一种激光扫描热波锁相成像系统
阅读：20发布：2020-05-30
专利汇可以提供一种激光扫描热波锁相成像系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种采用激光扫描的热波 锁 相成像系统，系统采用高功率 激光束 对试件表面进行周期性热激励，红外热像仪连续采集试件表面的序列热波图像，通过采用锁 相图 像处理技术，得到试件的振幅与 相位 热波图像，从而判定材料内部的结构与 缺陷 。，下面是一种激光扫描热波锁相成像系统专利的具体信息内容。
1.一种激光扫描热波锁相成像系统，其特征在于所述系统包括：
高功率激光器（21），所述高功率激光器（21）用于对试件表面进行扫描，激励热波；
激光控制单元（20），所述激光控制单元（20）用于控制高功率激光器（21）的输出功率，以实现不同频率与波形的热激励；
光束整形装置（22），所述光束整形装置（22）用于使得激光束在试件表面形成所需形状的激光光斑（24）；
红外热像仪（11），所述红外热像仪（11）用于采集试件表面的序列热波图像；
扫描控制单元（25），所述扫描控制单元（25）用于控制激光束扫描频率与所述红外热像仪（11）的帧频保持特定同步关系；
数据处理单元（14），所述数据处理单元（14）用于对所述红外热像仪（11）所采集的序列热波图像进行锁相数据处理，并协调控制所述激光控制单元（20）与所述扫描控制单元（25）。
2.根据权利要求1所述的一种激光扫描热波锁相成像系统，所述锁相数据处理包括采用单相积分法、双相积分法或快速傅立叶变换图像分析法。
3.根据权利要求1所述的一种激光扫描热波锁相成像系统，所述特定同步关系是：每当所述红外热像仪（11）完成采集N帧序列图像后，所述激光光斑（24）完成扫描M周期，其中N与M为大于零的整数，且N与M互质。
4.根据权利要求1所述的一种激光扫描热波锁相成像系统，所述红外热像仪（11）采用逐行扫描型，并选择激光光斑（24）的扫描方向与速度，使得红外热像仪芯片（70）上的激光光斑投影（72）与所述红外热像仪芯片（70）上的当前信号积分行（71）所移动的方向与速度相同。
5.根据权利要求1所述的一种激光扫描热波锁相成像系统，所述光束整形装置（22）可将所述激光光斑（24）的形状设为点状，线状或条状的一种。
一种激光扫描热波锁相成像系统
技术领域
背景技术
[0002] 热波成像技术是近代发展起来的一项无损检测手段，其基本原理是采用热激励源对试件表面进行加热来产生温度差，该温度差形成向试件内部传播的热波，当热波在试件内部遇到缺陷或热阻抗有变化的地方时，部分热能就会发生反射而回到试件的表面，使得试件表面的温度发生动态分布。采用红外热像仪记录试件表面温度随时间变化的信息，再通过图像处理手段对热波信号进行校正、处理和分析，可以实现对内部结构及缺陷的检测。相比传统的无损检测手段，热波成像技术具有非接触、远距离、大面积快速成像等独特优势，特别适合检测各种复杂结构的复合材料，包括表面粗糙的非透明涂层。其应用广泛，如太阳能电池的粘合、风电叶片的脱粘，集成电路封装，航天器外壳的内部腐蚀、水下舰只的壳体、汽车外壳及漆层质量等等的评估与检测。
[0003] 热波成像无损检测分为多种技术手段，比较普遍采用的是脉冲热激励方式，基本原理是采用脉冲热激励源在试件表面产生一个短周期的热脉冲，利用其在试件内部传播途中与材料内部缺陷及非均匀性结构之间的相互作用来进行检测。这个方法的测试时间快，对不同深度的缺陷可同时有效的探测，但对热激励源的要求比较高，必须能在短时间内辐射出很高的辐射能量。另一个主要手段是热波锁相成像检测技术，其采用周期性热激励源对试件表面进行加热，利用信号的周期相关性对采集到的试件表面温度变化进行处理，可分离出热波信号的振幅与相位，从而得到试件内部缺陷与结构的信息。相对于脉冲热激励方法，其优点是对热激励源的性能要求降低很多，单位面积的热激励功率大幅度减低。当然缺点是测试时间长，而且不同深度的缺陷需要采用不同的调制频率，以免漏检。因此比更适合面积比较大的试件，而且缺陷的深度相对比较确定的情况。
