激光散斑和紅外在整流罩無損檢測(cè)中的應(yīng)用研究*

張東升，羅永健，廖日程，葉益民，張 濤，葉成炯

（1.上海大學(xué)，上海 200444；2.國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠，桂林 541002）

隨著技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的航空航天技術(shù)取得了舉世矚目的成就。整流罩是飛行器的重要結(jié)構(gòu)之一，它在飛行過程中保護(hù)飛行器內(nèi)部的關(guān)鍵部件免受氣動(dòng)力、氣動(dòng)加熱及聲振等有害環(huán)境的影響，同時(shí)維持飛行器良好的氣動(dòng)外形，有效減小氣動(dòng)阻力[1]。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料是以纖維作為增強(qiáng)體，樹脂為基體形成的復(fù)合材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠透射電磁波，已經(jīng)成為現(xiàn)代飛行器的首選結(jié)構(gòu)材料[2]。然而，復(fù)合材料內(nèi)部的缺陷會(huì)顯著降低整流罩構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，影響飛行器結(jié)構(gòu)的完整性，其質(zhì)量問題不可忽視[3]。

目前整流罩內(nèi)部的缺陷檢測(cè)技術(shù)受到一定限制。常規(guī)的復(fù)合材料無損檢測(cè)主要包括超聲、CT等方法。超聲技術(shù)是利用聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳導(dǎo)特征，獲得材料內(nèi)部連續(xù)性信息；CT是采用片層X光成像技術(shù)構(gòu)造結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維影像，可以直觀地發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。然而，這些技術(shù)在應(yīng)用于小型彈體整流罩檢測(cè)時(shí)，卻存在技術(shù)問題，成功的案例鮮有報(bào)道。例如，郭廣平[4]研發(fā)出大型飛機(jī)雷達(dá)罩的超聲無損檢測(cè)技術(shù)，但其噴水穿透超聲掃描結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只能針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)，普適性較差。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)也開展了激光散斑干涉和紅外成像等新型無損檢測(cè)技術(shù)在整流罩這類薄壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的檢測(cè)中的探索[5]。激光散斑干涉基于光學(xué)干涉原理，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷所引起的表面微小變形[6–7]；而紅外熱成像技術(shù)則通過分析熱波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播規(guī)律，結(jié)合圖像分析技術(shù)，可檢測(cè)出復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷[8]。雖然它們基于不同的檢測(cè)原理，但均為非接觸全場(chǎng)測(cè)量方法，其原理都是通過對(duì)物體表面加熱后完成物體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。如何合理應(yīng)用這兩種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整流罩快速原位檢測(cè)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。Kryukov等[9]研究表明，采用激光剪切散斑干涉和主動(dòng)紅外熱成像兩種無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)金屬黏接接頭進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)到大部分黏接結(jié)構(gòu)中的缺陷。與此同時(shí)，激光散斑干涉和紅外熱成像信息融合的圖像算法也開始出現(xiàn)[10–11]。

本文采用自行研制的激光散斑和紅外熱成像檢測(cè)設(shè)備，開展了某型航空器整流罩內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，結(jié)合實(shí)際纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料整流罩特征，探索兩種檢測(cè)技術(shù)的適用性，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析討論，證明了新型檢測(cè)技術(shù)的推廣具有重要意義。

1 方法及原理

1.1 激光散斑無損檢測(cè)

在無損檢測(cè)中使用的激光散斑干涉技術(shù)主要采用剪切光路檢測(cè)，其主要使用的光學(xué)部件如圖1所示。激光經(jīng)擴(kuò)束后照射被測(cè)物體，物體表面的漫反射相干光經(jīng)過邁克爾遜干涉光路在相機(jī)靶面形成干涉。在機(jī)械載荷作用下，物體內(nèi)部缺陷處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在物體表面產(chǎn)生局部變形。這個(gè)變形雖然很小，但可以使用光學(xué)干涉方法檢測(cè)出來。

圖1 激光散斑光路示意圖Fig.1 Shearography optical arrangement

時(shí)間相移法可以顯著提升干涉條紋的對(duì)比度，并實(shí)現(xiàn)變形的自動(dòng)解算。以4步相移為例（每一步移動(dòng)π/2相位），并采集散斑干涉圖像。物體受力前的4幅干涉圖像的光強(qiáng)表達(dá)為

