紅外熱成像無損檢測技術研究發(fā)展現(xiàn)狀

魏嘉呈 劉俊巖 何林 王揚 何宇

摘要：紅外熱成像無損檢測技術是近年來發(fā)展較快的一種新型數(shù)字化無損檢測技術，因為其具有便捷、高效、直觀、探測面積大以及遠距離非接觸探測等優(yōu)點廣泛應用于航天航空、軍事、電池、電力、電子、建筑、醫(yī)療、文物保護等諸多領域。本文主要對紅外熱成像無損檢測技術中鹵素燈、超聲波、激光、脈沖光等幾種主要熱激勵方法的特點及研究現(xiàn)狀進行了介紹與對比，同時也介紹了紅外熱成像無損檢測圖像序列處理技術申熱信號重建理論、鎖相法、相位法、主成分分析法、動態(tài)熱層析法、相似光流法等處理方法的研究現(xiàn)狀，最后展望了紅外熱成像無損檢測技術的未來發(fā)展趨勢。

關鍵詞：無損檢測;紅外;熱激勵;熱波成像

DOI：10.15938/j.jhust.2020.02.009

中圖分類號：TGll5.28;TN219文獻標志碼：A文章編號：1007-2683（2020）02-0064-09

0 引言

無損檢測技術作為一種靈活、快捷的通用技術，已廣泛應用于航天航空、軍事、電池、電力、電子、建筑、醫(yī)療、文物保護等諸多領域。紅外熱成像無損檢測技術作為一門跨學科、跨應用領域的通用型實用技術，是對傳統(tǒng)無損檢測技術的有效替代和補充。

紅外熱成像無損檢測技術（infrared thermogra-phy，IT），是一種基于紅外輻射原理，通過掃描、記錄或觀察被探測表面溫度變化，從而實現(xiàn)對被檢測工件的表面及內(nèi)部缺陷或結構進行分析的一種無損檢測（nondestructive testing，NDT）方法。紅外熱成像無損檢測技術相比于射線、超聲、渦流、滲透以及電磁等傳統(tǒng)無損檢測技術，具有測量速度快速、測量結果直觀、探測面積大以及易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是一種新型的數(shù)字化無損檢測技術。

紅外熱成像無損檢測技術根據(jù)是否依賴于外部熱源激勵可分為被動式紅外熱成像無損檢測技術和主動式紅外熱成像無損檢測技術。

被動式紅外熱成像無損檢測技術是利用檢測對象本身的紅外輻射特征來得到其表面熱像圖，并通過對熱像圖的分析來得到所需信息。目前，被動式紅外熱成像無損檢測技術廣泛應用于工業(yè)設備監(jiān)控，醫(yī)學診斷，地質(zhì)勘探與軍事偵察領域等方面。

主動式紅外熱成像無損檢測技術是通過增加主動激勵源的方法來提高背測對象表面與周圍環(huán)境的溫度差異，使得該溫度差異更加明顯足以被紅外熱成像設備探測到或提高探測精度。主動式紅外熱成像無損檢測技術目前主要應用于飛機鋁蒙板內(nèi)部腐蝕缺陷探測，探測復合材料層間界面沖擊損傷以及太陽能電池非接觸探測等方面。

早在1930年，就有人提出來主動式紅外熱成像無損檢測思想。自從20世紀60年代Green和Alzo-fon首次闡述了主動紅外熱成像無損檢測的基本理論和應用以來，世界各國學者對紅外熱成像無損檢測評價展開了廣泛的研究。

20世紀90年代以后，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展與紅外熱像儀的技術更新，主動式紅外熱成像無損檢測技術也得到了快速發(fā)展，其檢測精度已經(jīng)可以分辨出一些常見材料的表面和近表面缺陷。目前，紅外熱成像無損檢測技術已成為一種重要的新型無損檢測技術。

1 熱激勵方式

主動式紅外熱成像無損檢測技術和被動式紅外熱成像無損檢測技術兩種的主要區(qū)別是是否采用主動控制的熱激勵方式，以在材料內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度。熱激勵目的是將能量注入到檢測對象，使得檢測對象缺陷處與無缺陷位置產(chǎn)生溫差，并反映到材料表面。故主動紅外熱成像無損檢測技術研究的一個核心問題是如何高效的對被測材料進行熱激勵。經(jīng)過近些年發(fā)展，人們根據(jù)不同材料和零件的特點，先后將太陽光、熱水水浴、鹵素燈（熱燈）、脈沖光、激光、超聲波、電磁感應、微波等一些方法作為主動熱激勵源進行研究。

