光激励红外热成像无损检测方法、系统、存储介质及终端

摘要

本发明公开了一种光激励红外热成像无损检测方法、系统、存储介质及终端，属于光激励红外检测技术领域，方法包括：基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，并通过交替迭代的方式求解优化目标函数，进而得到稀疏系数矩阵X；将稀疏系数矩阵X逆矩阵化，得到缺陷信息增强后的图像序列。本发明基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，由于L4范数的特殊性质，使得基于L4范数的稀疏字典学习算法更易获得与真实字典相近的字典，从而更好的恢复数据的稀疏表示，更好的提取弱缺陷信息，提高了缺陷检测准确率。

说明书

技术领域

本发明涉及光激励红外检测技术领域，尤其涉及一种光激励红外热成像无损检测方法、系统、存储介质及终端。

背景技术

红外热成像检测技术是一种多学科交叉、多领域应用的新型无损检测技术。红外热成像检测技术的研究，对风洞压缩机叶片的表面扫查、航空航天设备外壳、石油化工管道、电力输送设备、机械、轨道交通和新能源等领域都具有重要意义。

红外热成像检测技术的基本原理是：通过特定的光激励模式加热被测试件，由于被测试件本身存在不连续性缺陷，会对热传递性能产生影响，使得被测试件表面产生温度差，进而导致被测试件表面的红外辐射能力产生差异。然后，利用红外热像仪对被测试件的辐射分布进行探测，通过采集的热像图序列，再通过相对应的寻优图像处理算法就可得到被测试件内部缺陷特征信息。然而由于热扩散和噪声的干扰，红外热成像仪采集到的热图像具有加热不均匀，分辨率低、噪声大和缺陷信息不明显等缺点，从而导致缺陷检测方法准确率低。

为了提高准确率，目前已有针对缺陷提取的处理方法，如传统的热成像无损检测算法热信号重构和脉冲相位法以及矩阵分解相关的主成分分析、独立成分分析、变分贝叶斯张量分解方法和稀疏集成矩阵分解方法。但是，上述方法均存在缺陷对比度和缺陷检出率低以及时间消耗过长等缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有红外热成像检测方法缺陷对比度、缺陷检出率低，检测时间长的问题，提供了一种光激励红外热成像无损检测方法、系统、存储介质及终端。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光激励红外热成像无损检测方法，所述方法包括：

基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，并通过交替迭代的方式求解优化目标函数，进而得到稀疏系数矩阵X；

将稀疏系数矩阵X逆矩阵化，得到缺陷信息增强后的图像序列。

作为一选项，所述优化目标函数具体为：

Y＝DX,D

其中，||·||

作为一选项，所述通过交替迭代的方式求解优化目标函数具体为：

设置迭代次数q，q＝1,2,...Q，Q表示最大迭代次数；初始化A

计算

根据

更新A

更新迭代次数q←q+1，直至q＝Q，得到稀疏系数矩阵X(A

作为一选项，所述基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数前还包括：获取被测试件的红外热图序列Z；将Z的每帧按行依次取每个像素点的像素值，再按取值顺序垂直排列，并将垂直排列后的每帧红外热图依次排列，构架出一个新矩阵并转置，将转置后的矩阵记为Y。

作为一选项，所述获取被测试件的红外热图序列Z还包括：

将红外热图序列Z的每一帧红外热图像进行小波分解，仅保留低频部分，得到新的红外热图序列Z’，再将红外热图序列Z’矩阵化得到矩阵Y。

需要进一步说明的是，上述方法各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种光激励红外热成像无损检测系统，所述检测系统包括激励源模块和激励源管理模块；激励源模块包括热像仪和光阵；激励源管理模块包括工控机、控制单元和信号发生单元；热像仪、工控机、控制单元、信号发生单元和光阵顺次连接，且工控机与控制单元双向连接。

作为一选项，所述激励源模块包括加长罩、设于加长罩上的外罩、设有外罩内部的聚光罩和头部伸入至聚光罩的热像仪；外罩顶部设有显示器，聚光罩内设有均布分布的卤素灯构成光阵。