式中，a為背景強(qiáng)度；b為條紋調(diào)制度；φ為隨機(jī)相位分布。

通過數(shù)學(xué)運(yùn)算，變形前散斑相位為

采用相同的方式，物體變形后的相位為

最后，代表物體表面變形的相位差為受力前后的位相差為

式中，I01、I02、I03、I04分別為變形前的4幅圖像；I11、I12、I13、I14分別為變形后的4幅圖像。

應(yīng)用實(shí)時(shí)相移技術(shù)可提高檢測(cè)圖像的對(duì)比度，有利于缺陷的定位和尺寸測(cè)量[9]。在一定時(shí)間周期內(nèi)，給壓電陶瓷施加4步階梯變化的直流電壓用于精確控制陶瓷的位移，使邁克爾遜干涉儀中一束光波產(chǎn)生給定的相移量，并采集對(duì)應(yīng)的散斑圖像，通過對(duì)圖像逐點(diǎn)相移計(jì)算獲得位相條紋。隨著光學(xué)相機(jī)圖像分辨率的不斷提升，圖像像素的增加顯著增大了相移計(jì)算的運(yùn)算量。由于相移計(jì)算流程未涉及邏輯判斷，可以通過在大規(guī)模多線程浮點(diǎn)運(yùn)算處理平臺(tái)（GPU）上以高并發(fā)的計(jì)算模式解決這一難題，可大幅度提高實(shí)時(shí)相移的幀率[9]，滿足實(shí)時(shí)無損檢測(cè)的需求。

為了減小空氣阻力，整流罩曲面具有很高的表面質(zhì)量，當(dāng)激光照射物體的表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的光強(qiáng)不均勻現(xiàn)象，導(dǎo)致整流罩局部過亮。根據(jù)式（1），激光散斑干涉需要使用相干激光束照射物體結(jié)構(gòu)表面以獲得物體表面漫反射的干涉位相信息。當(dāng)出現(xiàn)光強(qiáng)過亮或者光強(qiáng)不足的情況時(shí)會(huì)導(dǎo)致光強(qiáng)呈現(xiàn)非線性，使后續(xù)的相移計(jì)算（式（4））產(chǎn)生嚴(yán)重偏差。在檢測(cè)時(shí)需要調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光時(shí)間和光圈大小用于滿足光照條件。然而，對(duì)于圓錐形整流罩結(jié)構(gòu)，因表面的曲面形式以及表面粗糙度的原因，會(huì)出現(xiàn)物體表面局部反光的情況，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)過曝光或者欠曝光的情況發(fā)生。針對(duì)這一問題，本文開發(fā)了一種抑制結(jié)構(gòu)表面光強(qiáng)的圖像融合算相移技術(shù)。因測(cè)量過程中激光照明狀態(tài)不變，可以在每個(gè)相移狀態(tài)下設(shè)定多個(gè)恒定的曝光度，用來保證在最小的曝光度下圖像中無灰度為255的像素；而在最大曝光度下圖像無灰度為0的像素。在相移過程中獲得不同曝光狀態(tài)下的一組圖像，若定義曝光次數(shù)為N，那么，N幅8-bit灰度圖像多曝光圖像強(qiáng)度之間的位相關(guān)系式可表達(dá)為

式中，αj（j=1，2，…，N）是一系列的常系數(shù)。在這N幅圖像中，雖然對(duì)應(yīng)像素位置的灰度值不同，但在同一幅圖像中，除去過曝光（灰度255）和欠曝光（灰度0）以外的相鄰像素之間的灰度關(guān)系是相同的?？梢圆捎脠D像融合的形式，剔除N幅圖像中過曝光和欠曝光的像素灰度，并利用相鄰像素之間的灰度關(guān)系恢復(fù)一幅高動(dòng)態(tài)的灰度圖像。為了兼顧融合效果和計(jì)算效率，圖像融合采用一種平均融合算子，即

通過對(duì)不同相移步長(zhǎng)的散斑圖像進(jìn)行相同的融合處理，再結(jié)合式（4）進(jìn)行相移計(jì)算，可以消除由于整流罩表面光照不均勻所引起的位相畸變，一次性獲得完整的激光散斑干涉位相。以上方法的應(yīng)用，大大提高了激光散斑無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)各種曲面和高反射表面的檢測(cè)能力，結(jié)合并行計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相移，促進(jìn)了技術(shù)的實(shí)用化[12]。

