油氣管道聚乙烯層粘接缺陷的紅外熱成像檢測方法和信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)研究

劉祚時(shí)，周繼雯，俞 躍，李 偉，葉 超，唐大為

(1.江西理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000;2.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000;3.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029;4.中國石油化工股份有限公司天然氣榆濟(jì)管道分公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

油氣管道是世界經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中廣泛使用的一種設(shè)備，數(shù)量多、分布廣、承壓大，一些重大油氣管道的爆炸及泄漏會(huì)對(duì)自然環(huán)境、財(cái)產(chǎn)、人生安全產(chǎn)生巨大威脅[1]。近年來，我國石油管道的數(shù)量快速增長，目前常用于石油管道的外層防腐材料為聚乙烯，該材料是由乙烯聚合制得的一種熱塑性樹脂，化學(xué)穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕。但是在油氣管道的架設(shè)和使用過程中，管道粘接處會(huì)發(fā)生脫粘、粘接縫隙等問題，造成埋藏于地下的管道發(fā)生滲水，加速管道腐蝕與老化；據(jù)統(tǒng)計(jì)，因管道腐蝕導(dǎo)致的事故發(fā)生率達(dá)7%[2-3]。因此，在管道架設(shè)安裝過程中對(duì)其粘接處進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測顯得尤為重要。

主動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)主要是通過特定的手段將激勵(lì)源能量施加到被測對(duì)象上，使缺陷與周圍區(qū)域產(chǎn)生溫度差，熱像儀采集被測對(duì)象表面的溫度分布信息，將這些信息歸一化處理后以圖像的形式顯示出來，達(dá)到檢測目的。A.Lehto[4]將紅外無損檢測技術(shù)與熱傳導(dǎo)理論結(jié)合起來建立紅外熱波幅值與相位模型，分別通過正弦波與方波調(diào)制激勵(lì)源對(duì)含有缺陷的金屬材料進(jìn)行激勵(lì)，分析了利用紅外熱波幅值與相位法，正弦波與方波激勵(lì)對(duì)檢測金屬材料缺陷的優(yōu)劣，為本文研究方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。Maldague[5]教授在鎖相技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了脈沖熱成像檢測技術(shù)，避免了鎖相技術(shù)中加熱時(shí)間過長的問題，但是即使脈沖熱成像技術(shù)的短時(shí)激勵(lì)功率很高，產(chǎn)生的熱量的傳播深度也有限。隨后，基于一次脈沖導(dǎo)致的探測深度受限的情況，提出使用兩次500 kW-20 ms的脈沖激勵(lì)檢測理論來提高低導(dǎo)熱率材料的缺陷檢測深度問題，但是兩次短時(shí)的脈沖激勵(lì)仍然對(duì)激勵(lì)源功率要求較高，油氣管道熱收縮帶外層的聚乙烯防腐層厚度大，導(dǎo)熱率低，使用脈沖加熱方式需要功率非常大的激勵(lì)源[6]。Vavilov[7]研究了不同激勵(lì)條件下的多維熱傳導(dǎo)模型，為紅外鎖相檢測技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，且分析了紅外鎖相技術(shù)能以較低的功率達(dá)到檢測效果。W.Swiderski[8]將鎖相技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的缺陷檢測，得出鎖相處理得到的相位圖可有效濾除試樣表面二次輻射干擾，有效提升圖像信噪比。Mulaveesala[9]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鎖相技術(shù)中的調(diào)制頻率決定了可檢測深度，徐川[10]在脈沖紅外熱成像與鎖相熱成像對(duì)比實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鎖相頻率越低紅外熱能的穿透能力越強(qiáng)，能檢測較深缺陷，為本實(shí)驗(yàn)分析鎖相頻率與缺陷深度的關(guān)系提供了理論依據(jù)。除了紅外鎖相相位法可以有效濾除部分噪聲干擾，還有侯德鑫[11]在分離感應(yīng)熱成像中的激勵(lì)源導(dǎo)致的溫度分布不均勻時(shí)，設(shè)計(jì)了基于無缺陷場景主成分重構(gòu)的激勵(lì)不均勻性分離算法，提高了圖像信息的信噪比。汪子君[12-13]等分別通過平均斜率法和粒子群算法對(duì)獲取的紅外熱圖像作前期處理，濾除熱圖像中的雜波信號(hào)，使圖像中的缺陷更加清晰。有關(guān)鎖相紅外檢測技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料缺陷檢測的研究很多，但是可檢測深度都有限。

