一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统和重构方法

摘要

本发明提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统和重构方法。所述重构系统包括计算机、多通道数据线、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡、数据采集卡集成器、多通道信号输出线、激光器电源、冷却水管、制冷器、光纤集束、准直镜、第一偏振片、样件、二维移动台、第二偏振片、磁力座、焦平面红外热像仪、升降台、BNC数据线以及以太网线。该系统采用相位控制阵列式激光集束对样件进行主动热加载，阵列式激光集束中单个激光束均可独立受到独立控制，可以实现对样件热流的空间调制，进而可以实现对缺陷尺寸的高精度检测，缺陷检测偏差控制在5％以内。

说明书

技术领域

本发明属于光热科学与探测及信号处理技术领域，特别是涉及一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统和重构方法。该重构方法与系统适用于航空航天、微电子及微纳结构等材料缺陷/损伤的精准无损检测与评价领域。

背景技术

主动式红外热波成像检测技术为金属材料、复合材料、高分子材料表层及浅表层缺陷检测提供了一个有效解决途径，该方法采用主动热源对被测试件进行主动热激励与能量加载，以此扩大缺陷位置与无缺陷位置的热辐射差异，进而实现缺陷的有效检测。但是目前传统的主动式红外检测方法主要采用面源热流激励及二维成像方式实现对材料近表层内部特性检测，仅考虑热流沿深度方向的扩散过程，而其平面扩散过程往往被忽略，进而在无损检测人员潜意识中形成红外热波成像检测技术只能判定缺陷大致位置，无法获取缺陷精准边缘形貌的一种错觉。虽然诸如动态热层析等技术实现了断层成像与缺陷三维重构，但依然是利用热波沿深度方向一维扩散干涉特性实现的断层检测，该类型层析方法存在表面缺陷检测效果差及缺陷平面尺寸精度低等问题。基于点/线热源激励的红外检测方法利用了热流的三维扩散，对表面缺陷检测效果较好，可以实现缺陷边缘的有效探测，但存在检测效率低及内部缺陷检测信噪比差等弊端。因此，传统主动式红外检测方法难以实现缺陷形态及尺度特征的非接触在线精准三维重构检测需求；如何将面热源与点/线热源的热流加载优势相融合，既保证深度型与表面型缺陷的准确高效检测，同时又能够充分考虑热波三维方向热扩散过程，利用热波扩散干涉与衍射特性实现内部状态的三维高分辨断层成像，进而有望解决红外热波成像检测技术精准检测瓶颈问题。

在已有研究中，何赟泽等(专利号：CN201510124036.5)发明了一种微波阶跃热成像检测和层析成像方法及系统，通过理论分析与试验，建立特征值与深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不同时间范围的温度上升率，实现不同深度范围的层析成像。该方法利用特征值与深度定量关系实现层析成像，也仅考虑深度方向扩散过程，提出的层析成像技术对于缺陷边缘重构精度较低。王鹏伟等(专利号：CN201610841827.4)发明了一种基于温度场层析成像的无损检测方法，该方法首先将检测过程看做有温度热源的深度方向热传导过程，得到温度场刚度系数矩阵，然后根据被检测零部件的不同选择制作不同的隔热防护装置模型；其次，获取被检测零部件裸露部分的表面温度，根据被检测零部件的大小来选择确定需获取的表面温度的不同点数，利用温度场刚度系数矩阵采用广义矢量采样模式匹配法重构三维图像。该方法本质依然是基于一维深度方向的层析成像，未考虑热流的三维扩散过程。刘俊岩等(专利号：CN201611054089.5/

CN201710207453.5)在两项发明专利中分别提出了缩短相关热层析以及动态热层析检测系统与方法，这两种方法均仅建立热波特征与深度方向关系，边缘识别精度较差。陈力(专利号：CN201310130694.6)发明了一种激光扫描热波层析成像系统与方法，该方法采用高功率激光束,由激光扫描装置对样品的表面进行快速扫描,实现脉冲热激励，采用类似于动态热层析方法实现缺陷的三维形貌表征，从方法的本质上讲，该方法与动态热层析原理相同。何赟泽等(专利号：CN201510034897.4)等发明了一种窗扫描热成像缺陷检测和层析成像方法及系统，该系统中热源和热像仪以固定速度扫描被检对象，在扫描过程中，热源对被检对象进行加热，热像仪记录被检对象表面加热之后随时间变化的温度信息作为原始数据；对原始数据进行重构，获得被检对象每个点的温度变化序列作为检测信号；采用或产生特定信号作为参考信号；对检测信号与参考信号进行时域、频域和互相关处理，提取时域特征值、频域特征值、互相关幅值特征值和互相关相位特征值，实现缺陷检测和层析成像。该方法考虑热波信号时频变换未考虑其空域变换，因此，也无法对缺陷边缘进行有效识别。

