CN102735687A - 一种碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超声红外无损检测缺陷定量分析领域，具体涉及一种碳纤维复合材料层压板上冲击缺陷的缺陷拼接以及红外热像仪的视角误差补偿方法。本发明针对复合材料上的冲击缺陷在超声红外无损检测实验中体现出的红外热像信息中缺陷不连贯问题提出了解决方案。首先对红外序列热图进行滤波预处理；然后在时间域上进行缺陷特征融合；其次，在空间域上进行缺陷的可拼接性分析，进而拼接缺陷；同时，本方法考虑了红外热像仪与被测试件的视角问题，并对由红外热像仪视角引起的图像畸变和亮度梯度误差进行了分析、校正和补偿；最后，对缺陷进行定量分析。本发明有效地解决了不连贯缺陷的拼接问题，校正了误差，以便得到更为精确有效的定量分析数据。
Description
技术领域
本发明属于超声红外无损检测缺陷定量分析领域，具体涉及一种碳纤维复合材料层压板上冲击缺陷的缺陷拼接以及红外热像仪的视角误差补偿方法。
背景技术
超声红外无损检测技术在复合材料的缺陷探测中已经受到了广泛的关注。其基本原理是通过超声激励源对被测材料产生热激励，存在缺陷的被检测材料由于内部受损差异在表面产生不同的温度场分布，利用红外热像仪同步获取加热及热扩散过程中被测材料的红外热图，利用数字图像处理技术对红外热图进行处理，再采用定量分析方法对缺陷进行分析，得到缺陷的尺寸信息。
缺陷探测技术在无损检测领域中已经相对较为成熟，缺陷定量分析逐渐成为无损检测的发展方向。目前国内外的红外热像无损检测定量分析的实验和研究采用的试件多为标准试件上的标准缺陷，如圆孔、方孔等，缺陷类型跟实际情况有所脱节，具有一定的局限性，采用的方法也很难直接应用到实际的材料中。
由于碳纤维复合材料的层压板结构分层，导致材料上实际产生的缺陷分布在材料的不同层面。位于不同层面上的缺陷由于深度的不同在红外序列热图上初现、显示、扩散的时间点也不同。因此，材料上的一个冲击缺陷在红外热图上可能分时段表现为几个分离的缺陷。这样，极有可能使得缺陷定量分析的结果产生严重的偏差，包括缺陷数量、缺陷尺寸等分析结果都会受到很大的影响。有效的缺陷拼接技术能够将实际上属于同一个缺陷的几个分离缺陷在图像上进行拼接，一方面提高缺陷的可视效果，另一方面为更准确、有效地对复合材料缺陷进行定量分析提供了基础。缺陷拼接技术已成为国内外研究中一个较为新型的探究角度，然而，由于理论依据不足等原因，目前尚未形成一套完整的方法。
同时，在实际的实验过程中，特别是有源热像无损检测实验中，如图1所示，热激励源1位于试件2的正上方，于是红外热像仪3的探测器与试件无可避免地存在视角，该视角使得试件在红外热图的成像存在几何畸变。同时，由于试件的各点与红外热像仪探测器的距离不同，空气对红外热辐射的损耗也不同，使得红外序列热图的亮度存在梯度误差。对红外热图进行几何畸变校正以及亮度梯度误差补偿可以减小由实验设备给图像带来的影响，有效地提高缺陷定量分析的精度。
发明内容
本发明的研究对象来自于超声红外热像无损检测实验，超声激励源对碳纤维复合材料层压板试件产生热激励，存在缺陷的被检测材料由于内部受损的结构差异，在表面产生不同的温度场分布，利用红外热像仪同步获取加热及散热过程中的红外序列热图，并传输到计算机中进行记录，再对所记录的红外序列热图进行处理，进一步分析试件上的缺陷。本发明针对现有无损检测技术中缺陷分析环节的不足之处，提供一种利用超声红外序列热图对碳纤维复合材料层压板上不连贯冲击缺陷的分析和处理方法。本方法可有效地对复合材料层压板上不连贯的冲击缺陷进行拼接，同时针对由于视角引起的图像几何畸变进行校正，并补偿图像的亮度梯度误差。
本发明的目的是这样实现的。一种碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法，主要包括以下步骤：
（1）获取带有等时间间隔信息的超声红外序列热图，并对其进行滤波降噪处理；