1.2 紅外熱成像無損檢測(cè)

紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)是以紅外輻射原理為基礎(chǔ)，利用激勵(lì)源對(duì)物體表面進(jìn)行加熱，通過紅外相機(jī)記錄的溫度差異探測(cè)物體內(nèi)部缺陷[6]。由于外部熱激勵(lì)的熱流一般是均勻的，對(duì)于無缺陷處，經(jīng)反射或物體熱傳導(dǎo)后，其表面的溫度場(chǎng)分布基本也是均勻的。物體內(nèi)部缺陷往往由于材料本身的屬性而存在差異，如隔熱性和導(dǎo)熱性缺陷。在熱傳導(dǎo)中表現(xiàn)出表面溫度分布不均勻性；由于隔熱性缺陷處熱量的堆積導(dǎo)致從正面測(cè)得該位置的表面溫度較高，形成“熱點(diǎn)”。而對(duì)于內(nèi)部存在導(dǎo)熱性缺陷的物體，熱傳導(dǎo)一定時(shí)間后，正面和背面的溫度分布也將不均勻，由于缺陷處傳熱較快，使得從正面測(cè)得的表面溫度較低，形成“冷點(diǎn)”。根據(jù)物體表面的溫度信息即可推導(dǎo)材料的均勻性和材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而對(duì)其內(nèi)部是否存在缺陷做出判斷。結(jié)合傅里葉位相分析技術(shù)，本文使用長(zhǎng)脈沖和鎖相兩種激勵(lì)方式，開發(fā)出紅外序列圖像分析方法，以獲得高質(zhì)量的紅外檢測(cè)圖像。

對(duì)于長(zhǎng)脈沖激勵(lì)方式，利用圖像預(yù)處理方式去除背景噪聲，采用傅里葉變換將采集到的一維溫度信號(hào)逐像素的從時(shí)域轉(zhuǎn)化到頻域[13]，得到每個(gè)像素點(diǎn)的相位數(shù)據(jù)。

式中，φ（fk）是傅里葉變換后第k個(gè)頻率分量的相位信息；N為紅外序列圖像總幀數(shù)；ΔT（tn）為tn時(shí)刻采集到的溫度數(shù)據(jù)；Δt是紅外熱像儀采集間隔；fs是紅外熱像儀的采集幀率。上述方法僅考慮了熱量在結(jié)構(gòu)厚度方向的傳播效應(yīng)，但實(shí)際的檢測(cè)物體上熱波也會(huì)發(fā)生橫向擴(kuò)散，此時(shí)可采用修正方法消除熱波的橫向擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響[14]。

對(duì)于鎖相激勵(lì)方式，利用圖像預(yù)處理方式去除背景噪聲，采用雙路鎖相相關(guān)算法可以有效提取特定頻率信號(hào)的相位信息，且能夠抑制噪聲和其他的直流分量[15]。構(gòu)建同向參考信號(hào)R（n）和正交參考信號(hào)Q（n），其中n為序列圖像索引。同相參考信號(hào)和正交參考信號(hào)分別與已消除直流分量的熱波信號(hào)Tac（n，i，j）進(jìn)行運(yùn)算得到像素點(diǎn)（i，j）處的相關(guān)輸出，再利用式（10）即可求出像素點(diǎn)（i，j）的具有較高信噪比的相位值Φ（i，j）。

缺陷的位置可以通過缺陷和無缺陷區(qū)域之間的相位差來確定。為了可視化目的，將相位轉(zhuǎn)換為8位圖像。線性拉伸是一種常見的方法，它將最大相位定義為255，最小相位定義為0。雖然這種變換簡(jiǎn)單快速，但由于相位數(shù)據(jù)的截?cái)嗾`差，會(huì)導(dǎo)致有關(guān)缺陷邊緣的一些詳細(xì)信息丟失，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低。