1.1 鹵素燈/紅外燈激勵

該種方法采用大功率鹵素燈作為激勵源，由于鹵素燈本身的啟動時間長，熱慣性大等特點，一般采用長周期激勵調(diào)制辦法或低頻鎖相方式，原理示意圖如圖1所示。

華威大學Daniel Bates等使用鹵素燈作為激勵源對飛機部件沖擊損傷檢測進行了相關研究，并與水下超聲檢測進行對比，結果表明，采用鹵素燈作為激勵源的紅外熱成像無損檢測技術所用時間僅占水下超聲檢測所用時間的1/10.M.Gershenson為研究鹵素燈熱慣性大的問題建立了鹵素燈的理論模型，在該模型中，燈的加熱階段有數(shù)值解，降溫階段有解析解，并與實測數(shù)據(jù)相吻合。

哈爾濱工業(yè)大學劉俊巖等采用鹵素燈作為激勵源提出一種由相位數(shù)據(jù)進行處理并重建三維缺陷形態(tài)的可視化方法，該種方法可用來詳細描述缺陷結構。北京航空航天大學周正干等使用鹵素燈檢測了鈦合金蜂窩結構蒙皮脫焊缺陷，獲得了缺陷區(qū)與非缺陷區(qū)信號相位差與調(diào)制頻率間的關系，為鈦合金蜂窩結構實際檢測提供了工藝指導。

鹵素燈由于照射功率高、啟動時間長等特點，常用于較深缺陷的探測，且鹵素燈相比于其他激勵方式，光譜區(qū)域廣，可以適用于大多數(shù)材料的檢測。

1.2超聲波激勵

超聲波激勵是一種具有很大研究價值和研究潛力的一種熱激勵方法，尤其適合結構復雜工件裂紋缺陷檢測，超聲波激勵紅外熱成像無損檢測技術是將高強度聲波耦合到工件內(nèi)部產(chǎn)生紊亂聲場，在缺陷處產(chǎn)生微小摩擦來產(chǎn)生紅外信號，其原理示意圖如圖2所示。

韋恩州立大學Favro LD等首先提出將超聲波加熱和紅外熱成像技術相結合的無損檢測方法，并檢測了CFRP的疲勞裂紋損傷，結果顯示，檢測結果尺寸與實際損傷尺寸高度吻合。托木斯克理工大學Demsova等采用高低兩種不同功率超聲波對復合材料沖擊損傷進行了檢測，結果表明，高功率超聲波檢測具有較高分辨率與明顯的缺陷信息，但耗能很高，低功率超聲波避免了超聲波入口處可能對材料產(chǎn)生的破壞，但效率明顯降低。

哈爾濱工業(yè)大學劉俊巖等采用超聲鎖相技術成功探測出金屬板材的疲勞裂紋，并得出加載位置、超聲激勵振幅、超聲調(diào)制頻率對檢測結果對影響，為超聲紅外鎖相熱成像技術對激勵參數(shù)選擇提供了技術參考。江海軍等研制采用超聲波作為激勵源的紅外無損檢測系統(tǒng)，并對航空發(fā)動機工作葉片與導向葉片進行了裂紋檢測，成功檢測出葉片試件中的裂紋，如圖3、4所示。

由于超聲波激勵在構建缺陷處的選擇性加熱特點，使得缺陷處紅外信號更容易被捕捉到，顯著提高檢測缺陷對比度。但超聲波注入構建過程中需要耦合劑進行耦合，且無法檢測形貌復雜構建。

1.3 激光激勵

隨著近些年高功率激光器的發(fā)展，高功率、可調(diào)制等優(yōu)點使得激光成為紅外熱成像無損檢測技術中一種可靠的激勵源，其原理如圖5所示。

華威大學Burrows等使用點狀激光作為激勵源對不銹鋼和鋁對表面斷裂缺陷進行了檢測。結果顯示，在材料表明覆蓋一層油漆環(huán)境下缺陷依然可以檢測到（見圖6），表明該檢測方法可以檢測帶有涂層材料的斷裂缺陷。巴勒莫大學Montinaro等采用激光激勵源檢測了纖維-金屬層壓板缺陷，結果表明，該種方法可以很好的再現(xiàn)材料剝離區(qū)域輪廓，且可以通過自動化設備對大型零件進行自動掃描檢測。