本文使用鎖相法和主成分分析相結(jié)合的檢測技術(shù)，提供一定調(diào)制頻率的周期正弦熱波對(duì)試樣持續(xù)加熱，與脈沖加熱方式相比可降低檢測過程中對(duì)激勵(lì)源的功率要求，且主成分分析法在降低試樣表面溫度分布不均勻后，對(duì)鎖相處理圖像的效果提升非常明顯。本文首先討論了紅外熱成像檢測管道聚乙烯防腐層粘接缺陷的可行性；其次實(shí)驗(yàn)分析了鎖相頻率對(duì)缺陷可檢測深度的影響，為現(xiàn)場檢測的工藝選擇提供指導(dǎo)；最后，提出結(jié)合鎖相技術(shù)和主成分分析法的圖像處理技術(shù)，可降低激勵(lì)不均勻引起的溫度分布噪聲，提升缺陷信息的信噪比和缺陷檢測深度。

1 鎖相紅外熱成像檢測系統(tǒng)

鎖相紅外熱成像檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，由控制單元給激勵(lì)源提供一定鎖相頻率的正弦熱波供試樣加熱，熱波在向試樣內(nèi)部傳播的過程中會(huì)發(fā)生反射，由于缺陷處的導(dǎo)熱系數(shù)低于聚乙烯材料的導(dǎo)熱系數(shù)，使熱能在缺陷處累積，試樣表面缺陷處的溫度高于無缺陷處的溫度。被測油氣管道如圖1（b）所示，熱像儀捕捉試樣表面的溫度-時(shí)間變化信息，經(jīng)過相關(guān)算法處理可以提取缺陷信息。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

紅外檢測的方法是使用熱像儀記錄試樣表面的溫度空間分布情況，缺陷處的溫度高于非缺陷處的溫度，很多文獻(xiàn)中使用指定位置溫度與參考位置的差值作為缺陷檢測信號(hào)大小的評(píng)判方法。實(shí)際工程應(yīng)用中的缺陷位置未知，信號(hào)強(qiáng)度由有缺陷試樣被測區(qū)域內(nèi)溫度的最大值與最小值的差值決定，噪聲由無缺陷試樣被測區(qū)域內(nèi)溫度的最大值與最小值的差值決定。所以本文根據(jù)被測區(qū)域內(nèi)有缺陷試樣表面最大溫升與無缺陷試樣表面最大溫升的比值作為評(píng)估被測試樣缺陷的信噪比，如下式所示：

式中：上標(biāo)Y、W——有缺陷和無缺陷；

下標(biāo)max、min——最高溫和最低溫；

ΔT——溫升。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 鎖相紅外熱成像檢測原理

紅外鎖相檢測使用調(diào)制熱源加熱（如方波、正弦波、三角波等），本文使用周期正弦波作為激勵(lì)源。熱能在向試樣內(nèi)部傳播的過程中，當(dāng)缺陷導(dǎo)熱系數(shù)低于表層材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，在缺陷處會(huì)發(fā)生熱能積聚，在試樣表面表現(xiàn)為該處溫度偏高，其他無缺陷區(qū)域溫度偏低；當(dāng)缺陷導(dǎo)熱系數(shù)高于表層材料導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，缺陷處的試樣表層溫度低于無缺陷區(qū)域溫度，因此缺陷處與無缺陷處會(huì)產(chǎn)生溫度差。鎖相相位檢測法可以有效避免外界環(huán)境噪聲帶來的影響。圖2為采集的某一幀試樣紅外原始熱圖。

假設(shè)檢測窗口內(nèi)的試樣熱圖圖像大小為r×c像素，紅外熱像儀采集頻率為f，采樣時(shí)間為t，將每幀紅外熱圖像轉(zhuǎn)換為rc×1的列向量。將采集的所有圖像整理為rc×ft的矩陣M，矩陣的列向量為一幀熱圖采樣，矩陣行數(shù)ft為采集的圖像總數(shù)。對(duì)矩陣M每一行作FFT變換，變換后的矩陣維數(shù)與M維數(shù)相同，求每一行的相位角，歸一化處理后得到矩陣S，矩陣S的每一列即為FFT變換后的圖像相位圖，變換過程如圖3所示，共計(jì)ft幀相位圖，選取其中缺陷信號(hào)強(qiáng)度最大的一幀熱圖，如公式（3）所示，N即為第N幀相位圖，該圖為處理結(jié)束后獲取的缺陷最清晰的缺陷相位圖。

