采用LIT–LOF方法的碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板低速冲击损伤红外热成像数据重建

《Infrared Physics & Technology》：Infrared thermography data reconstruction for low-velocity impact-induced surface damage in CFRP laminates using LIT–LOF

　　

摘要
提出了一种锁相红外热成像 - 局部离群因子 (LIT-LOF) 框架，用于增强和定量表征低能量冲击 (LVI) 引起的碳纤维增强聚合物 (CFRP) 层压板表面损伤。该框架结合了 LIT 相位特征提取与基于 LOF 的局部异常分析，以减少红外热成像图像中的损伤边界模糊和背景波动。在具有两种铺层序列的 CFRP 层压板上进行了涵盖十个冲击能级的 LVI 测试，激光轮廓测量提供了表面变形的参考测量值。提取的 LIT 相位图像使用频率加权 LOF 公式进行重构，将相位变化转化为归一化的局部异常表示。与原始 LIT 相位图像相比，提出的 LIT-LOF 方法将平均缺陷信噪比 (SNR) 提高了 114.43%，并将背景波动降低了 47.86%，显著改善了损伤可见性和背景均匀性。估计的表面损伤尺寸的平均相对误差分别为 8.71% 和 6.46%，对应于两种层压板构型，表明与激光轮廓测量结果吻合良好。重构的损伤区域进一步转换为保留冲击影响区域位置和横向范围的空间点云表示。这些结果表明，LIT-LOF 提供了一种有效的方法，用于快速增强、定位和表征 CFRP 层压板中 LVI 引起的表面损伤。此外，归一化异常表示提供了一种标准化数据格式，具有潜在的空间配准潜力，并可与互补的无损检测数据进行整合。

引言
无损检测 (NDT) 通过分析不同物理场激励引起的响应来表征材料缺陷，而不会损害结构完整性 [1]。在各种无损检测技术中，红外热成像因其快速、非接触和大面积检测能力，被广泛用于表面和近表面缺陷的检查 [2]。随着无损检测与评估 (NDT&E) 的不断发展，越来越多的关注点被置于准确和高效的损伤表征上。同时，数据融合技术越来越多地被采用，以整合来自不同传感模态的互补信息，并提供更全面的损伤特征表示 [3], [4], [5]。这些发展对红外检测结果的质量和可解释性提出了更高要求，特别是在将损伤相关特征与背景变化和噪声可靠分离方面 [6], [7]。

红外热成像损伤识别通常依赖于热特征提取，随后进行图像解释。然而，加热不均匀、背景波动和测量噪声会降低热对比度，模糊损伤边界，并 adversely 影响定量表征 [8], [9], [10]。此外，传统热特征以其原始物理或数值尺度表示，这可能随激励条件、材料属性和数据处理方法而变化。这种变化降低了在不同条件下采集的热成像结果之间的直接可比性，并在随后将红外数据与异构无损检测数据进行比较或整合时带来额外挑战。因此，有效的增强方法不仅应提高损伤对比度和抑制背景变化，还应提供一致的损伤相关信息表示，以便进行后续定量分析。

碳纤维增强聚合物 (CFRP) 复合材料广泛应用于航空航天结构，并越来越多地取代重量敏感的承重部件中的传统金属材料。在服务过程中，CFRP 结构可能会受到意外的低能量冲击 (LVI)。这种冲击通常只产生轻微的表面变形，却会引发内部损伤，包括基体开裂、分层、界面脱粘和纤维损伤。有限的表面证据和复杂的内部损伤形态使得仅通过目视检查难以识别 LVI 损伤。

近年来，在红外热成像检测 CFRP 复合材料冲击诱发损伤方面取得了相当大的进展。现有研究主要关注热特征增强和定量损伤表征。在特征增强方面，Huang 等人 [11] 采用了 Kaiser 窗加权的线性调频激励方案，以提高 CFRP 冲击损伤红外热成像的检测分辨率和稳定性。Liu 等人 [12] 结合了窄带扫描振动热成像与位移响应分析，并建立了共振引起的热量产生与冲击损伤严重程度之间的定量关系。Gao 等人 [13], [14] 提出了一种基于分解的多目标进化优化框架，带有动态加权参数用于红外特征提取，能够实现不同类型超高速冲击损伤的识别和可视化。Smeets 等人 [15] 引入了二阶时间导数分析，并优化了热波信号重构，以增强受冲击复合材料结构中裂纹和分层的可检测性。Zhang 等人 [16], [17] 开发了一种基于一维深度卷积自编码器的主动红外热成像 (1D-DCAE-AIRT) 方法进行缺陷增强，与传统增强方法相比，改善了内部缺陷的可视化效果。

另一个重要的研究方向涉及红外响应与冲击诱发损伤之间的定量关系。Zhao 等人 [18] 将冲击实验与热波成像相结合，研究了不同冲击能量下红外响应的演变。Vavilov 等人 [19] 研究了受热循环和湿气老化影响下 CFRP 复合材料冲击损伤的可检测性，证明了红外热成像在各种环境条件下的适用性。Zhu 等人 [20] 引入热扩散率作为定量损伤表征指标，并开发了基于热扩散率分析的损伤预测方法。他们利用多激励红外热成像，进一步研究了损伤形态随冲击能量增加而演变的过程以及纤维改性对抗冲击性的影响。

尽管取得了这些进展，红外热成像有限的穿透深度限制了其独立表征相对较厚复合材料结构中深埋损伤的能力。因此，红外热成像为超声波检测和 X 射线计算机断层扫描 (CT) 等技术提供了互补信息，这些技术通过不同的物理机制表征损伤。然而，不同的无损检测模态通常会产生具有不同物理意义、数值范围和统计分布的特征。因此，直接整合此类异构信息需要适当的特征转换或归一化。在此背景下，以损伤相对于周围背景的相对异常性来表示损伤，而不是仅依赖于原始物理特征的绝对幅度，可能为后续的跨模态比较和数据融合提供更一致的损伤表示。