首都師范大學蔣玉龍采用面光斑作為激勵源，對玻璃鋼、復合材料等試件的檢測，成功檢測出碳纖維蜂窩結構中脫粘和積水缺陷與厚度為30mm的玻璃鋼預制平底洞缺陷。哈爾濱工業(yè)大學劉俊巖等基于載流子輻射檢測太陽能電池理論模型，使用808nm激光器對硅基太陽能電池進行檢測，并得出電路狀態(tài)為開路時輻射幅值最大，隨著外部負載電阻的減小，輻射幅值逐漸較小，相位的變化并不明顯的結果，該種方法可用于通過研究電池片在其他電路狀態(tài)下的參數(shù)測量類比其他電路狀態(tài)下的響應特性。

激光由于其功率、頻率可調(diào)范圍廣，在高頻段可檢測涂層材料缺陷等淺層缺陷，也可對激光進行調(diào)制，實現(xiàn)對不同深度缺陷的單次測量。但由于激光器波長單一，而不同材料對光波吸收頻率不一致，使得單一激光器的可檢測材料種類有限。

1.4 脈沖光/閃光燈激勵

脈沖光激勵是目前應用最廣泛的熱激勵方法，其采用高能量脈沖光在試件表面產(chǎn)生一個短時間脈沖加熱，利用熱向內(nèi)擴散的過程進行檢測，該技術最為經(jīng)典、理論最為成熟，其檢測原理如圖7所示。

墨西拿大學Montanini采用脈沖光作為激勵源檢測了有機玻璃的亞表面缺陷，結果表明在較淺區(qū)域脈沖光檢測速度更快，但在較深區(qū)域由于需要較高功率的加熱，可能會損壞材料表面。佩魯賈大學Laureti等采用線性調(diào)頻技術將脈沖光照射溫升將低并成功檢測了模板和帆布上油畫的隱藏缺陷。為繪畫文物保護工作提供了一個有效的檢測手段。

北京航空材料研究院劉穎韜等采用閃光燈作為激勵源檢測熱障涂層缺陷，結果顯示，該種方法可以檢測出直徑小于0.5mm的脫粘缺陷與肉眼無法識別的微裂紋，并有可能實現(xiàn)熱障涂層的壽命評價。哈爾濱工業(yè)大學相關人員針對高溫抗氧化涂層一耐熱合金基體板材，使用脈沖紅外檢測技術可以實現(xiàn)涂層結構內(nèi)部缺陷的可靠檢測，如圖8所示，為涂層下材料缺陷有效判定提供了一種高效的技術手段。

閃光燈激勵對材料表面發(fā)射率及材料表面質(zhì)量具有較高的敏感性，對檢測結果影響較大，且瞬時高能脈沖也容易對材料表面產(chǎn)生熱損傷。

1.5 其它激勵方法

在上述激勵方法之外還有微波激勵、電磁激勵等諸多激勵方法，這些方法或對檢測材料有不同要求，或發(fā)展并不成熟。

電磁激勵是基于電磁渦流感應原理的一種激勵方式，但對弱導電材料和絕緣材料不適用，且由于電流的趨膚效應，探測深度較淺。湖南大學相關學者通過電磁感應方法對光伏電池缺陷進行了檢測，結果表明，該種方法可以較好的分辨出缺陷信息，為光伏電池對研究、測試等方面提供了可靠的檢測手段。

微波在工業(yè)中常被用于作為加熱源使用，但由于微波遇到金屬界面會產(chǎn)生大量反射，因此不適宜作為激勵源對金屬零件進行激勵，但對陶瓷、木制品等具有良好等探測效果。Bodnar等采用低能微波檢測壁畫，并對表面溫度變化過程進行自回歸移動平均分析，發(fā)現(xiàn)了壁畫內(nèi)部的缺陷，這表明，使用該種方法可以避免由于振動和局部高溫對材料的破壞。

2 紅外圖像序列處理技術

為解決受噪聲、加熱不均勻等情況影響下導致的單幀紅外圖像中所含缺陷信息較少、可信度較低、部分細微缺陷信息被噪聲覆蓋的情況，有必要進行紅外序列圖像處理，這也是紅外熱成像無損檢測領域中消除不利因素干擾、提高紅外圖像信噪比、增強缺陷可示性的一項關鍵技術。紅外圖像序列處理技術常見有以下幾類種方法。