[0004] 目前主流的热波锁相成像系统大都是采用高功率红外加热灯，其优点是成本低，使用也比较方便。但缺点也十分明显，如光辐射严重发散，以至于不适合远距离作用，并且由此导致在试件表面的电热转换效率不高，而且热激励的面积大小不易控制，完全靠灯的位置来调整，且光辐射的均匀性不好。加之灯管的热响应比较慢，灯管本身高温所辐射的红外线通过试件表面的反射会干扰热波图像的采集，等等。因此需要有一种更加有效的热激励方式来进一步对目前的热波锁相成像技术进行提高。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是针对上述现有热波锁相成像技术的不足，提出一种改进的热激励与检测装置。本发明采用扫描激光束作为热激励源，激光扫描热激励具有多重优势，它可以远距离投射、辐射区域大小可任意改变、辐照均匀、响应速度快、可灵活控制、自身不发热，等等，因此特别适合应用于热波成像技术。
[0006] 本发明的具体方法为：采用激光束对试件表面进行扫描热激励，使得扫描的频率与图像采集的帧频保持特定的同步关系，这样可以消除由于激光光斑在扫描过程中对热波图像产生的干扰。红外热像仪的工作方式可分为凝视型与扫描型，凝视型是指整幅图像在同一时刻采集，然后顺序读出，而扫描型红外热像仪则是采取逐行积分与读出的方式。因此根据红外热像仪工作方式的不同将采用不同的同步方式。下面的实施示例将给予进一步的详细介绍。附图说明
[0007] 图1为热波锁相成像技术的原理示意图；
[0008] 图2为激光扫描锁相成像系统原理图；
[0009] 图3为激光扫描锁相成像系统的热激励与图像采集示意图；
[0010] 图4为本发明方法的一种实施方式；
[0011] 图5为本发明方法的另一种实施方式；
[0012] 图6为本发明方法的又一种实施方式；
[0013] 图7为本发明方法的还一种实施方式；
具体实施方式
[0015] 为了使本发明的原理及特点得到更好的理解，以下将结合具体实施例与附图对本发明做进一步的说明。
[0016] 图1(a)所示的是现有热波锁相成像技术的系统原理框图，系统包括热激励源10，红外热像仪11，热激励驱动单元12及数据处理单元14。在热激励驱动单元12的控制下，热激励源10的光辐射对试件表面进行周期性加热，产生的热波15向试件内部传播，当遇到内部缺陷17或结构性变化时，会有一部分反射热波16被反射到试件表面，热波反射回来的时间、强度等和缺陷深度及材料的物理特性相关。一种周期性热激励波形如图1（b）中的“热激励调制”曲线所示，这是一方波，但也可以采用其它波形，如正弦波等。试件表面在吸收热激励能量后的温度变化如图1（b）的“试件表面温度”曲线所示，其上升与下降沿都有平滑现象，这是材料的热学弛豫现象所致。当试件内部有缺陷时，由于部分“反射热波信号”的影响，这个温度曲线将受到一定的改变，但通常这种改变十分微弱，在图像噪声的影响下，直接从热波图像上往往比较难于看清楚。由于周期性的热激励产生的热波信号也是周期性的，而噪声则是无规的，因此可以通过这种周期相关性对噪声进行抑制，从而使得图像的信噪比得到很大提高，缺陷变得清晰起来，这就是锁相技术的基本原理。
[0017] 周期信号的相关处理，也就是锁相信号处理的方式有几种，最简单的可以将其称为单相积分法，就是将检测到的热波信号按热激励的正、负两个半周期分别进行积分，具体的就是将这个周期内采集的“序列热波图像”进行平均，如图1（b）的“单相积分法”曲线所示，然后将这两个半周的积分信号相减，这样背景信号得到消除，噪声得到一定的抑制，而热波信号不受损失。这个方法处理速度很快，特别适合于比较短周期的热激励，可以在较短时间处理很多周期。由于被缺陷反射的热波信号传到表面需要一定时间，因此热波信号积分的周期相对于热激励的周期需要要一定的延迟或称为相移，否则信号会受到损失。这种方法的缺点是不能得到热波信号的振幅与相位。因此另一种方法可称为双相积分法，它是通过在单相积分的基础上增加第二路单相积分来实现的。这两路单相积分之间相差90度的相位，如果将热波信号作为一个矢量，在二维坐标上这两路单相积分信号就相当于热波信号在x、y两个正交坐标的投影。因此可以通过三角公式计算出热波信号的幅度与相位。这种方法由于计算量相对不是很大，处理速度也是比较快的，因而得到普遍的应用。另外一种周期信号的相关处理方式就是直接对“序列热波图像”进行快速傅立叶变换，计算出热波信号的振幅与相位图像。这种快速傅立叶变换图像分析法有很多优点，如精度高，抑噪效果好，当然缺点是计算量很大，处理时间比较长。