（2）完成缺陷的时间域拼接，即综合红外序列热图在各个时间点体现出来的缺陷信息，将其表示在一张红外热像图上；
所述缺陷的时间域拼接方法为：对红外序列热图中的各幅图像选择对应的加权值，确保缺陷清晰显示阶段的加权值大于初现阶段及扩散阶段，所有加权值的和为1。其中，初现阶段是指缺陷在图像中刚刚出现及缺陷区域迅速扩大的阶段，显示阶段是指缺陷具有相对稳定、清晰轮廓的阶段，扩散阶段是指缺陷的轮廓逐渐模糊向四周扩散的阶段。将红外序列热图上各个像素点的灰度值进行加权平均，进而得到经过时间域拼接后的图像；
（3）完成缺陷的空间域拼接，即根据红外序列热图的时间特征分析在经过时间域拼接的图像上表现为相邻的几个缺陷是否属于同一个缺陷，若属于，则根据缺陷边缘各个方向的扩散速度信息进行空间域的缺陷拼接，使其在图像上表现为一个缺陷；
所述判断时间域拼接后的图像上相邻几个缺陷是否属于同一个缺陷的方法为：①在红外序列热图中，以缺陷最早出现的点或区域中心为缺陷的中心；②红外序列热图中各个缺陷均随时间向四周扩散，以缺陷的中心为基准点计算出缺陷沿着边缘扩散速度最大的方向；③连接两个缺陷的中心，此即为拼接基准线，比较两个最大扩散速度方向与拼接基准线的夹角，当两个夹角均小于阈值T1时，进行下一步的判断，否则认为两缺陷不属于同一缺陷，不需要进行拼接处理；④比较两缺陷中心的距离和它们的最大扩散速度，当它们的最大扩散速度之和与中心距离的比值大于阈值T2时，认为这两个缺陷属于同一个缺陷，否则不属于，不需要进行拼接处理；
所述缺陷的空间域拼接方法为：在拼接基准线两侧进行局部的边缘检测，以获取拼接轮廓，进而对相邻两个缺陷进行拼接；
（4）对拼接后的图像进行等比例的纵向拉伸以及梯度比例的横向拉伸，校正由于红外热像仪视角引起的图像畸变；
（5）计算空气对红外热辐射能量的衰减与作用距离的关系，并计算红外热像仪的探测器与试件上不同点的距离，以考量由此对图像亮度造成的梯度影响，进而补偿拼接后图像上的梯度误差；
（6）对拼接后完整的缺陷进行定量分析。
其中，所选用的试件为实际结构中的碳纤维复合材料层压板部件，其上缺陷为装配和维修过程中工具掉落撞击材料或使用过程中受到撞击等真实情况造成的冲击缺陷，损伤了复合材料层压板的分层结构。且本方法研究的红外热图对象是通过超声红外热像无损检测技术获得，在序列热图中呈现出冲击缺陷的不连贯性。
其中，所述第（5）步中空气热辐射能量的衰减用空气对热辐射的衰减透过率来衡量，空气对热辐射能量的损失主要是受到水和二氧化碳的吸收作用以及空气中微粒的散射作用，故空气对热辐射的透过率可表示为水的吸收透过率、二氧化碳的吸收透过率和散射透过率的乘积。
其中，所述第（5）步中图像亮度梯度误差的补偿方法为：在试件上按等距的网格选取测量点，计算各个测量点的衰减，并进行二元二次拟合，根据拟合后的函数来补偿亮度的梯度误差。
本发明可有效地对不连贯的冲击缺陷进行拼接，并且对由红外热像仪视角引起的图像畸变进行校正，同时修正了由于空气对红外辐射的吸收与散射衰减引起的梯度误差，提高了无损检测缺陷定量分析的有效性和精度。
附图说明
图1-超声无损检测系统
图2-缺陷分析流程图
图3-图像校正示意图
具体实施方式
本发明的研究对象来自于超声红外热像无损检测实验，实验系统如图1所示，超声激励源1位于试件2的正上方，红外热像仪3位于一侧，其探测器以一定的视角对准试件2，并且红外热像仪3连接计算机4以进行数据传输。超声激励源1对试件2产生热激励，存在缺陷的被检测材料由于内部受损差异在表面产生不同的温度场分布，利用红外热像仪3同步获取加热或散热过程中的红外热图，并传输到计算机4中进行记录，再对所记录的红外序列热图进行处理，进一步分析试件上的缺陷。
如图2所示，本碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法包括以下步骤:
（1）获取带有等间隔时间信息的超声红外序列热图，时间间隔的大小影响到拼接的效果；图组中初始的几幅图像中缺陷刚刚显现，表示的区域小于实际的缺陷，而最末的几幅图像中热量已经逐渐扩散，表示的区域大于实际的缺陷。在步骤101中对其进行滤波降噪处理。根据图像的噪声特点，可选用的滤波方法包括邻域平均、高斯加权平均、选择式掩膜平均、中值滤波等等；
（2）在步骤102中完成缺陷的时间域拼接，即综合红外序列热图在各个时间点体现出来的缺陷信息，将其表示在一张红外热像图上；
所述缺陷的时间域拼接方法为：对于红外序列热图中的各幅图像选择对应的加权值，确保缺陷清晰显示阶段的加权值大于初现阶段及扩散阶段，所有加权值的和为1。其中，初现阶段是指缺陷在图像中刚刚出现及缺陷区域迅速扩大的阶段，显示阶段是指缺陷具有相对稳定、清晰轮廓的阶段，扩散阶段是指缺陷的轮廓逐渐模糊向四周扩散的阶段。将红外序列热图上各个像素点的灰度值进行加权平均，进而得到经过时间域拼接后的图像；
（3）在步骤103中根据红外序列热图的时间特征分析在经过时间域拼接的图像上表现为相邻的几个缺陷是否属于同一个缺陷，若属于，则进行步骤104，根据缺陷边缘各个方向的扩散速度信息进行空间域的缺陷拼接，使其在图像上表现为一个缺陷；
所述判断时间域拼接后的图像上相邻几个缺陷是否属于同一个缺陷的方法为：①在红外序列热图中，以缺陷最早出现的点或区域中心为缺陷的中心；②红外序列热图中各个缺陷均随时间向四周扩散，以缺陷的中心为基准点计算出缺陷沿着边缘扩散速度最大的方向；③连接两个缺陷的中心，此即为拼接基准线，比较两个最大扩散速度方向与拼接基准线的夹角，当两个夹角均小于阈值T1时，进行下一步的判断，否则认为两缺陷不属于同一缺陷，不需要进行拼接处理；④比较两缺陷中心的距离和它们的最大扩散速度，当它们的最大扩散速度之和与中心距离的比值大于阈值T2时，认为这两个缺陷属于同一个缺陷，否则不属于，不需要进行拼接处理；
缺陷的空间域拼接的方法为：在拼接基准线两侧进行局部的边缘检测，以获取拼接轮廓，进而对相邻两个缺陷进行拼接。可以采用的边缘检测算子包括Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子、Laplacian算子等等。
（4）从图1中可以看到红外热像仪3与试件2存在一个视角，在步骤105中校正由于红外热像仪视角引起的图像畸变，如图3所示。试件11在红外热像仪下的成像由于视角原因产生如图像12所示的畸变。为了进行标定，预先在试件11上粘贴已知尺寸的标签，根据图像中标签尺寸比例关系的改变，计算出图像的畸变比例，并通过201图像纵向拉伸得到如图像13所示修正，进而再通过202图像梯度比例的横向拉伸得到如图像14所示校正后的图像。
（5）由于红外热像仪与试件存在视角，故从试件上各个点到红外热像仪探测器的距离不同，空气对热辐射的衰减作用由于试件各点距离不同对图像亮度造成了梯度影响，在步骤106中，首先计算空气对热辐射能量的衰减与作用距离的关系，并计算红外热像仪的探测器与试件上不同点的距离，以考量由此对图像亮度造成的梯度影响，进而补偿梯度误差。
（6）在步骤107中，对拼接后完整的缺陷进行定量分析。可以先对经过缺陷拼接处理、图像畸变校正以及误差补偿后的图像采用大津阈值进行二值化，再通过图像的开运算和闭运算滤掉二值化时产生的小噪声，最后通过像素的统计，对比步骤（4）中提到的已知标签的实际尺寸和图像中的尺寸，定量计算出缺陷的长度、宽度、周长、面积等信息。
其中，步骤101中所选用的试件为实际结构中的碳纤维复合材料层压板部件，其上缺陷为装配和维修过程中工具掉落撞击材料或使用过程中受到撞击等真实情况造成的冲击缺陷，损伤了复合材料层压板的分层结构。且本方法研究的红外热图对象是通过超声红外热像无损检测技术获得，在序列热图中体现出冲击缺陷的不连贯性。
其中，步骤106中热辐射能量的衰减用空气对热辐射能量的衰减透过率来衡量，空气对热辐射能量的损失主要是受到水和二氧化碳的吸收作用以及空气中微粒的散射作用，故空气对热辐射的透过率表示为水的吸收透过率、二氧化碳的吸收透过率和散射透过率的乘积。影响其作用大小的参数除了作用距离之外，还包括气温、空气湿度、海拔高度等。