2.1 熱信號重建理論了hermal Signal Reconstruction（TSR）

TSR主要應用于脈沖激勵形式的紅外序列圖像處理方法，可有效消除由激勵源本身非均勻性及材料表面不均勻吸收產(chǎn)生的影響，增強缺陷信號顯示。具體操作方法是對序列紅外圖像取雙對數(shù)，再對其進行多項式擬合，重建圖像序列，進而對時間求導得到一、二階圖像。

TSR最早由美國TWI公司提出，并且已經(jīng)實用化，Matlab也更新了TSR相關算法。萊奧本大學相關研究人員采用短脈沖加熱后測量缺陷試驗樣件，并用TSR方法定位了缺陷深度，并指出缺陷深度由二階導數(shù)最大值確定。

2.2 鎖相法Lock-in Thermography（LT）

鎖相紅外熱成像無損檢測技術采用周期性調(diào)制激勵源，通過鎖定被測件周期紅外輻射相位角來采集圖像序列，依此來提高紅外圖像的信噪比。

多倫多大學Mandelis教授首次采用Chirp信號作為激勵調(diào)制信號，解決了單次實驗只能采用固定頻率檢測固定深度的局限。哈爾濱工業(yè)大學劉俊巖等利用鎖相紅外熱成像無損檢測技術檢測某型號直升機軸瓦焊縫并取得明顯效果，可以清晰的檢測出軸瓦焊縫缺陷，如圖9所示。表明該技術可以檢測復雜結構構件缺陷，且對復雜曲面結構構建依然適用。

2.3脈沖相位法Pulse phase Infrared Thermography（PPT）

脈沖相位法結合了脈沖紅外熱成像無損檢測技術與鎖相紅外熱成像無損檢測技術的特點，使用閃光燈或激光等短脈沖熱激勵源，對取得的紅外圖像序列進行傅立葉變換，得到反映不同深度的熱學信息的幅值與相位圖像，克服了脈沖紅外熱成像無損檢測技術需要均勻的照射被測物體以及鎖相紅外熱成像無損檢測技術檢測時間較長的問題。

脈沖相位法于1996年首先由拉瓦爾大學X。Maldague教授等提出并應用。哈爾濱工業(yè)大學采用脈沖相位法對火箭固體燃料發(fā)動機藥柱包覆層缺陷進行檢測，得出該種方法受噪聲影響較小、信噪比高、計算速度快等優(yōu)點，對藥柱包覆層檢測有較好的適用性。

2.4 主成份分析法Principal Component Analysis（PCA）

主成分分析法利用降維的思想，圖像序列分解為少數(shù)幾個信號空間變化的正交本征函數(shù)和時間變化的主成分分量，其中每個主成分都能夠反映原始圖像序列的大部分信息，且所含信息互不重復。

主成分分析首先是由K。Pearson于對非隨機變量

引入的，此后，H。Hotelling將此方法推廣到隨機向量的情形，奠定了主成分分析法的基礎。哈爾濱工業(yè)大學研究人員運用該技術對碳化硅涂層材料進行分析，通過與神經(jīng)網(wǎng)絡理論相結合，提出的Markov-PCA-BP算法實現(xiàn)了對涂層結構中缺陷尺寸和深度的判定，對在1.2-4頸深比區(qū)間內(nèi)的缺陷預測誤差小于10%。

2.5 動態(tài)熱層析分析法Dynamic thermal tomography（DTF）

動態(tài)熱層析成像法是對紅外脈沖熱成像檢測圖像序列采用圖像三維重建技術進行三維重建的一種序列圖像分析方法，該技術將脈沖激勵條件下的溫度隨時間變化的圖像序列轉換為基于深度方向的圖像序列，從而獲得缺陷結構的深度信息。

該方法首先于1985年由俄羅斯脫?？怂估砉ご髮WVavilov等提出并應用在纖維復合材料的檢測方面，成功獲得了碳纖維復合材料柱狀試樣缺陷位置斷層圖，如圖10所示。

哈爾濱工業(yè)大學相關研究人員對相關算法進行改進，采用基于多特征圖的動態(tài)熱層析成像方法對固體火箭發(fā)動機藥柱包覆層的內(nèi)部缺陷進行重建使得檢測深度方向相對誤差<20%，絕對誤差<0.2158mm，如圖11所示。