為了解決這個(gè)問題，本研究采用了特殊相位增強(qiáng)策略。首先結(jié)合傅里葉分析，將高精度相位圖像分割為背景圖像和細(xì)節(jié)圖像。前者包含位相圖像的低頻分量，后者保留位相圖像的高頻細(xì)節(jié)。單獨(dú)對(duì)高頻細(xì)節(jié)圖像進(jìn)行處理，以增強(qiáng)缺陷邊緣的信息。在對(duì)高頻細(xì)節(jié)進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，可以使用邊緣保持濾波方式[16]，在保護(hù)邊緣特征的條件下提升細(xì)節(jié)部分的權(quán)重，再通過融合背景圖像和增強(qiáng)細(xì)節(jié)圖像[17]，獲得新的重建相位圖像，最后量化為8位圖像，以便于使用局部自適應(yīng)伽馬校正方法進(jìn)行顯示。這種方法可以大大增強(qiáng)缺陷邊緣的對(duì)比度，提高缺陷的可見性，獲得高對(duì)比度檢測(cè)圖像。

2 試驗(yàn)

2.1 散斑照明模擬

采用ESNDT–ILLUM模型模擬激光照射物體表面的光強(qiáng)存在強(qiáng)反射光斑的情況[18]。如圖2所示，在激光照射下物體表面存在一個(gè)高亮的圓形區(qū)域。當(dāng)調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光量，使高亮區(qū)域的光強(qiáng)適中時(shí)，周圍的散斑圖像的亮度值極低，如圖2（a）所示；在這種前提下進(jìn)行相移處理，在周圍區(qū)域會(huì)引入較大的噪聲，如圖2（d）所示；若使周圍的亮度適中時(shí)，高亮區(qū)域的灰度則處于過飽和狀態(tài)，如圖2（b）所示；在這種情況下進(jìn)行相移處理，高亮區(qū)域則無法獲得位相信息，如圖2（e）所示。采用本文提出的高動(dòng)態(tài)亮度調(diào)節(jié)方法，對(duì)圖像進(jìn)行融合，獲得的散斑干涉圖像如圖2（c）所示，對(duì)應(yīng)的散斑干涉位相如圖2（f）所示。

圖2 ESNDT–ILLUM模擬試驗(yàn)Fig.2 ESNDT–ILLUM simulation experiment

整流罩的表面形狀和表面質(zhì)量會(huì)引起光照不均的問題，在大功率激光照射下尤為明顯。以上仿真試驗(yàn)表明，本文提出的高動(dòng)態(tài)散斑融合技術(shù)，可以有效地降低由于激光照射物體表面所造成的局部過亮或過暗影響，以此獲得穩(wěn)定的干涉條紋位相，保障了激光散斑干涉應(yīng)對(duì)不同物體表面的檢測(cè)能力。

值得注意的是，在熱加載的條件下，隨著熱量傳遞可引起物體內(nèi)部熱積累或熱傳導(dǎo)，物體內(nèi)部溫度誘發(fā)物體表面的變形隨時(shí)間而發(fā)生變化。因此，在開展熱加載激光散斑干涉檢測(cè)時(shí)，?？梢杂^察到物體表面的條紋隨時(shí)間緩慢的變化過程。由于相移過程十分短暫（ms級(jí)），結(jié)合并行計(jì)算后的計(jì)算耗時(shí)很少，通常在實(shí)時(shí)時(shí)間相移中忽略了物體表面緩慢的熱變形。在本文的方法中，計(jì)算框架與現(xiàn)有的實(shí)時(shí)時(shí)間相移類似，只是在圖像采集過程中設(shè)定多個(gè)恒定的曝光度用于采集多幅圖像，這個(gè)過程同樣十分短暫（ms級(jí)），在這一過程中溫度變化引起的變形相對(duì)緩慢，在短時(shí)間內(nèi)變化非常小，可以不考慮熱變形引起的位相變化，即忽略在相同相移步長(zhǎng)條件下所采集的多幅不同曝光圖像中的熱變形。

2.2 整流罩檢測(cè)

采用上海大學(xué)自主研發(fā)的SD–LSI8500型激光剪切散斑儀和SD–TI9100型紅外熱像無損檢測(cè)儀開陣整流罩的檢測(cè)。SD–LSI8500型激光剪切散斑儀通過一體化設(shè)計(jì)，集成熱輻射加載、激光投射和干涉功能模塊，使用便捷，可降低檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了檢測(cè)效率和檢測(cè)準(zhǔn)確度。相機(jī)在1600像素×1200像素分辨率下的圖像采集幀率為36幀/s，通常情況下的實(shí)時(shí)時(shí)間相移幀率可達(dá)33～35幀/s，采用本文提出的多曝光融合技術(shù)，實(shí)時(shí)時(shí)間相移幀率達(dá)到16～22幀/s。有效檢測(cè)面積為 500×500 mm2，激光功率為400 mW，熱加載燈功率為2000 W?？蓹z測(cè)最小缺陷直徑為3 mm。

