红外图像序列处理的锁相热成像理论与试验

    0 引 言

    从20 世纪 60 年代开始， 红外热成像技术就开始应用于材料和机械结构的无损检测中，红外热像无损检测技术作为一种非接触、 非破坏及直观的检测技术，广泛应用于航空航天、机械、医疗、电力、建工、石化等领域。 红外热像检测方法按照引起温度差的方式可分为主动式与被动式。 主动式按照加热方式不同可分为脉冲加热法、调制加热法以及近年来发展起来的超声脉冲相位法（UBP）和超声红外锁相法（ULT）等^[1]。脉冲加热法红外热像技术是目前最成熟、应用最广泛的技术。 但该方法存在以下 3 个方面的不足：一是材料或构件表面发射率、检测的厚度有限；二是与环境条件密切相关，无法克服加热不均带来的影响；三是与检测构件的结构有关，只适于平面构件的检测^[2]。

    红外锁相无损检测技术是国内外最近发展起来的新型无损检测手段。 2001 年，法国 Cedip 公司开发了红外锁相系统“Cedip JADE III”，该系统包括硬件系统和软件系统^[3]。 红外锁相技术采用按正弦规律调制加热辐射源强度对构件或材料进行加载激励，并将红外热像技术与数字锁相信号处理技术相结合，通过利用检测信号与激励信号之间差异分析材料或构件存在的缺陷及损伤特征,即计算材料或构件表面各点温度变化相位图和幅值图确定缺陷的特征。

    1 红外锁相技术原理

    所谓红外锁相技术采用按正弦规律变化的加热条件， 在构件表面引起的温度变化也为正弦规律变化，构件表面温度以加载频率振荡变化，其幅值、相位与材料的性质有关。 当构件内部存在缺陷时，在其表面引起的温度变化将产生幅值和相位的差异，通过计算此相位和幅值可确定缺陷的特征。 图 1 给出了采用红外锁相技术进行无损检测的原理。 可以看出：当激励加载热流按正弦规律变化时，构件表面的温度也按正弦规律变化，且在缺陷位置引起的表面温度变化与无缺陷处的表面温度变化存在相位的差异^[4-5]。

    1.1 热传导理论模型建立

    正弦规律变化的热流是指加热辐射源的热流强度是随时间变化的正弦函数^[6]。

式中：q₀为施加热流的强度；I₀为热源功率；f_e为调制频率；t 为时间。

    将调制热流注入一个有限厚度的平板，当其面积远大于厚度时，可以忽略热流的横向扩散，而只考虑厚度方向的传递。 图 2 给出了调制热流在平板中的传递过程。

    由此可得平板中温度分布：