为了充分利用热流的三维扩散特性实现缺陷尺寸/形貌的三维精准检测，本发明涉及一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法与系统，该发明基于热流干涉与衍射特性机制与红外热波成像探测理论，能够实现针对复合材料、金属材料以及高分子聚合物浅表层缺陷(＜4mm，直径/深度比＞1.5)的高效精准检测与三维特征重构。

发明内容

本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统和重构方法。本发明适用于航空航天、微电子及微纳结构等导电材料无损检测领域。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统，所述重构系统包括计算机、多通道数据线、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡、数据采集卡集成器、多通道信号输出线、激光器电源、冷却水管、制冷器、光纤集束、准直镜、第一偏振片、样件、二维移动台、第二偏振片、磁力座、焦平面红外热像仪、升降台、BNC数据线以及以太网线；所述的计算机设有三个信号端，计算机的其中一个信号输出端通过多通道数据线与数据采集卡集成器的信号输入端连接，计算机的第二个信号输入端通过以太网线与焦平面红外热像仪的信号输出端连接，计算机的第三个信号输出端通过BNC数据线与焦平面红外热像仪输入端相连接，第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数据采集卡通过卡槽安装于数据采集卡集成器中，数据采集卡集成器输出端通过多通道信号输出线与激光器电源输入端相连接，进而控制激光器电源功率调制变化，激光器电源输入端通过冷却水管与制冷器相连接，激光器电源输出端通过光纤集束与激光准直镜相连接，激光准直镜与第一偏振片相连接，样件放置于二维移动台上，样件辐射出的红外热辐射信号投过第二偏振片传输到焦平面红外热像仪，其中第二偏振片通过磁力座固定，焦平面红外热像仪放置于升降台上。

本发明还提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法，所述重构方法具体包括：

步骤一：明确待检测样件，将样件放置于二维移动台上；

步骤二：开启基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统；

步骤三：开启激光器电源以及制冷器，进而使激光器电源工作温度维持到一定温度，以保证激光器设备的正常运行；

步骤四：开启焦平面红外热像仪并对试验样件进行实时成像，并开启阵列激光器照射样件，调整二维移动台以确保相控阵激光束照射位置全部处于焦平面红外热像仪视野；

步骤五：相位控制阵列激光束为N×N矩阵排布，其中第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数据采集卡模拟信号输出通道也为N×N个，每个激光束受独立的模拟信号控制；

步骤六：采用基于相控阵空间调频信号分数阶傅里叶修正方法提取表面辐射信号相位特征；

步骤七：提取垂直于空间波动方向特征图像的相位截面曲线，并设置空间波动方向为

步骤八：获取的不同波动方向的截面曲线进行一维傅里叶变换，对其进行多方向重构，获取特定深度的特征图像；

步骤九：改变不同初始频率f

进一步地，在步骤二中，开启计算机、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡和数据采集卡集成器。

进一步地，在步骤三中，激光器电源工作温度维持到20℃。

进一步地，在步骤四中，激光器安置的偏振片与焦平面红外热像仪前的偏振片偏振方向一致，以此实现信号的有效滤波。

进一步地，在步骤五中，设置空间波动方向为

式中，Q(t)为垂直于波动方向的第一列激光强度，Q

第二列及第n列激光束的波动方程为，

式中，n为第n列激光束，在此空间波动状态下获得表面辐射信号为S(t)。

进一步地，所述基于相控阵空间调频信号分数阶傅里叶修正方法具体为：

式中，K

进一步地，在步骤九之后还包括：

步骤十：试验结束后，间隔5分钟后，关闭激光器电源、水冷制冷器、数据采集卡以及焦平面红外热像仪设备。

本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法的步骤。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法的步骤。

本发明的有益效果为：

(1)本发明公开了一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法，该方法相比较于传统的脉冲热波成像、锁相热波成像以及热波雷达成像等检测方法而言，可以充分利用热流的三维扩散，通过改变热流的不同空间波动状态，从二维角度对缺陷进行精准重构，提高了检测深度与检测效率，同时可实现材料量化表征与几何结构的三维层析重建，其中针对实现针对复合材料、金属材料以及高分子聚合物浅表层缺陷(＜4mm，直径/深度比＞1.5)的高效精准检测与三维特征重构；