[0018] 上述现有热波锁相成像系统中采用的多是红外线灯，也有报道采用的是激光束来进行热激励的。但不是采用扫描的方式，而是将激光束扩束，使得光斑充满红外热像仪的视场。这种方式的主要缺点是由于激光束的相干性，扩大的光斑里会有很多干涉条纹和散斑；另外激光束是高斯分布的，很难将大光斑中各点的光强调均匀，因此这些都会影响到热激励的质量。本发明采用激光扫描的方式，当激光束聚焦成点状或线状时，干涉现象将不会产生影响，通过一维或二维扫描，可以得到均匀分布的热激励。并且扫描方式还可以很容易改变热激励的范围，而这样的系统还可以同时实现热波锁相成像与脉冲热波成像的目的。
[0019] 对于锁相成像技术，图像上由于热激励所引起的热波信号强度分布不均匀在一定范围内是可以接受的，因为尽管会影响振幅图像，但在最终的相位图像上这种非均匀热激励的影响会得到很大的抑制。但是这种强度的不均匀性不能太大，否则其影响无法完全消除。特别是热激励的强度分布在所有序列热波图像中不能发生变动，否则这种变动等同于噪声，将影响到最终图像的质量。由此可见，激光扫描与红外热像仪的帧频之间必须保持一定的同步关系。
[0020] 图2所示的是一种采用激光扫描的热波锁相成像系统原理框图。高功率激光器21在激光控制单元20的驱动下，用于在被测试件表面激励热波。激光控制单元20可以控制激光器21的输出功率的波形，例如在热波图像采集过程中有时希望使用如正弦或其它波形来进行热激励，这可以通过数据处理单元14来控制激光控制单元20去实现。光束整形装置22可以根据需要调整激光光斑24的形状，如点状或线状等，为了方便本说明书将以线状光斑为主进行叙述。扫描振镜23在扫描控制单元25的驱动下，用于对激光束进行一维或二维的扫描。红外热像仪11则用于采集热波图像，其帧频与扫描振镜23的扫描频率在扫描控制单元25的控制下保持特定的同步关系。
[0021] 由于聚焦的激光束功率密度很高，因此必须保持较高的扫描速度。对于长周期的热激励，在一个加热周期中激光束将往复扫描多次，与此同时热波图像也需要连续采集。如图3所示，曲线31表示的是试件表面各点温度因激光束重复扫描而随时间的变化，有如锯齿波状，上升沿为激光束加热，下降沿为加热后的冷却。曲线32代表由这种连续激光扫描所产生的平均加热效应。曲线33则是加热周期停止后的温度下降曲线，比较平滑。
[0022] 激光扫描应用于热波锁相成像技术的首要问题是，在加热周期里由于激光束在不停扫描，每帧热波图像中各点的热激励时间是不同的，这样会造成热波图像强度分布的不均匀。另外在在加热周期里，激光光斑24所在位置的温度往往高于周边很多，采集到的图像中各点亮度差别很大。如图4（a）所示，其中曲线41表示热波图像自上而下的温度分布。如果红外热像仪帧频和激光扫描不同步，激光光斑24不停地移动，并且在不同帧的热波图像中的位置不一样，这样的序列热波图像在进行处理时就很难得到好的结果。因此必须设法使得采集的序列热波图像的信号强度分布尽量均匀，并且帧与帧之间的信号强度分布相同。
[0023] 一个直接的解决办法就是使得激光光斑24的扫描与红外热像仪11的帧频同步，并且等待激光光斑24扫描出红外热像仪11视场后再开始采集热波图像，以避免激光光斑24的影响。如图4（b）所示，在没有激光光斑24的影响下，这时热波图像上的信号从上至下相对变化较小，这有利于后期处理时进行修正。