2.6 相似光流法Likeness optical flow（LOF）

光流法被廣泛應用于從圖像序列中估計速度，該方法利用圖像序列中像素在時間域上的變化找到臨近幀之間的關系，從而計算出相鄰幀間物體的運動信息。

在紅外熱成像檢測中，缺陷特別是各向異性材料缺陷的尺寸精度識別受橫向熱擴散效應影響十分明顯，從熱擴散的物理性質(zhì)上看，二維熱圖像中的熱通量類似于二維光圖像中的光流。因此采用光流計算方法來估計二維熱圖像中的梯度擴散場來減少橫向熱擴散效應。

哈爾濱工業(yè)大學相關研究員首次將光流原理應用到紅外熱成像無損檢測技術中，并對碳纖維增強復合材料進行陣列激光掃描檢測（EAsST），結果表明，相似光流法對降低橫向熱擴散效應，提高缺陷檢測靈敏度方面均取得明顯效果，如圖12所示。

3 趨勢與展望

紅外熱成像無損檢測技術是在紅外熱成像技術基礎上發(fā)展起來的新型無損檢測技術，它既可以用做產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的質(zhì)量監(jiān)測，也可以判定產(chǎn)品在使用過程中是否失效的有效手段。經(jīng)過近些年的發(fā)展。該種技術已經(jīng)逐漸從實驗研究走向工程應用，并在很多行業(yè)起到了關鍵作用。隨著國內(nèi)外諸多學者對熱成像技術、圖像處理技術以及檢測方法的不斷深入與創(chuàng)新，紅外熱成像無損檢測技術的發(fā)展趨勢主要有以下幾方面：

1）更先進的熱像儀技術

熱像儀技術是目前制約紅外無損檢測技術檢測精度的主要原因，更先進的熱像儀可以采集到更加清晰與更少噪聲的紅外圖像（序列），準確反映出檢測物體表面的熱輻射情況。

2）更高速/高效的檢測方法

隨著近幾年國內(nèi)外學者針對紅外熱成像無損檢測技術的深入研究，更深的探測深度與更加快速的檢測速度成為紅外熱成像無損檢測技術的發(fā)展方向。其中，為達到更深的探測深度，哈爾濱工業(yè)大學相關研究人員在線性調(diào)頻雷達探測技術的基礎上，采用二相編碼調(diào)制技術，得到了更深的探測深度。

3）缺陷的自動識別技術

目前紅外熱成像無損檢測技術的缺陷識別主要由檢測人員人眼觀測，缺陷判定依靠人的主觀判定，檢測效率與檢測精度完全依賴檢測人員的經(jīng)驗，嚴重制約了該技術的推廣應用。隨著近幾年計算機技術、人工智能技術正在飛速發(fā)展，自動識別技術逐漸受到研究人員的重視。

4）多種檢測技術互相融合

每種檢測手段都有其適用的場合，在復雜環(huán)境下檢測往往由于單一檢測手段的局限性不能將缺陷完整暴露出來。紅外熱成像無損檢測技術與其它無損檢測技術相結合將提供更加完整的無損檢測方案。如華中科技大學相關研究員將紅外熱成像無損檢測手段與超聲掃描相結合對倒裝芯片進行缺陷檢測，提供了可靠的倒裝芯片缺陷檢測系統(tǒng)。

4 結語

本文對紅外熱成像無損檢測技術發(fā)展及研究現(xiàn)狀進行了綜述，詳細介紹分析了紅外熱成像無損檢測技術的激勵方式與圖像處理技術等內(nèi)容，并闡述了紅外熱成像無損檢測技術的發(fā)展趨勢。

紅外熱成像無損檢測技術是一種集合光學、熱學、機械與電子技術等學科的一種綜合性無損檢測技術，它具有便捷、高效、直觀、探測面積大以及遠距離非接觸探測等特點，非常適用于檢測材料近表面及表面缺陷。隨著計算機、數(shù)學、數(shù)字圖像處理等相關學科的進步和熱像儀制造水平的提高，紅外熱成像無損檢測技術的檢測精度將得到進一步提高，目前已經(jīng)向與人工智能相結合的自動識別、精確缺陷尺寸與位置的定量檢測、多種檢測技術復合的發(fā)展趨勢。未來該技術在快速檢測材料表面（近表面）缺陷以及表面涂覆（鍍）層質(zhì)量評價與高精度檢測復合材料里層缺陷等方面的研究和應用前景非常廣闊。