(2)本发明公开了一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统，该系统采用相位控制阵列式激光集束对样件进行主动热加载，阵列式激光集束中单个激光束均可独立受到独立控制，可以实现对样件热流的空间调制，进而可以实现对缺陷尺寸的高精度检测，缺陷检测偏差控制在5％以内。

附图说明

图1是基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法原理图；

图2是基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统结构图；

图3是相控阵空间调制热流分布与缺陷重构结果示意图。

图中：1-计算机、2-多通道数据线、3-第一数据采集卡、4-第二数据采集卡、5-第三数据采集卡、6-数据采集卡集成器、7-多通道信号输出线、8-激光器电源、9-冷却水管、10-制冷器、11-光纤集束、12-准直镜、13-第一偏振片、14-样件、15-二维移动台、16-第二偏振片、17-磁力座、18-焦平面红外热像仪、19-升降台、20-BNC数据线以及21-以太网线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是为了提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法与系统，以解决目前红外热波层析检测技术(动态热层析成像、缩短相关热层析成像、激光扫描热波层析成像、窗扫描热成像缺陷检测和层析成像等)仅利用热波沿深度一维方向扩散过程，未考虑热流横向扩散过程的弊端，基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法(或技术)融合时域/频域/空域热流调制、多维度特征提取、热波干涉/衍射特性机制以及热波色散特性等多方面技术领域，可实现针对针对复合材料、金属材料以及高分子聚合物浅表层缺陷(＜4mm，直径/深度比＞1.5)的高效精准检测与三维特征重构。

本发明提出了一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构方法，该方法的基本原理如图1所示。采用N×N阵列式激光集束对试件进行主动热加载，其中阵列激光集束中单个激光束光强可以独立控制，通过数据采集卡(函数发生器功能)多通道模拟信号输出可以控制阵列激光实现空间波动变化，改变不同的空间波动变换方向(即改变

结合图1-图3，本发明提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统，所述重构系统包括计算机、多通道数据线、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡、数据采集卡集成器、多通道信号输出线、激光器电源、冷却水管、制冷器、光纤集束、准直镜、第一偏振片、样件、二维移动台、第二偏振片、磁力座、焦平面红外热像仪、升降台、BNC数据线以及以太网线；所述的计算机设有三个信号端，计算机的其中一个信号输出端通过多通道数据线与数据采集卡集成器的信号输入端连接，计算机的第二个信号输入端通过以太网线与焦平面红外热像仪的信号输出端连接，计算机的第三个信号输出端通过BNC数据线与焦平面红外热像仪输入端相连接，第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数据采集卡通过卡槽安装于数据采集卡集成器中，数据采集卡集成器输出端通过多通道信号输出线与激光器电源输入端相连接，进而控制激光器电源功率调制变化，激光器电源输入端通过冷却水管与制冷器相连接，激光器电源输出端通过光纤集束与激光准直镜相连接，激光准直镜与第一偏振片相连接，样件放置于二维移动台上，样件辐射出的红外热辐射信号投过第二偏振片传输到焦平面红外热像仪，其中第二偏振片通过磁力座固定，焦平面红外热像仪放置于升降台上。