其中，步骤106中亮度的梯度误差补偿方法为：以试件的中心为原点，红外热像仪与试件中心连线在试件平面上的投影方向为x轴，其垂直方向为y轴。根据所需要达到的精度在试件上按等距的网格选取测量点，计算各个测量点的衰减透过率，对试件上各点的坐标和衰减透过率进行二元二次拟合，得到衰减透过。
Claims (4)
1.一种碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）获取带有等时间间隔信息的超声红外序列热图，并对其进行滤波降噪处理；
（2）完成缺陷的时间域拼接，即综合红外序列热图在各个时间点体现出来的缺陷信息，将其表示在一张红外热像图上；
所述缺陷的时间域拼接方法，其特征在于：对红外序列热图中的各幅图像选择对应的加权值，确保缺陷清晰显示阶段的加权值大于初现阶段及扩散阶段，所有加权值的和为1。其中，初现阶段是指缺陷在图像中刚刚出现及缺陷区域迅速扩大的阶段，显示阶段是指缺陷具有相对稳定、清晰轮廓的阶段，扩散阶段是指缺陷的轮廓逐渐模糊向四周扩散的阶段，将红外序列热图上各个像素点的灰度值进行加权平均，进而得到经过时间域拼接后的图像；
（3）完成缺陷的空间域拼接，即根据红外序列热图的时间特征分析在经过时间域拼接的图像上表现为相邻的几个缺陷是否属于同一个缺陷，若属于，则根据缺陷边缘各个方向的扩散速度信息进行空间域的缺陷拼接，使其在图像上表现为一个缺陷；
所述判断时间域拼接后的图像上相邻几个缺陷是否属于同一个缺陷的方法，其特征在于：①在红外序列热图中，以缺陷最早出现的点或区域中心为缺陷的中心；②红外序列热图中各个缺陷均随时间向四周扩散，以缺陷的中心为基准点计算出缺陷沿着边缘扩散速度最大的方向；③连接两个缺陷的中心，此即为拼接基准线，比较两个最大扩散速度方向与拼接基准线的夹角，当两个夹角均小于阈值T1时，进行下一步的判断，否则认为两缺陷不属于同一缺陷，不需要进行拼接处理；④比较两缺陷中心的距离和它们的最大扩散速度，当它们的最大扩散速度之和与中心距离的比值大于阈值T2时，认为这两个缺陷属于同一个缺陷，否则不属于，不需要进行拼接处理；
所述缺陷的空间域拼接方法，其特征在于：在拼接基准线两侧进行局部的边缘检测，以获取拼接轮廓，进而对相邻两个缺陷进行拼接；
（4）对拼接后的图像进行等比例的纵向拉伸以及梯度比例的横向拉伸，校正由于红外热像仪视角引起的图像畸变；
（5）计算空气对红外热辐射能量的衰减与作用距离的关系，并计算红外热像仪的探测器与试件上不同点的距离，以考量由此对图像亮度造成的梯度影响，进而补偿拼接后图像上的梯度误差；
（6）对拼接后完整的缺陷进行定量分析。
2.如权利要求书1所述碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法，其特征在于：所选用的试件为实际结构中的碳纤维复合材料层压板部件，其上缺陷为装配和维修过程中工具掉落撞击材料或使用过程中受到撞击等真实情况造成的冲击缺陷，损伤了复合材料层压板的分层结构。且本方法研究的红外热图对象是通过超声红外热像无损检测技术获得，在序列热图中呈现出冲击缺陷的不连贯性。
3.如权利要求书1所述碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法，其特征在于：所述第（5）步中空气热辐射能量的衰减用空气对热辐射的衰减透过率来衡量，空气对热辐射能量的损失主要是受到水和二氧化碳的吸收作用以及空气中微粒的散射作用，故空气对热辐射的透过率可表示为水的吸收透过率、二氧化碳的吸收透过率和散射透过率的乘积。
4.如权利要求书1所述碳纤维复合材料冲击缺陷的红外序列热图分析方法，其特征在于：所述第（5）步中图像亮度梯度误差的补偿方法为：在试件上按等距的网格选取测量点，计算各个测量点的衰减，并进行二元二次拟合，根据拟合后的函数来补偿亮度的梯度误差。
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