SD–TI9100型紅外熱像無損檢測(cè)系統(tǒng)也采用功率為2000 W的鹵素?zé)簦瑹峒虞d時(shí)間可調(diào)，試驗(yàn)時(shí)使用的傅里葉紅外熱像儀，工作波段為7～14 μm；圖像分辨率640像素×480像素；熱靈敏度為40 mK；最大采集幀率為60 Hz。需要指出的是，為了獲得高質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果，傳統(tǒng)的紅外無損檢測(cè)系統(tǒng)主要采用檢測(cè)罩形式，以避免周圍物體熱交換形式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。本文采用了便攜式設(shè)計(jì)方案，可以方便地把檢測(cè)設(shè)備安裝在各類測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行原位測(cè)試。

整流罩構(gòu)件為纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，呈圓錐狀，厚度約為3 mm。為了驗(yàn)證激光散斑干涉和紅外成像技術(shù)對(duì)檢測(cè)對(duì)象表面的適應(yīng)性，試件表面有兩種不同的涂裝，如圖3所示。構(gòu)件上進(jìn)行預(yù)制人工缺陷，缺陷尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 整流罩構(gòu)件Fig.3 Fairing component

被測(cè)構(gòu)件放置在光學(xué)防振平臺(tái)上，激光散斑和紅外檢測(cè)系統(tǒng)安裝在離試件1 m的距離處。使用2000 W鹵素?zé)魧?duì)試件進(jìn)行熱激勵(lì)，然后分別用激光散斑和紅外熱成像設(shè)備對(duì)缺陷進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 散斑干涉和紅外熱成像無損檢測(cè)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.4 Experimental arrangement of shearography and infrared thermography NDT

為了研究不同熱激勵(lì)形式對(duì)紅外熱成像技術(shù)檢測(cè)結(jié)果的影響，在使用紅外熱成像檢測(cè)時(shí)，使用了長(zhǎng)脈沖和鎖相兩種激勵(lì)形式，分別獲得了對(duì)應(yīng)的紅外檢測(cè)圖像，并進(jìn)行了對(duì)比分析。在長(zhǎng)脈沖模式下，激勵(lì)時(shí)間為10 s，采集幀數(shù)為512幀，采集幀率為10 Hz；在鎖相模式下，激勵(lì)周期為20 s，周期數(shù)為3個(gè)，采集幀率為10 Hz。

2.2.1 激光散斑檢測(cè)

在紅外長(zhǎng)脈沖激勵(lì)后開展激光散斑檢測(cè)。激光照射下整流罩表面存在局部反光情況，但使用融合圖像技術(shù)后，干涉條紋圖和位相圖可以實(shí)時(shí)顯示，如圖5所示?？梢钥闯?，采用圖像融合后，大大降低了激光散斑檢測(cè)對(duì)結(jié)構(gòu)表面的要求，獲得了高質(zhì)量的散斑干涉位相條紋。經(jīng)過位相去包裹后，可以明顯分辨出1～8號(hào)缺陷，但較深的9～12號(hào)缺陷比較模糊。

圖5 熱加載下激光散斑檢測(cè)圖像 Fig.5 Shearography detection image under thermal loading

2.2.2 紅外檢測(cè)

紅外檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。在采用紅外位相圖像增強(qiáng)技術(shù)后，無論采用長(zhǎng)脈沖還是鎖相加載方法，全部的預(yù)制缺陷均可見。

圖6 紅外檢測(cè)圖像 Fig.6 Infrared detection images

為了與預(yù)制缺陷尺寸（表1）比較，分別對(duì)深度為1.5 mm和2.2 mm的兩排缺陷的灰度進(jìn)行定量分析，獲得的灰度沿長(zhǎng)度方向分布。如圖7所示，缺陷處的灰度接近為0時(shí)，缺陷邊緣具有明顯的灰度突變。