局部离群因子 (LOF) 提供了一种基于密度的度量，用于衡量样本相对于其邻居的局部异常性。基于 LOF 的方法此前已被引入无损检测领域，以识别偏离局部背景分布的缺陷相关特征 [21], [22]。在我们之前的研究中，基于局部离群的处理被应用于包含人工和冲击诱发缺陷的红外热成像和超声数据集，表明局部异常分析可以有效地增强不同无损检测模态中的缺陷相关特征。然而，直接将离群分析应用于原始热序列对于微弱的 LVI 引起的表面损伤效果较差，因为损伤相关的热变化通常与整体温度变化相比很小。此外，传统的锁相红外热成像 (LIT) 直接解释提取的相位特征，使得相位图像中的背景变化会影响后续的损伤表征。

为了解决这些局限性，本研究提出了一种锁相红外热成像 - 局部离群因子 (LIT-LOF) 框架。采集到的热序列首先使用 LIT 进行处理以提取相位响应，这将损伤相关的周期性热信息集中到一个二维相位图像中。然后，将 LOF 应用于提取的相位特征的空间分布，以评估每个空间样本相对于其相邻样本的局部异常性。与直接依赖相位对比进行损伤解释的传统 LIT 不同，LIT-LOF 将损伤相关的相位变化转化为归一化的局部异常表示。这种转化减少了损伤表征对原始相位特征绝对数值范围的依赖，抑制了背景变化，并增强了冲击影响区域与完好区域之间的区别。

基于异常的表示也为后续的多源无损检测分析提供了潜在优势。不同的传感模态可能会产生根本不同的物理特征，例如热成像相位响应、超声特征或基于 CT 的结构信息。而不是试图使这些异质性物理量直接等价，LIT-LOF 将热成像相位特征转化为局部异常的相对度量。这种表示减少了与原始特征尺度相关的差异，并提供了与其他无损检测模态衍生的基于异常特征进行比较的更一致基础。

在本研究中，提出的 LIT-LOF 框架应用于具有不同铺层序列和冲击能量的中等厚度 CFRP 层压板的 LVI 引起的表面损伤。其性能通过损伤信噪比 (SNR) 和背景波动进行定量评估，同时通过与激光轮廓测量获得的表面变形测量值对比，验证了识别出的表面损伤区域的尺寸。此外，研究了 LOF 邻域大小对损伤增强的影响，以评估所提方法对该关键参数的敏感性。本工作的主要贡献是开发和实验验证了基于相位特征的局部异常表示，以增强 LVI 损伤表征，并评估了其在后续多源无损检测应用中提供一致损伤表示的潜力。

本文其余部分组织如下。第 2 节介绍了 LIT-LOF 框架的热波基础和运行原理。第 3 节描述了 LVI 实验、红外热成像检测和激光轮廓测量。第 4 节展示了实验结果，包括损伤增强、参数敏感性、表面损伤表征以及与激光轮廓测量的比较。还讨论了提出的基于异常表示对后续多源无损检测应用的意义和局限性。最后，第 5 节总结了主要结论。

章节片段
LIT-LOF 原理
红外热成像损伤表征通常通过分析损伤区域和完好区域之间的热响应差异来进行。在提出的框架中，首先将 LIT 应用于采集的热序列以提取与周期性热响应相关的相位特征。基于 LOF 原理，随后分析提取的 LIT 相位特征，以评估每个相位值相对于其相邻样本的局部异常程度。

试样制备
冲击实验使用的 CFRP 层压板由成都领航视复合材料有限公司制造，采用 Toray T300 碳纤维和环氧树脂基体。T300 碳纤维是最广泛使用的航空航天级增强材料之一，由于其稳定的机械性能、成熟的制造工艺和广泛的工程应用，常被作为复合材料研究中的基准材料。所有层压板均由...制造

结果与讨论
图 9 展示了一个代表性的原始热图以及相应的 LIT 相位图像和 LIT-LOF 结果。每次测量期间共采集了 160 张热图像，完整的热序列用于 LIT 分析。图 9(a) 中显示的原始热图代表了采集热序列中的典型帧，说明了信号处理前的热响应。冲击引起的损伤很难直接从背景中区分出来...

结论
本研究提出了一种 LIT-LOF 框架，用于增强和定量表征中等厚度 CFRP 层压板中 LVI 引起的表面损伤。提出的框架结合了 LIT 相位特征提取与频率加权 LOF 重构策略，将试样相关的相位值转化为归一化的局部异常表示。与传统的 LIT 分析相比，该方法增强了损伤相关特征，同时抑制了背景波动...

CRediT 作者贡献声明
彭尹：撰写 - 初稿、验证、方法学、调查、数据整理、概念化。王飞：监督、项目管理。杜良杰：可视化。高明宇：软件。杨峰：形式分析。李荣成：验证。岳红浩：监督。刘君岩：资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本工作得到国家自然科学基金 (NSFC) 资助，合同号 U2570237、No. 62201173 和 No.61571153，高等学校学科创新引智计划 (资助号 B07108)。JCJQ (No. 2022-JCJQ-J1-0646)，以及机器人和系统国家重点实验室 (哈尔滨工业大学) 自选任务 (NO. SKLRS202304C)。

彭尹 | 王飞 | 杜良杰 | 高明宇 | 杨峰 | 李荣成 | 岳红浩 | 刘君岩
机器人和系统国家重点实验室 (哈尔滨工业大学)，中国哈尔滨 150001