圖2 試樣紅外原始熱圖

式中的每一列為一幀圖像的不同像素點(diǎn)處的溫度值，每一行為同一像素點(diǎn)處不同時(shí)刻的溫度變化。

式中：flockin——激勵(lì)源的鎖相頻率；

fframes——熱像儀的采樣頻率。

圖3 FFT相位變換示意圖

2.2 主成分分析法

通過鎖相法可以濾除外界環(huán)境產(chǎn)生的噪聲對(duì)缺陷檢測的影響，但是由碳纖維燈作為激勵(lì)源導(dǎo)致的溫度分布不均勻，鎖相相位檢測法不能完全濾除該噪聲干擾，多根碳纖維燈并列平行放置可降低溫度不均勻性，但是碳纖維燈數(shù)量不可能無限增加，使用主成分分析法可以將激勵(lì)源引起的溫度不均勻從缺陷檢測信息中分離出來，提升缺陷圖像的信噪比。主成分分析技術(shù)旨在利用降維的思想，將能夠表征激勵(lì)源溫度分布的主成分信息提取出來，且每個(gè)主成分都能反映原始變量的大部分信息，所含信息向量不相關(guān)。在一定實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，由碳纖維燈引起的試件表面溫度分布具有固定的分布規(guī)律，溫度不均勻性在多幀圖像中的位置無變化，僅有溫度幅值大小的變化。主成分分析技術(shù)可將固定規(guī)律的溫度信號(hào)提取出來，并利用下式獲得去除激勵(lì)不均勻后的試件表面溫度分布：

式中：ΔTi——試件第i幀去除激勵(lì)不均勻后的表面溫度變化；

Ti——加熱過程中有缺陷試件第i幀的表面溫度分布；

T0i——同一測試條件與環(huán)境下，當(dāng)前幀與所有無缺陷試樣紅外熱圖經(jīng)過主成分分析處理后獲取的激勵(lì)引起的溫度不均勻在試樣表面的溫度分布。

實(shí)驗(yàn)中的T0i是未知的，表征溫度不均勻的信息在所有采集的熱圖中變化很小，因此可以認(rèn)為T0i聚集在采樣空間某個(gè)固定的低維度子空間。由采集到的多幀無缺陷試樣溫度分布通過主成分分析法訓(xùn)練后得到子空間的基，將當(dāng)前幀熱圖的溫度分布投影到該子空間的基上重構(gòu)T0i。假設(shè)采集的紅外熱圖像素大小為r×c，將每幀紅外熱圖轉(zhuǎn)換為rc×1的列向量I，紅外熱像儀采集頻率為f，采樣時(shí)間為t，將所有的列向量I整理為rc×ft維的矩陣K。采用主成分分析法求取矩陣K與其矩陣平均值差值的協(xié)方差，取協(xié)方差矩陣最大的s個(gè)特征向量作為低維度子空間的基記為s(i)。將采集的每一幀試樣熱圖列向量記為J，則其在子空間的投影Jt如式（5）所示，濾除激勵(lì)引起的不均勻溫度后的試樣表面溫度分布Je如式（6）所示。

將求得的Je歸一化處理后，通過灰度圖的深淺表示溫度大小的分布情況，圖4為主成分分析法（簡稱PCA法）的變換過程。

圖4 主成分分析變換示意圖

3 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激勵(lì)源的控制端輸入電壓為100 V，熱像儀為廣州颯特紅外公司提供的HY6900型，像素分辨率為 640×480，測溫范圍為-15.0～300.0 ℃，熱靈敏度為0.05 ℃，采樣幀頻為2 Hz。根據(jù)張金玉[14]分析的涂層厚度和相位及加載頻率關(guān)系，激勵(lì)源加載的正弦波頻率設(shè)定為 0.5，0.1，0.05，0.006，0.005，0.004，0.003，0.002 Hz，激勵(lì)源阻值為 20 Ω，電流為 5 A，設(shè)定激勵(lì)至少要達(dá)到3個(gè)周期，因此給定激勵(lì)頻率大于 0.005 HZ加熱時(shí)間都為 10 min，0.004 Hz為 15 min，0.003 Hz 為 18 min，0.002 Hz為 25 min。