作为一选项，所述信号发生单元包括模式切换与驱动控制电路、低频正弦电路和脉冲产生电路，控制单元经模式切换与驱动控制电路分别与低频正弦电路、脉冲产生电路连接，低频正弦电路、脉冲产生电路之间经转换单元连接，模式切换与驱动控制电路输出端连接至转换单元，脉冲产生电路输出端连接至光阵。

需要进一步说明的是，上述系统各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。

本发明还包括一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行如上所述光激励红外热成像无损检测方法的步骤。

本发明还包括一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行如上所述光激励红外热成像无损检测方法的步骤。

与现有技术相比，本发明有益效果是：

(1)本发明基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，由于L4范数的特殊性质，使得基于L4范数的稀疏字典学习算法更易获得与真实字典相近的字典，从而更好的恢复数据的稀疏表示，更好的提取弱缺陷信息，提高了缺陷检测准确率。

(2)本发明将被测试件的红外热图序列Z矩阵化得到矩阵Y，即将三维热图序列重构为二维矩阵，能有效地利用热图信号的时空特征，多特征的融合有利于增强缺陷的分辨率。

(3)本发明通过交替迭代的方式求解优化目标函数，每次迭代的代价只是一个SVD，使得本发明方法具有明显的效率和有效性，提高缺陷检测效率。

(4)本发明的激励源模块包括加长罩、设于加长罩上的外罩、设有外罩内部的聚光罩和头部伸入至聚光罩的热像仪；外罩顶部设有显示器，聚光罩内设有均布分布的卤素灯构成光阵，激励源模块集成化高，便携性强，能够同时实现被测试件的加热处理以及红外检测，避免了先加热再检测出现的误差，检测精度大幅提高。进一步地，均匀分布的卤素灯配合聚光罩保证了辐射在被测试件的光源的均匀性，降低了由于光源不均匀而形成的光斑对红外热成像仪探测待检部件的近表面温度场变化时的干扰，保证了检测精准度。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例1的方法流程图；

图2为本发明实施例1中将稀疏系数矩阵X逆矩阵化的示意图；

图3为本发明实施例1中将被测试件的红外热图序列Z矩阵化的示意图；

图4为本发明实施例1方法检测结果示意图；

图5为本发明实施例2的激励源模块侧视图；

图6为本发明实施例2的激励源模块俯视图；

图7为本发明实施例2的激励源模块仰视图；

图8为本发明实施例2的激励源管理模块侧视图；

图9为本发明实施例2的激励源管理模块侧视图；

图10为本发明实施例2的激励源管理模块电路框图；

图11为本发明实施例2的信号发生单元电路原理图。

图中：激励源模块11、外罩111、聚光罩112、卤素灯1121、灯架1122、热像仪113、连接板114、加长罩115、可握持把手116、显示器117、第一风扇118、载板119、固定片120、VGA线121、集成线束122、电源线123、2K航空插头124、2B航空插头125、第一按钮126、屏幕板127；

激励源管理模块12、工控机121、机箱122、第二风扇123、电源航空插座124、电源开关125、USB插座126、2K航空插座127、2B航空插座128、VGA插座129、隔板130、座板131、第二按钮132。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述方向或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，在实施例1中，一种光激励红外热成像无损检测方法，具体包括以下步骤：

S01：基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，并通过交替迭代的方式求解优化目标函数，进而得到稀疏系数矩阵X；其中，对矩阵Y进行稀疏表示，即Y＝DX，D∈R

S02：将稀疏系数矩阵X逆矩阵化，得到缺陷信息增强后的图像序列。

进一步地，在步骤S01中优化目标函数具体为：

Y＝DX,D

其中，||·||

进一步地，采用基于“匹配、拉伸和投影”优化方法，来学习字典，从而得到数据的稀疏表示。具体地，步骤S01中通过交替迭代的方式求解优化目标函数具体为：

S011：设置迭代次数q，q＝1,2,…Q，Q表示最大迭代次数；初始化A

S012：计算

S013：根据

S014：更新A

S015：更新迭代次数q←q+1，直至q＝Q，得到稀疏系数矩阵X(A

本发明通过交替迭代的方式求解优化目标函数，每次迭代的代价只是一个SVD，使得本发明方法具有明显的效率和有效性，提高缺陷检测效率。

进一步地，如图2所示，步骤S02中将稀疏系数矩阵X逆矩阵化，得到图像序列E∈R

进一步地，如图3所示，步骤S01基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数前还包括步骤S00：将被测试件的红外热图序列Z矩阵化得到矩阵Y，具体包括为：

