基于低峰值功率激光的线性调频方波热成像技术可靠性评估

《NDT & E International》：A Reliability Evaluation of Linear Frequency Modulated Square Wave Thermography Using Low Peak Power Laser

　　摘要：本研究对数字频率调制热波成像技术用于检测碳纤维增强聚合物复合材料中地下缺陷的可靠性进行了评估。研究了三个含有27个人工制造的平底孔缺陷的CFRP样品，这些缺陷的直径与深度比各不相同，旨在模拟分层现象，检测过程中采用了低功率激光激发系统。为提高缺陷识别的准确性，对四种后处理算法——快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、主成分分析以及拟合相关系数进行了比较评估。关键在于，通过信噪比和对比度噪声比来定量评估每种算法的检测能力，而整体检测可靠性则通过基于命中/未命中方法的检测概率来进行评估。实验结果表明，虽然这四种算法都能成功识别直径与深度比较大的缺陷，但分数傅里叶变换算法能显著提升深部、低对比度缺陷的信噪比和对比度噪声比。此外，检测概率评估显示，将DFMTWI技术与分数傅里叶变换算法结合使用可获得最高可靠性，因为后者能最佳匹配调制热波的时频特性。这为在低峰值功率条件下对CFRP材料进行全面缺陷评估提供了一种可靠的技术解决方案。

引言：碳纤维增强聚合物因其出色的性能，如高强重比、刚性、耐腐蚀性以及轻质特点，已被广泛应用于航空航天、汽车制造、风能以及土木工程等领域。然而，CFRP在制造和使用过程中容易出现分层和空洞等地下缺陷，这些缺陷会严重影响结构的完整性。因此，开发有效的无损检测与评估技术至关重要。虽然超声波检测是一种传统的核心方法，但其非接触式变体存在实际限制：电磁超声波仅适用于导电材料，激光超声波由于能量密度过高可能导致表面烧蚀，而空气耦合超声波则存在灵敏度低、扫描速度慢的问题。因此，主动红外热成像技术因其具有检测范围大、扫描速度快、非接触操作等优点，已成为各个领域中一种极具吸引力的替代方案。不过，要将红外热成像技术发展为完全可靠的工业标准，还需要对其性能进行严格评估。在传统的红外热成像研究中，重点往往放在改善缺陷可视化上，通常通过信噪比等指标来证明缺陷的可检测性。然而，对于关键的复合结构而言，仅仅实现可检测性是不够的，必须确定统计上的检测概率，才能真正评估红外热成像系统的可靠性。这种整体可靠性本质上取决于主动热激励策略与用于解码热响应的后续信号处理算法的最佳组合。

近年来，主动红外热成像技术在激励信号调制和缺陷特征提取算法方面取得了显著进展。脉冲热成像技术采用瞬态高能脉冲作为外部激励的调制信号，而锁相热成像技术则利用正弦波调制，通过分析捕获的热波信号的幅度和相位图像来检测缺陷。此外，脉冲相位热成像技术则将类似脉冲热成像技术的热通量激励与快速傅里叶变换相结合，以提取相位信息，从而在一定程度上降低了脉冲热成像对激励能量的依赖。尽管有这些优势，脉冲热成像仍然严重依赖高峰值激励源，锁相热成像的检测效率较低，而脉冲相位热成像在检测深度方面也存在局限。为解决这些问题，基于动态热成像的各种增强技术应运而生，它们在优化光热系统的时间域和频域性能方面展现出显著优势，从而克服了传统主动热成像方法的诸多难题。在这些技术中，热波雷达成像技术、数字频率调制热波成像技术以及线性频率调制热波成像技术在这一领域取得了重大突破。在线性调制的基础上，最新的研究还探索了非线性频率调制激励，如二次调制和对数调制，以便进一步优化能量分布，从而探测更深的地下层。相应地，由于这些频率调制激励所引发的热响应本质上是非平稳的，因此越来越多地采用基于时频的高级分析方法，如 chirp Z变换，来定量分析地下缺陷。此外，还有一些新方法，如异构双频单像素技术，它通过单像素探测器结合短波和长波信息，有望突破传统相机分辨率的限制。该方法利用不同激励信号编码的热波空间信息，实现了超越传统红外相机能力的高分辨率缺陷成像。脉冲压缩技术的应用进一步提升了动态热成像模式下的检测效率。脉冲压缩技术通过将分散的热能集中到狭窄的峰值中，提高了弱信号的信噪比，这种能量压缩大大扩展了深度扫描的动态范围，使得在低峰值功率条件下也能有效识别深层缺陷。