常用油氣管道的側(cè)面截圖如圖5（a）所示，圖5（b）為截取的油氣管道部分，可看到鋼質(zhì)管道外層由聚乙烯防腐材料包裹，在聚乙烯防腐層與鋼管粘接處會(huì)發(fā)生脫粘現(xiàn)象，脫粘會(huì)加速鋼管的腐蝕。實(shí)驗(yàn)使用同種材質(zhì)的聚乙烯材料，模擬管道粘接缺陷，實(shí)驗(yàn)所采用聚乙烯材料方塊尺寸為200 mm×160 mm×20 mm（長×寬×厚），通過機(jī)械加工方式在試塊底部加工8個(gè)直徑為10 mm的平底孔代替油氣管道補(bǔ)口處的粘接缺陷，分別位于兩個(gè)聚乙烯試塊上，如圖5（c）所示。8個(gè)平底孔底部至熱像儀檢測一側(cè)表面的距離分別為 1，2，3，4，5，6，7，8 mm。

圖5 試塊實(shí)物及原理構(gòu)造圖（單位：mm）

激勵(lì)源選用紅外性能較好的碳纖維燈，6根碳纖維燈并列放置可有效降低激勵(lì)不均勻性對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，由控制單元產(chǎn)生不同頻率的正弦波。紅外熱像儀獲取試塊加熱過程中的圖像，計(jì)算機(jī)通過主成分分析法濾除每一幀圖像上溫度分布不均勻造成的噪聲干擾，然后再經(jīng)過FFT變換獲取鎖相頻率處的相位圖，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證缺陷信噪比與鎖相頻率之間的關(guān)系，確定檢測聚乙烯材料缺陷的合適鎖相頻率，提升檢測效果與速率。實(shí)驗(yàn)條件如3.1節(jié)所述，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原始圖像僅可檢測2 mm深的缺陷，鎖相法可檢測到4 mm深的缺陷，因此選擇3 mm的缺陷深度作為試驗(yàn)條件，驗(yàn)證信噪比與頻率關(guān)系。獲取的原始紅外圖像中，被測試樣只占部分區(qū)域，因此只截取被測試樣，并在截取的原始圖像基礎(chǔ)上再截取有缺陷區(qū)域，求取該區(qū)域內(nèi)溫度的最大值與最小值，求差值后的結(jié)果表示信號(hào)強(qiáng)度；在截取的原始圖像基礎(chǔ)上截取無缺陷區(qū)域，求取該區(qū)域內(nèi)溫度的最大值與最小值，求差值后的結(jié)果代表噪聲水平，將不同頻率處獲取的前1 024幀圖像經(jīng)過傅里葉變換后求取每一個(gè)像素點(diǎn)處的溫度相位值，由式（3）獲得鎖相頻率處的相位圖，并求取該圖像的信噪比。表1給出了鎖相頻率從0.002～0.5 Hz的8個(gè)不同頻率處缺陷圖像的信噪比，隨著頻率的降低，信噪比呈上升趨勢，說明鎖相頻率越低缺陷檢測的效果越好。在0.005 Hz處圖像的信噪比較頻率0.5 Hz的信噪比上升3.009 dB，頻率大于0.005 Hz的平均信噪比僅有1.843 dB，檢測效果較差，而小于0.005 Hz的其他頻率處的信噪比雖然有所增加，但是檢測時(shí)間較長，不利于工程應(yīng)用。0.005 Hz處的信噪比為4.715 dB，圖像效果較好，可作為檢測油氣管道補(bǔ)口粘接缺陷的鎖相頻率。

表1 不同頻率下3 mm深缺陷鎖相檢測信噪比對(duì)比

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)選擇鎖相頻率為0.005 Hz，使用鎖相熱波給圖5（c）所示的兩個(gè)試樣加熱10 min。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)所有不同深度的缺陷分別采集兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于對(duì)比原始圖像信噪比和鎖相處理后的信噪比，通過在原始圖上截取不同深度的缺陷，求出8個(gè)不同深度缺陷各自的信噪比，再求出8個(gè)信噪比的均值，由于每次截取的不同深度缺陷區(qū)域有細(xì)微差別，會(huì)對(duì)求得的信噪比有影響，因此多次重復(fù)試驗(yàn)可降低影響，第一組實(shí)驗(yàn)中不同深度的缺陷分別重復(fù)測定8次，每一次實(shí)驗(yàn)求得的信噪比均值如表2所示；第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用于對(duì)比鎖相法處理后的信噪比和基于鎖相技術(shù)的主成分分析法處理后的圖像信噪比，對(duì)信噪比的計(jì)算方法與第一組實(shí)驗(yàn)相同，每一次實(shí)驗(yàn)求得的信噪比均值如表3所示。由表可知，8組紅外原始圖的信噪比均值為0.637 dB，鎖相處理后的信噪比均值為 4.352 dB，提高了 3.714 dB，鎖相法有效提升了缺陷檢測信噪比和可檢測深度；主成分分析法處理后的缺陷圖信噪比均值為8.033 dB，相比于鎖相檢測法圖像信噪比提高了3.681 dB，進(jìn)一步提升缺陷圖像信噪比和顯示效果。