本发明还提出一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法，所述重构方法具体包括：

步骤一：明确待检测样件，将样件放置于二维移动台上；

步骤二：开启基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统；

步骤三：开启激光器电源以及制冷器，进而使激光器电源工作温度维持到一定温度，以保证激光器设备的正常运行；

步骤四：开启焦平面红外热像仪并对试验样件进行实时成像，并开启阵列激光器照射样件，调整二维移动台以确保相控阵激光束照射位置全部处于焦平面红外热像仪视野；

步骤五：相位控制阵列激光束为N×N矩阵排布，其中第一数据采集卡、第二数据采集卡以及第三数据采集卡模拟信号输出通道也为N×N个，每个激光束受独立的模拟信号控制；

步骤六：采用基于相控阵空间调频信号分数阶傅里叶修正方法提取表面辐射信号相位特征；

步骤七：提取垂直于空间波动方向特征图像的相位截面曲线，并设置空间波动方向为

步骤八：获取的不同波动方向的截面曲线进行一维傅里叶变换，对其进行多方向重构，获取特定深度的特征图像；

步骤九：改变不同初始频率f

在步骤二中，开启计算机、第一数据采集卡、第二数据采集卡、第三数据采集卡和数据采集卡集成器。

在步骤三中，激光器电源工作温度维持到20℃，以保证激光器设备的正常运行。

在步骤四中，激光器安置的偏振片与焦平面红外热像仪前的偏振片偏振方向一致，以此实现信号的有效滤波。

在步骤五中，设置空间波动方向为

式中，Q(t)为垂直于波动方向的第一列激光强度，Q

第二列及第n列激光束的波动方程为，

式中，n为第n列激光束，在此空间波动状态下获得表面辐射信号为S(t)。

所述基于相控阵空间调频信号分数阶傅里叶修正方法具体为：

式中，K

在步骤九之后还包括：

步骤十：试验结束后，间隔5分钟后，关闭激光器电源、水冷制冷器、数据采集卡以及焦平面红外热像仪设备。

实施例

本发明所述的计算机1设有三个信号端，计算机1的其中一个信号输出端通过多通道数据线2与数据采集卡集成器6的信号输入端连接，计算机1的第二个信号输入端通过以太网线21与焦平面红外热像仪18的信号输出端连接，计算机1的第三个信号输出端通过BNC数据线20与焦平面红外热像仪18输入端相连接，第一数据采集卡3、第二数据采集卡4以及第三数据采集卡5通过卡槽安装与数据采集卡集成器6中，数据采集卡集成器6输出端通过多通道信号输出线7与激光器电源8输入端相连接，进而控制激光器电源8功率调制变化，激光器电源8输入端通过冷却水管9与制冷器10相连接，激光器电源8输出端通过光纤集束11与激光准直镜12相连接，激光准直镜12通过螺纹连接与第一偏振片13相连接，样件14放置于二维移动台15上，样件14辐射出的红外热辐射信号投过第二偏振片16传输到焦平面红外热像仪18，其中第二偏振片16通过磁力座固定，焦平面红外热像仪18放置于升降台19上。

根据图2所述的基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统示意图搭建系统，本实施方式中红外热像仪18的型号为FLIR SC7000，响应波长为3.6～5.2μm，最大帧频率为100Hz，采用的试件14为预制平底孔模拟脱粘缺陷的碳纤维复合材料，阵列激光集束为7×7阵列，单个激光5W。

步骤一：明确待检测样件14，将样件14放置于二维移动台15上；

步骤二：开启基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统，此步骤包括计算机1、第一数据采集卡3、第二数据采集卡4、第三数据采集卡5、数据采集卡集成器6等设备的开启；

步骤三：开启激光器电源8以及制冷器10，进而使激光器电源8工作温度维持到20℃，以保证激光器设备的正常运行；

步骤四：开启焦平面红外热像仪18并对试验样件14进行实时成像，并开启阵列激光器照射样件14，调整二维移动台15以确保相控阵激光束照射位置全部处于焦平面红外热像仪18视野，其中激光器安置的偏振片与焦平面红外热像仪18前的偏振片16偏振方向一致，以此实现信号的有效滤波；

步骤五：相位控制阵列激光束为7×7矩阵排布，其中第一数据采集卡3、第二数据采集卡4以及第三数据采集卡5模拟信号输出通道也为7×7个，每个激光束受独立的模拟信号控制，此时，设置空间波动方向为

式中，Q(t)为垂直于波动方向的第一列激光强度，Q

式中，n为第n列激光束。在此空间波动状态下获得表面辐射信号为S(t)。

步骤六：采用基于相控阵空间调频信号分数阶傅里叶修正方法提取表面辐射信号相位特征，其提取算法为，

式中，K

步骤七：提取垂直于空间波动方向特征图像的相位截面曲线。并设置空间波动方向

步骤八：获取的不同波动方向的截面曲线进行一维傅里叶变换，对其进行多方向重构，获取特定深度的特征图像；

步骤九：改变不同初始频率f

步骤十：试验结束后，间隔5分钟后，关闭激光器电源、水冷制冷器、数据采集卡以及焦平面红外热像仪等设备。

图3给出的为相控阵空间调制热流分布与缺陷重构结果示意图。

本发明还提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法的步骤。

本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统的重构方法的步骤。

本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(read only memory，ROM)、可编程只读存储器(programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasablePROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(electrically EPROM，EEPROM)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(random access memory，RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(static RAM，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic RAM，DRAM)、同步动态随机存取存储器(synchronousDRAM，SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(double data rate SDRAM，DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(enhanced SDRAM，ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(synchlink DRAM，SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(direct rambusRAM，DR RAM)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digital subscriber line，DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digital video disc，DVD))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disc，SSD))等。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

以上对本发明所提出的一种基于相位控制阵列激光集束激励的光热三维特征重构系统和重构方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。