表1 缺陷尺寸 Table 1 Size of defects mm

3 結(jié)果與討論

本文采用激光散斑干涉和紅外成像方法對(duì)某型彈體整流罩內(nèi)部缺陷開展了無損檢測(cè)探索。為了提升兩種測(cè)試技術(shù)在整流罩檢測(cè)中的適應(yīng)性，提出了新型的處理方法?，F(xiàn)有的激光散斑干涉測(cè)量在遇到被測(cè)對(duì)象反光問題時(shí)，主要采用在被測(cè)對(duì)象上噴涂啞光涂層，或者調(diào)整激光照射角度，把高亮反射區(qū)域“移出”被測(cè)區(qū)域。然而，前者增加了檢測(cè)的工序，并且某些特定的結(jié)構(gòu)不允許噴涂啞光涂層；后者在檢測(cè)平板形構(gòu)件時(shí)有效，但對(duì)于回轉(zhuǎn)曲面，無論如何調(diào)整激光照射角度，高反差區(qū)域始終存在。針對(duì)整流罩表面粗糙度低的實(shí)際情況，本文提出了抑制表面反光的新型處理技術(shù)。通過多曝光散斑融合技術(shù)的圖像處理方法，可以有效地降低表面反光的影響。模擬試驗(yàn)證明，當(dāng)表面存在高亮反射區(qū)域時(shí)，無論如何調(diào)節(jié)相機(jī)的曝光度，均無法獲得理想的散斑位相；而采用本文提出的圖像融合技術(shù)，可獲得完美的散斑干涉位相圖像。在實(shí)際測(cè)試中，雖然整流罩表面存在兩種不同的表面形式，在激光束照射下呈現(xiàn)出不同的亮度，引起亮度的不均勻性，但采用本文提出的圖像融合技術(shù)，可以獲得高質(zhì)量的散斑干涉條紋圖像（圖5）。該技術(shù)提高了激光散斑干涉技術(shù)對(duì)各類被測(cè)對(duì)象表面檢測(cè)能力。值得注意的是，該技術(shù)是一種自適應(yīng)處理方法，無須人工選取閾值，極大提高了該技術(shù)的實(shí)用性；另一方面，由于激光散斑干涉無損檢測(cè)技術(shù)基于測(cè)量物面的變形，對(duì)于剛度較大的物體，如果缺陷處于較深的位置時(shí)，缺陷在表面誘導(dǎo)的變形量很小，會(huì)降低該方法的檢測(cè)靈敏度。正是由于這個(gè)局限性，在圖5中，整流罩中較深的缺陷未能檢出。

紅外圖像的空間分辨率一般較低（512像素×480像素），紅外檢測(cè)獲得缺陷邊緣一般比較模糊，會(huì)導(dǎo)致紅外檢測(cè)的實(shí)際效果更加劣化。本文通過把紅外位相圖像劃分為背景和細(xì)節(jié)層，針對(duì)性地對(duì)細(xì)節(jié)圖像采用邊緣保持濾波，提升代表缺陷邊緣的細(xì)節(jié)成分，再組合成完整的位相圖像。相較常規(guī)的線性增強(qiáng)、直方圖均衡化處理，該技術(shù)大大增強(qiáng)了紅外檢測(cè)缺陷的可視度。對(duì)于厚度為3 mm的整流罩結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)脈沖和鎖相兩種激勵(lì)模式下的紅外熱成像均可以檢測(cè)出12個(gè)缺陷。作為對(duì)比，激光散斑技術(shù)只能檢測(cè)到淺層的缺陷，深度為2.2 mm的缺陷只能隱約可見，十分模糊，這是跟兩種檢測(cè)技術(shù)的原理密不可分的。整流罩結(jié)構(gòu)采用纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，本身的剛度較大，較深的內(nèi)部缺陷所引起的局部變形非常小，從而導(dǎo)致激光散斑對(duì)較深缺陷的檢測(cè)能力變?nèi)酢＜t外熱成像技術(shù)基于熱量傳導(dǎo)原理，對(duì)材料的剛度的變化不敏感，更加適用于剛度較大材質(zhì)的無損檢測(cè)。由于熱擴(kuò)散的原因，紅外檢測(cè)的圖像往往存在缺陷邊緣模糊的問題，對(duì)于空間分辨率不高的紅外圖像，這一關(guān)鍵性技術(shù)難題制約了該技術(shù)的應(yīng)用。在本文試驗(yàn)中，由于采用了背景與細(xì)節(jié)融合的圖像增強(qiáng)算法，在兩種熱激勵(lì)模式下均可獲得較好的圖像質(zhì)量。在圖7中，采用長(zhǎng)脈沖和鎖相激勵(lì)對(duì)不同深度、相同尺寸缺陷進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，直接從圖中獲得的缺陷尺寸略有差異，例如圖7（a）中的缺陷從左到右分別為27 mm、20 mm、15 mm和8 mm；圖7（b）中的缺陷從左到右分別為19 mm、14 mm、9 mm和5 mm。這種差異主要是由于熱量的橫向擴(kuò)散引起的，可以通過修正的方法實(shí)現(xiàn)缺陷尺寸的精確測(cè)量[14]。