S001：获取被测试件的红外热图序列Z；具体地，通过光激励红外热成像无损检测系统在含有缺陷的被测试件上获取红外热图序列，记为Z∈R

S002：将Z的每帧按行依次取每个像素点的像素值，再按取值顺序垂直排列，并将垂直排列后的每帧红外热图依次排列，构架出一个新矩阵并转置，将转置后的矩阵记为Y∈R

进一步地，步骤S001中获取被测试件的红外热图序列Z还包括：

将红外热图序列Z的每一帧红外热图像进行小波分解，仅保留低频部分，得到新的红外热图序列Z’，再将红外热图序列Z’矩阵化得到矩阵Y。通过将红外热图序列Z的每一帧红外热图像进行小波分解，能够加强信号的局部特征表征能力，有利于检测信号的瞬态或奇异点，能够适应不同批次、不同特性以及不同缺陷的材料。

本发明基于L4范数建立对矩阵Y进行稀疏表示的优化目标函数，由于L4范数的特殊性质，使得基于L4范数的稀疏字典学习算法更易获得与真实字典相近的字典，从而更好的恢复数据的稀疏表示，更好的提取弱缺陷信息，提高了缺陷检测准确率。

为更好说明本发明方法的发明构思，现以480*640*50大小的图像序列作为获得到的红外热图序列为例进行阐述：

S00：数据预处理，实现方式如下：

S001：通过本发明光激励红外热成像无损检测系统在含有缺陷的被测试件上获取红外热图序列，记为Z∈R

S002：将红外热图序列Z矩阵化，即将Z的每帧按行依次取每个像素点的像素值，再按取值顺序垂直排列，最后将垂直排列后的每帧红外热图依次排列，构架出一个新矩阵并转置，将转置后的矩阵记为Y∈R

S01：进行基于L4范数的稀疏字典学习算法，具体实现方式如下：

S011：读入步骤S002得到的矩阵Y∈R

S012：对Y进行稀疏表示，即Y＝DX，D∈R

Y＝DX,D

其中，||·||

S02：基于“匹配、拉伸和投影”优化方法学习字典，从而得到数据的稀疏表示。

S021：设置迭代次数q，q＝1,2,...Q，Q表示最大迭代次数；初始化A

S022：对式子

S023：对

S024：令A

S03：将A

进一步地，如图4所示，采用本发明方法对五种碳纤维材料试件进行仿真测试，实验结果中的缺陷信息均被增强，缺陷对比度均有提高；且每次试验算法的运行时间少于1s，可以看出，本发明方法具有耗时短、结果缺陷对比度大，缺陷检出率高的特点。

实施例2

本实施例与实施例1具有相同的发明构思，在实施例1的基础上，提供了一种光激励红外热成像无损检测系统，系统具体包括激励源模块11和激励源管理模块12；激励源模块11包括热像仪113和光阵；激励源管理模块12包括工控机121、控制单元和信号发生单元；热像仪113、工控机121、控制单元、信号发生单元和光阵顺次连接，且工控机121与控制单元双向连接。具体地，控制单元控制信号发生单元产生脉冲信号激励光阵，光阵进而对被测试件加热，热像仪113对加热的被测试件的辐射分布进行探测，进而获取被测试件的红外热图序列并传输至工控机121，工控机121基于L4范数的稀疏字典学习被测试件的红外热图序列，从而得到数据的稀疏表示，即实现了被测试件缺陷增强后的图像表征。