尽管像热波雷达成像技术、线性频率调制热波成像技术和数字频率调制热波成像技术这样的红外无损检测技术具有宽频率覆盖范围、高信噪比以及出色的深度扫描能力，但这些方法仍依赖于后续的图像处理和特征提取算法来实现优化。之所以需要依赖这些算法，是因为主动红外热成像技术所获取的原始热图像存在诸如噪声、信号衰减、缺陷分离以及复杂特征识别等问题。因此，先进的熱波信号处理算法对于提升缺陷检测能力至关重要，而后续的特征提取和图像处理算法则对于提高图像质量、检测精度、自动化水平以及定量分析能力同样重要。有研究者提出了双向热波雷达热成像技术，并开发了时间切片成像算法，如动态分量提取、希尔伯特变换以及解析 chirp 相关分析，以此帮助检测混合碳/玻璃纤维增强聚合物层合材料中的地下缺陷。类似地，还有研究者提出了低能量 chirp 脉冲雷达热成像技术，该技术运用时频域算法以及统计分析算法来检测 CFRP 复合材料中的地下分层缺陷。此外，还有研究基于 FFT 相位特征提出了三维断层成像方法。为了进一步提升缺陷检测能力并扩大深度扫描的动态范围，还有研究者提出了多模态光学激发脉冲热成像技术，并采用偏最小二乘回归特征提取算法来优化固体推进剂火箭发动机包层中脱粘缺陷的检测。最近，还有研究者提出了一种新的后处理算法，该算法将变分贝叶斯张量分解与稳定低秩分解相结合，用于红外热成像中的伪恢复热通量方法。虽然有研究者提出的伪恢复热通量方法以及另一组研究者开发的变分贝叶斯张量分解方法都能提升热成像中的缺陷检测能力，但它们都受到噪声和数据丢失等物理模型假设的限制。相比之下，将伪恢复热通量方法嵌入到变分贝叶斯张量分解方法中，有助于在空间分布复杂度较低的情况下提升周期性方波热成像中的缺陷检测能力。

本研究提出了一种数字频率调制热波成像技术，用于检测 CFRP 层合材料中的缺陷，并通过实验评估了该技术对不同直径与深度比缺陷的检测能力。为了便于比较分析，准备了三个具有不同直径与深度比缺陷的 CFRP 样品。随后，应用了四种特征提取算法，包括快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、主成分分析以及拟合相关系数，来处理热波信号数据。根据每种后处理算法的信噪比和对比度噪声比，评估了该技术在缺陷检测方面的能力。此外，为了严格评估整体检测可靠性，还采用了基于命中/未命中方法的检测概率分析，以确定激励算法与处理算法之间的最佳协同效应。

本文的结构如下：第一部分介绍了研究方法，包括 DFMTWI 的原理、特征提取算法以及检测概率分析模型；第二部分阐述了实验细节，包括实验系统及样品制备过程；第三部分展示了实验结果与讨论，内容包括算法处理结果、检测能力评估以及可靠性分析；最后一部分给出了研究结论。

DFMTWI 的原理：虽然脉冲热成像技术因其快速的检测能力而被广泛使用，但它存在一个根本性的缺陷：高频分量的能量呈指数级衰减，导致深层缺陷的信噪比很差。相比之下，锁相热成像技术虽然灵敏度高且具备深度扫描功能，但需要进行耗时的多频率扫描，而且其正弦波激励方式相比相同峰值幅度的方波，通常具有更低的平均能量。为克服这些缺陷，

实验系统：图1(a)展示了 DFMTWI 系统的示意图。该实验装置包括一台冷却型中波红外相机、一台连续波半导体激光器、一台主机电脑、一个同步器以及 CFRP 样品。具体而言，光学激励由一台808纳米的半导体激光器提供，在本实验中该激光器的最大输出功率设置为50瓦特。激光器的调制工作由同步器精确控制。

算法处理结果：在本部分中，使用快速傅里叶变换、分数傅里叶变换、主成分分析以及拟合相关系数算法对获取的原始红外图像序列进行了处理。为了直接比较 DFMTWI 的成像性能与各种特征处理算法的缺陷检测能力，采用了基于信噪比和对比度噪声比的定量评估指标。图像中缺陷区域的信噪比和对比度噪声比定义如下。其中，SD、SH、σD和σH分别代表缺陷区域的均值、高斯噪声的均值、缺陷区域的标准差以及高斯噪声的标准差。

结论：本研究对数字频率调制热波成像技术用于检测 CFRP 复合材料中地下分层缺陷的可靠性进行了全面评估。该技术通过结合方波调制的高能量注入效率与频率扫描的动态深度扫描功能，有效解决了传统热成像技术在低功率激励条件下的局限性。本研究共分析了三个含有不同类型缺陷的CFRP样品，

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

作者贡献声明：刘涛负责原文撰写、验证、方法设计、实验研究、正式分析以及数据整理工作；刘明瑞负责文章审阅与编辑以及实验研究工作；张海负责文章审阅与编辑、项目监督、软件应用、资源协调、项目管理、实验研究以及资金筹措工作，同时还参与了概念设计工作。

未引用参考文献：[2]。

数据可用性：数据可应要求提供。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了中国国家关键研发计划的支持，项目编号为2023YFE0197800。

刘涛 | 刘明瑞 | 张海
中国哈尔滨工业大学复合材料与结构中心，哈尔滨市，150001