[0024] 另外一种方式是将激光光斑24适当扩宽成条状，以降低功率密度，如图5所示，激光光斑24宽度约为图像高度的四分之一，这时热波图像中激光光斑24所在区域的热波信号幅度相对其它区域差别不是很大，如图中曲线51所示。同时在扫描时使得扫描振镜23与热像仪11帧频之间有一个偏移量，例如图5中所示的，扫描振镜23的扫描频率是红外热像仪11帧频的1.25倍，即在4帧图像中激光束扫描了5次，每帧图像中的激光光斑24的位置下移了四分之一幅。将这4帧图像平均起来得到新的热波图像上热波信号的均匀性得到很大提高。这种每4帧图像平均成一帧新的热波图像，等效降低了帧频，因此比较适合热激励周期比较长或帧频比较高的情况。上述方法归纳起来就是，如果激光扫描频率为M，红外热像仪帧频为N，则每经过N帧图像的时间激光扫描了M次，可将每N帧图像进行平均得到一帧新的热波图像。这帧新的热波图像上的热波信号强度分布非均匀性会得到很大改善，而且由此方法得到的新的序列图像，尽管热波信号的强度分布还不完全均匀，但其帧与帧之间这种强度分布非均匀性是完全相同的，因此在后续锁相信号处理中不会影响到相位图的质量。
[0025] 图6所示的是另一种实施方式，这里红外热像仪的积分时间尽量接近帧频周期，在一帧之内可以完整扫描数次，图6（a）所示的是激光束在一帧时间里扫描了两个周期，这样图像上的每个像素行所积分的热波信号基本相同，尽管激光光斑扫过的时刻不一样。这一点可以进一步参考图6（b）进行说明，在一帧周期内，位于红外热像仪芯片顶部某像素行的热波信号变化如图所示，具有两个完整扫描周期。而位于红外热像仪芯片中部的某像素行由于激光扫描的延迟，所积分的热波信号在刚开始一段时间是由前一次激光扫描所产生的，但它与本积分周期的激光扫描所产生的热波信号结合起来正好也是两个完整周期，因此整帧图像的信号强度分布基本是均匀的。另一种相似原理的方式如图6（c）所示，当激光扫描频率慢于红外热像仪的帧频时，在一个激光扫描周期里红外热像仪采集数帧热波图像，这几帧图像相互之间强度分布不同，但相加后就可以得到一帧强度基本均匀分布的热波图像。用这种方法可以采集一系列具有相同强度分布的热波图像。
[0026] 有一种红外热像仪是逐行扫描型的，即红外热像仪芯片在任一时刻只有一个像素行在积分红外信号，逐行依次进行，周而复始。对于这种类型的红外热像仪，可以采用一种直接同步扫描方式，即红外热像仪行行扫描与激光光斑扫描完全同步。如图7所示，激光光斑24在红外热像仪芯片70上形成激光光斑投影72，其移动速度与红外热像仪芯片当前信号积分行71的移动速度与方向完全一致，并且两者之间保持一个固定的时间差，这样得到的热波图像中的信号强度分布将十分均匀。
[0027] 前面提到激光作为热激励源具有很多优势，其中之一就是激光输出功率可以很方便准确的控制。这在一些具体应用中十分有用。例如采用图8（a）所示的正弦波进行热激励可以减少谐波的产生，也降低热激励源的功耗。有时为了同时检测不同深度的缺陷，需要将几种不同频率的能量叠加在一起进行热激励，通常是采用数个独立的热激励源。而图8（b）所示是两种不同频率合成的多频叠加波，采用这种波形控制激光器，一个序列热波图像的采集便可以得到两个不同热激励频率的结果。图8（c）所示的是采用变频波热激励的方式，这也对同时检测不同深度的缺陷有帮助。
[0029] 以上叙述中激光束是通过振镜进行扫描的，但其它形式的扫描装置都具有等同的效果，如声光调制器，包括移动试件进行扫描等。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于Chirp调频激光辐照的半透明材料光热特性参数检测方法 | 2020-05-13 | 556 |
| 集成电路微缺陷的锁相热成像层析表征系统与方法 | 2020-05-19 | 812 |
| 一种基于感应光热辐射的光伏电池无损检测方法及系统 | 2020-05-24 | 36 |
| 基于太赫兹成像的光热治疗方法、系统及工控机 | 2020-05-12 | 347 |
| 光热差分显微成像装置及单个粒子成像方法 | 2020-05-25 | 681 |
| 一种基于感应光热辐射的光伏电池无损检测方法及系统 | 2020-05-13 | 700 |
| 红外光学系统光谱透过率测试装置及方法 | 2020-05-17 | 541 |
| 一种基于锁相放大的不透明材料的带通发射率测量装置 | 2020-05-24 | 801 |
| 太赫兹共焦显微成像系统及其成像方法 | 2020-05-18 | 605 |
| 一种火场快速搜救设备 | 2020-05-11 | 51 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