进一步地，激励源模块11包括加长罩115、设于加长罩115上的外罩111、设有外罩111内部的聚光罩112和头部伸入至聚光罩112的热像仪113；外罩111顶部设有显示器117，聚光罩112内设有均布分布的卤素灯1121构成光阵。作为一实施例，外罩111采用流线型设计，顶部为矩形平面设计，底部为圆形设计，整体采用薄板件，内部中空。聚光罩112顶部为正六边形设计，底部为圆形设计，整体采用薄板件，内部中空。聚光罩112放置于外罩111内，且聚光罩112开口与外罩111开口同向，聚光罩112放置于加长罩115顶部，聚光罩112外侧与外罩111内侧接触。加长罩115顶部开设有与聚光罩112底部适配的窗口，且加长罩115与聚光罩112的光辐射窗口同向。具体地，外罩111底部放置于加长罩115顶部，能够在保证激励源聚光性的同时一次性采集更多被测试件的热图像序列。作为一实施例，加长罩115采用流线型设计，顶部为圆形设计，底部为矩形设计，整体采用薄板件，内部中空。

更具体地，如图5-图6所示，聚光罩112顶部经连接板114固定于外罩111内部，连接板114上设有与热像仪113头部适配的连接孔，以使热像仪113头部伸入至聚光罩112，聚光罩112顶部设有与热像仪113检测窗口对应的检测孔，进而同时实现被测试件的加热和热图像序列采集；聚光罩112、热像仪113固定于外罩111内部，能够更好地保护卤素灯1121以及热像仪113，防止与外物发生触碰。作为一实施例，聚光罩112顶部与连接板114可通过螺纹连接固定或通过固定片120连接固定，连接板114经固定片120固定于外罩111内部，热像仪113底部(远离头部的一端)经螺钉固定于连接114板，热像仪113头部直接伸入连接孔中。

本发明通过聚光罩112对卤素灯1121发出的激励光进行汇聚，且聚光罩112设于外罩111内部，能够提高对激励光的汇聚效果；激励源模块11包括外罩111、设有外罩111内部的聚光罩112和头部伸入至聚光罩112的热像仪113，聚光罩112内设有卤素灯1121构成光阵，集成化高，便携性强，能够同时实现被测试件的加热处理以及红外检测，避免了先加热再检测出现的误差，检测精度大幅提高。

进一步地，如图7所示，聚光罩112正六边形顶部各边上设有灯架1122，灯架1122上设有对应的卤素灯1121(卤素光电灯)，6个卤素灯1121互成60°安装，以使卤素灯1121均匀分布，配合天方地圆型曲面聚光罩112，保证辐射在被测试件的光源的均匀性，降低了由于光源不均匀而形成的光斑对红外热成像仪探测待检部件的近表面温度场变化时的干扰，保证了检测精准度。

进一步地，外罩111上设有第一风扇118，作为一选项，外罩111上设有两个第一风扇118，两个风扇对称安装并分别安装于外罩111内部其中一面，两风扇同平面并呈成180度分布，两个风扇形成的平面与可握持把手116同平面呈成90度分布，形成了对流散热通道，以保证成像仪的正常工作，不会因温度过高出现机械故障。

进一步地，外罩111上连接有可握持把手116，操作人员可以通过握持把手，手持激励源模块11对被测试部件进行检测，便于调整激励源与被测试件之间的距离，使用方便、提高了检测效率。具体地，可握持把手116采用三角形设计，内部中空结构，三角形相对两端用于线路的进出，VGA线121、集成线束122和电源线123可从可握持把手116内的中空部分穿过进入外罩111内，其中集成线束122包括数据线和电源线，集成线束122中的电源线与电源线123构成了电源总线，且电源总线上设有开关，与该开关对应的第一按钮126设于可握持把手116上部，通过按压第一按钮126可使激励源模块11(热像仪+卤素灯)开始工作。更具体地，VGA线121总长2米，一端从可握持把手116内穿出，进入外罩内与显示器117连接，另一端与激励源管理模块12中的工控机121连接；集成线束总长2米，采用19芯0.3平方的双脚屏蔽信号线，一端从可握持把手116内穿出，进入外罩111内与热像仪113、显示器117、第一风扇118连接；另一端接入2K航空插头124内，与激励源管理模块12中的工控机121连接；电源线123总长2米，采用双芯2.5平方500股的励磁线，一端从可握持把手116内穿出，进入外罩111内为卤素灯供电，另一端接入2B航空插头125内。进一步地，外罩111顶部设有显示器117，显示器117与工控机121双向连接。作为一实施例，外罩111顶部开设有凹槽，凹槽内固定有屏幕板127，屏幕板127主体为矩形中空设计，中空部位用于放置触摸屏，通过该触摸屏，可观察被测试件的缺陷表征图像。

