。 0017 如图 1 所示， 红外热波雷达成像无损检测方法是利用计算机软件处理红外图像序 列实现样件内部缺陷的无损检测。图中焦平面红外热像仪 18 与计算机 14 的以太网接口连 接， 利用计算机 14 完成焦平面红外热像仪 18 的初始化及图像显示。激光光源扩束整形装 置 4 将激光照射到被测样件 1 表面， 数据采集卡 11 通过信号线 13 与激光功率驱动器 15 相 连， 控制光纤激光器 6 光强按照线性调频规律变化。入射光照射到被测样件 1 表面， 产生线 性调频热波2。 记录被测样件1表面产生的表面热波雷达信号， 并提取热波雷达信号的时频 域特征信。
21、息和形成特征图像， 对特征图像进行处理与分析， 提取被测样件 1 内部缺陷特征， 实现对被测样件 1 内部缺陷及损伤的快速、 准确的无损检测。 0018 本发明的具体实施包括三个部分 ： 线性调频规律调制的激光光源激励、 焦平面红 外热像仪采集图像序列和热波雷达信号处理与特征图像分析。 0019 一、 线性调频规律调制的激光光源激励步骤 步骤 1 ： 按照图 2 将工程漫射体 19、 套管 20、 准直镜 21 与转接环 22 依次组装激光光源 扩束整形装置 4， 通过光纤 5(SMA905) 与光纤激光器 6 连接， 激光光源扩束整形装置 4 与焦 平面红外热像仪 18 的镜头保持在同一平面。
22、内 ； 步骤 2 ： 调整激光光源扩束整形装置 4 的入射角度， 保证入射光尽可能照射到被测样件 1 的待检区域内 ； 步骤 3 ： 数据采集卡 11 的模拟信号输出端通过信号线 13 与激光功率驱动器 15 的模拟 说 明 书 CN 103926274 A 6 4/4 页 7 调制信号输入端相连， 通过 USB 数据线 12 将数据采集卡 11 与计算机 14 相连 ； 步骤 4 ： 将光纤激光器 6 通过第一电源线 7 与激光功率驱动器 15 相连， 将光纤激光器 6 的半导体制冷器通过第二电源线 8 与激光功率驱动器 15 相连， 打开激光功率驱动器 15 的 电源开关 10， 将激激光。
23、功率驱动器 15 设置为外部模拟调制模式， 设置线性调频脉冲信号参 数， 实现光纤激光器 6 发出的光强按照线性调频脉冲规律变化。 0020 二、 焦平面红外热像仪采集图像序列步骤 步骤1 ： 将焦平面红外热像仪18通过第一数据线16与计算机14上的以太网接口连接， 将焦平面红外热像仪 18 通过第二数据线 17 与数据采集卡 11 上的脉冲信号输出端口连接 ； 步骤 2 ： 通过计算机 14 与数据采集卡 11 完成焦平面红外热像仪 18 的初始化设置及实 时图像显示， 调节焦平面红外热像仪 18 的调焦镜头， 保证被测样件 1 的待检测区域在计算 机 15 的屏幕上清晰可见 ； 步骤3 ：。
24、 打开激光功率驱动器15的输出开关9， 使光纤激光器6的入射光强按线性调频 脉冲规律激励被测样件 1 产生表面热波雷达信号 2 ； 步骤 4 ： 通过焦平面红外热像仪 18 的图像采集对被测样件 1 待检区域表面产生的热波 雷达信号 3 进行记录， 记录 23 个周期， 为了完整地获取到热波雷达信号的时频域特征信 息， 焦平面红外热像仪18采样频率应设置为线性调频信号最高频率的510倍， 将采集到的 图像数据存储到计算机 15 相应目录下。 0021 三、 热波雷达信号处理与特征图像分析步骤 步骤 1 ： 采用相关算法、 希尔伯特变换算法及傅立叶变换算法对采集的热波雷达信号 进行处理与分析， 。
25、提取热波雷达信号的时频域特征信息， 并形成特征图像 ； 步骤 2 ： 通过对特征图像进行图像处理与分析， 提取被测样件 1 内部缺陷的特征参数， 实现对被测样件 1 检测区域内部缺陷及损伤的快速、 准确的无损检测。 0022 四、 无损检测实例 为了说明该方法的实际检测效果， 进行了 CFRP 样件的无损检测实验。 0023 CFRP 件的无损检测实验 ： 制作 CFRP 模拟分层缺陷试样， 缺陷最大深度为 2mm， 最 小直径为 4mm。激光光源激励参数 ： 功率 30W， 线性调频信号的初始频率 0.01Hz， 终止频率 0.1Hz， 脉冲周期为 100s ； 焦平面红外热像仪的记录参数 ： 采样频率 50Hz， 采样时间 200s。 0024 实际检测结果为 ： CFRP 样件实际检测的缺陷形状可准确的识别， 未出现缺陷漏检 现象， 探测缺陷深度值与实际值相接近， 最大误差 8% 。采用本发明的方法实现了对 CFRP 样件内部缺陷及损伤的快速、 准确的无损检测。 说 明 书 CN 103926274 A 7 1/1 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103926274 A 8 。