8種不同深度的缺陷分別使用鎖相法和基于鎖相技術(shù)的主成分分析法獲得的圖像如圖7所示，由圖7（a）和圖7（b）的處理結(jié)果可知，沒有經(jīng)過鎖相處理的原始圖像僅可檢測2 mm深的缺陷，深度大于 2 mm 的缺陷圖像無法檢測；由圖7（c）和圖7（d）的檢測結(jié)果表明，鎖相法處理后的圖像可檢測缺陷深度為4 mm，而大于5 mm深的缺陷不能檢測，相比于不經(jīng)過任何算法處理的原始圖，鎖相法能將缺陷可檢測深度提升2 mm。根據(jù)現(xiàn)有在役油氣管道的組成結(jié)構(gòu)可知，國內(nèi)極大部分油氣管道的管壁由內(nèi)層鋼材和外層聚乙烯材料組成，聚乙烯材料的厚度都為5 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明鎖相法雖然可以增加聚乙烯材料的缺陷檢測深度，但是仍然達(dá)不到工程實(shí)踐要求。圖7（e）和圖7（f）為基于鎖相技術(shù)的主成分分析法處理后的圖像，可檢測到5 mm、6 mm深的缺陷，7 mm和8 mm深的缺陷無法檢測，使管道外壁的厚度包含在了其可檢測深度范圍內(nèi)，能夠達(dá)到工程實(shí)踐要求。如圖8所示，隨機(jī)選取非缺陷位置L1、L2、L3、L4四條直線來驗(yàn)證被測試樣表面溫度不均勻是否被解決。圖8（b）顯示原始圖像上無缺陷區(qū)域溫度差值為5 ℃，鎖相技術(shù)處理后的溫度差值為4 ℃，如圖8（c）所示，使表面溫度不均勻性降低了 1 ℃，對(duì)比圖7（c）和圖7（d）可知，鎖相法沒有很好地改善被測試樣表面溫度分布不均勻帶來的噪聲干擾；圖8（d）為主成分分析法處理后的無缺陷位置溫度分布折線圖，圖中折線溫度的最大值和最小值差為1 ℃，將激勵(lì)源在試樣表面的溫度分布不均勻性相比于原始圖降低了4 ℃，提升了圖像信噪比和缺陷可檢測深度。

表2 8組缺陷深度檢測中使用鎖相法帶來的信噪比提升

表3 8組缺陷深度檢測中使用主成分分析法帶來的信噪比提升

4 結(jié)束語

本文分析了鎖相紅外檢測過程中不同鎖相頻率下的缺陷可檢測深度與相位之間的關(guān)系，鎖相法和主成分分析法對(duì)紅外檢測聚乙烯材料缺陷深度的影響，并通過信噪比及無缺陷試樣表面溫度分布說明了兩種方法的有效性，結(jié)論如下：

圖7 不同方法處理結(jié)果與原始圖

圖8 無缺陷區(qū)域溫度分布曲線

1）改變激勵(lì)源頻率，得到不同頻率下缺陷圖像信噪比與頻率的關(guān)系曲線，得出頻率越小越能提高缺陷可檢測深度，但是需要的檢測時(shí)間更長，選取合適的鎖相頻率才有利于工程實(shí)踐，提高工作效率，頻率可選取在 0.005～0.006 Hz的范圍。

2）使用鎖相法可以將缺陷溫度分布的信噪比由原始圖的 0.637 dB提高至 4.352 dB，提高了3.714 dB；主成分分析法濾除激勵(lì)源引起的溫度分布不均勻后信噪比為8.033 dB，相比于原始圖提高了7.396 dB，是鎖相法處理后缺陷溫度信噪比的1.699倍，該方法可以成為油氣管道補(bǔ)口粘接質(zhì)量的一種檢測手段，也可以為其他各類復(fù)合材料的無損檢測提供參考。