圖7 缺陷灰度分布Fig.7 Greyscale distribution of defects

綜合比較兩種非接觸光學(xué)無損檢測(cè)技術(shù)在整流罩缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用，從檢測(cè)能力上，紅外熱成像分析熱量的傳播規(guī)律，不依賴結(jié)構(gòu)的變形，因此相對(duì)于激光散斑法它更適合于剛度較大的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)檢測(cè)。考慮到各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)的差異，在長(zhǎng)脈沖和鎖相激勵(lì)中選用的激勵(lì)時(shí)間、圖像采集幀率、和采集時(shí)間等參數(shù)需要仔細(xì)選擇，以獲得高質(zhì)量檢測(cè)圖像[19–20]。雖然紅外熱成像技術(shù)可以檢測(cè)到更深的缺陷，但檢測(cè)所需要的熱激勵(lì)時(shí)間也越長(zhǎng)，為了得到圖像質(zhì)量較好的檢測(cè)結(jié)果，所需要采集的圖像數(shù)目更多，從而導(dǎo)致處理的時(shí)間更長(zhǎng)，檢測(cè)效率大大降低。同時(shí)紅外圖像的空間分辨率較低也會(huì)影響在大視場(chǎng)條件下對(duì)小缺陷的分辨能力。

剪切散斑干涉無損檢測(cè)技術(shù)雖然有多種力學(xué)激勵(lì)形式，但紅外熱激勵(lì)是原位測(cè)量中最容易實(shí)現(xiàn)的激勵(lì)形式。由于引入了GPU并行的計(jì)算模式，可以做到實(shí)時(shí)相移，在熱激勵(lì)結(jié)束的時(shí)候就可以得到干涉條紋圖和相位圖，相較于紅外熱成像，檢測(cè)的效率較高，檢測(cè)速度可以達(dá)到紅外熱成像技術(shù)的數(shù)十倍甚至數(shù)百倍以上。但該方法的檢測(cè)能力受到缺陷誘導(dǎo)的表面變形限制，在熱激勵(lì)條件下往往只能檢測(cè)到較淺的缺陷，對(duì)于剛度較大材料內(nèi)部深層缺陷漏檢率較高。如何結(jié)合紅外檢測(cè)和激光散斑檢測(cè)各自的優(yōu)勢(shì)，在降低了缺陷的誤檢率的同時(shí)，提高檢測(cè)效率仍然是該技術(shù)的發(fā)展方向。

4 結(jié)論

本文采用激光散斑干涉和紅外成像對(duì)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料整流罩殼體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)方法開展了研究，提出了改善高光潔表面激光散斑成像質(zhì)量的方法，及紅外位相圖像的增強(qiáng)技術(shù)，并應(yīng)用于某型整流罩缺陷的無損檢測(cè)，得出以下結(jié)論。

（1）結(jié)合散斑圖像融合的實(shí)時(shí)相移技術(shù)大大降低了激光散斑干涉對(duì)被測(cè)構(gòu)件表面反光性能的要求，可以獲得高質(zhì)量的散斑檢測(cè)圖像，進(jìn)一步增強(qiáng)了激光散斑干涉無損檢測(cè)的實(shí)用性。

（2）通過開發(fā)新型的紅外位相圖像增強(qiáng)方式，有效地銳化了紅外檢測(cè)中缺陷的邊緣，提升了紅外檢測(cè)的圖像質(zhì)量。

（3）在外場(chǎng)原位檢測(cè)中，激光散斑檢測(cè)和紅外長(zhǎng)脈沖熱波檢測(cè)可以在一次熱激勵(lì)中同時(shí)進(jìn)行，分別得到對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。激光散斑具有較高的檢測(cè)效率，但受整流罩剛度的影響，容易漏檢深層缺陷；紅外熱成像不依賴材料的剛度，通過實(shí)際的參數(shù)調(diào)節(jié)，可以檢測(cè)到更深的缺陷。