进一步地，如图8-9所示，激励源管理模块12包括机箱122，工控机121设有机箱122内；机箱122上集成有与可握持把手116内数据线、电源线对应的接口，该数据线具体为VGA线121和集成线束122。具体地，机箱122一侧设有VGA插座129，2B航空插座128，2K航空插座124，USB插座126和第二按钮132，机箱122另一侧设有电源航空插座124，电源开关125和第二风扇123。其中，VGA插座129在箱体侧面的中心线上安装，靠近机箱122一侧；2B航空插座128，2K航空插座127和USB插座126略高于VGA插座129且在同一水平平面内逐个安装，间距相同；第二按钮132与USB插座126在同一竖直平面内安装，第二按钮132设于工控机121电源电路上，用于控制工控机121启停；电源开关125与VGA插座129在同一水平平面内安装，机箱122电源航空插座124与2B航空插座128等在同一水平平面内安装，两个用于散热的第二风扇123安装在电源开关125的另一侧，靠近机箱122侧面和底面。更进一步地，机箱122底部设有座板131，座板131上设有相对平行的工控机121与隔板130，同时信号发生单元也固定于座板131上。

进一步地，如图10所示，信号发生单元包括模式切换与驱动控制电路、低频正弦电路和脉冲产生电路，控制单元经模式切换与驱动控制电路分别与低频正弦电路、脉冲产生电路连接，低频正弦电路、脉冲产生电路之间经转换单元连接，模式切换与驱动控制电路输出端连接至转换单元，脉冲产生电路输出端连接至光阵。其中，控制单元具体为DSP控制器，本发明DSP控制器用于根据预置的锁相模式或脉冲模式对卤素灯进行激励；模式切换与驱动控制电路包括模式切换电路以及驱动控制电路，模式切换电路用于切换当前卤素灯的激励模式，驱动控制电路用于对DSP控制器输出的控制信号进行放大。

更进一步地，如图11所示，输入电容C1、开关管Q1～Q2和输出LC滤波器构成半桥低频正弦电路，中间级由开关管Q3～Q4构成模式切换电路，后级由滤波电容C2和开关管Q5～Q8构成脉冲产生电路，V

更进一步地，激励源管理模块还包括去耦电路、同步触发模块和电源管理电路。去耦电路输出端与控制单元连接，用于去除控制芯片电源管管脚上的噪声；同步触发模块输出端与热像仪连接，由斯密特触发缓冲器组成，主要用于将DSP控制器发出的同步触发信号下发至红外热像仪，触发热像仪工作，通过此种外部触发使热像仪同步捕捉瞬间图像，提高了热像仪热图像序列采集性能。电源管理电路用于为整个系统供电，包括隔离电源模块，用于降低显示器117纹波电压至20毫伏，以解决显示器117屏幕闪抖问题。

进一步地，本发明软件系统还包括参数设置模块、数据显示模块、数据处理模块和面向工程应用功能实现模块，其中面向工程应用功能实现模块包括缺陷尺寸标注及面积计算单元、数据存储单元和数据录制及导入单元，便于工业化大规模的工业化检测。其中，参数设置模块用于设置激励源模式的相关参数、数据录制及保存的相关参数、数据处理算法选择参数以及持久化选择参数；数据显示模块用于根据数据处理模块的处理结果将被测试件的缺陷特征转换为图像信息；数据处理模块用于基于L4范数的稀疏字典学习被测试件的红外热图序列，从而得到数据的稀疏表示。

实施例3

本实施例提供了一种存储介质，与实施例1具有相同的发明构思，其上存储有计算机指令，计算机指令运行时执行实施例1中光激励红外热成像无损检测方法的步骤。

基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例4

本实施例还提供一种终端，与实施例1具有相同的发明构思，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行实施例1中所述光激励红外热成像无损检测方法的步骤。处理器可以是单核或者多核中央处理单元或者特定的集成电路，或者配置成实施本发明的一个或者多个集成电路。

在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

以上具体实施方式是对本发明的详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本发明的保护范围。