CN103646386A - 一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法，采用冷却结束时的红外热图像中各像素的红外热响应幅度减去加热开始前的红外热响应幅度，再以结果去除加热开始至结束期间任意时刻各像素的红外热响应幅度与加热开始前的红外热响应幅度的差，生成新的热红外图像。采用本发明生成的热红外图像，可以抑制材料表面本身存在的热发射率不均对热红外图像影响，排除对缺陷检测的干扰，提高对缺陷的检测准确率。

Description

一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法

技术领域

本发明属于热图像处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法。

背景技术

在热成像无损检测中，主要通过特定时刻热图像的高低温度对比判定缺陷的有无。该方法极易受材料表面热发射率不均的影响，在金属材料检测中，问题尤其严重。如金属表面的油污、锈蚀、水等，因热发射率较高，极易在材料表面产生虚假的高温，造成缺陷误检误报。

根据Stefan-Boltzmann定律，单位面积黑体辐射的功率j^*与黑体温度T的四次方成正比，即：

j^*＝σ_sbT⁴   (1)

其中σ_sb是Stefan-Boltzmann常数，T是黑体的绝对温度。在实际应用中，材料表面的热辐射与材料的表面状况紧密相关，这种影响一般采用热发射率ε表示，其定义为相同温度下，物体热辐射与黑体热辐射的比值。因此，描述实际物体热辐射时，Stefan-Boltzmann定律表述为：

j^*＝εσ_sbT⁴   (2)

当材料表面存在油污、氧化或其他污渍时，材料表面热发射率变的不再均匀。对于同一种材料，光亮表面的热发射率最低，油污、粗糙表面的热发射率相对较高，黑色表示的热发射率最高。如光亮不锈钢的热发射率只有0.16，喷砂处理后上升到0.44，而氧化处理后可高达0.85。光亮镍合金的热发射率为0.05，当表面有油污时，却高达0.82。

根据式(2)可知，在同样的温度条件下，油污、氧化层、粗糙表面等的存在将大幅提高材料的热辐射水平，从而在热像仪上产生虚假的“高温”。图1是不锈钢试样A的照片。如图1所示，在该长条形不锈钢试样A上等间距分布着亮暗条纹，明亮条纹为经过抛光的表面，黑色条纹为喷涂了黑色涂层的区域。图2是不锈钢试样A加热结束时的红外热图像。如图2所示，本例中不锈钢试样A的红外热图像中每个条纹的中间温度最高，向两边逐渐降低。并且由于黑色条纹区域PosA1因具有更高的热发射率，红外热图像亮度较高，显示为高温，而明亮条纹区域PosA2因热发射率较低而呈现低温状态。

在热成像无损检测中，缺陷的识别依赖于红外热图像上的高低温区域。所不同的是，缺陷引起的高低温是热量在缺陷处聚集或扩散受阻的结果，而污渍、氧化等非缺陷的高热发射率引起的“高温”与材料内部的结构完整性无关，对应区域的温度并未真正提高。然而，污渍、氧化等非缺陷和缺陷引起的高温在热图像上非常相似，极难区分，常常引起缺陷误报。

为提高检测效果，英、德、澳等国的学者分别通过在材料表面喷涂蒸馏水、黑色涂料等方式，抑制了材料表面热发射率变化的影响。方法虽然可行，但增加了操作的复杂程度和检测成本，降低了检测效率，且会造成材料表面的污染，使用范围有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法，通过对材料红外热图像进行处理，抑制材料表面本身存在的热发射率不均的影响，提高缺陷检测的准确率。

本发明通过对热发射率引起的热响应变化进行了理论和实验分析，发现在热成像检测时，热激励和热传导决定了材料温度T的分布，温度T和材料表面热发射率ε决定了材料的热辐射水平。根据式（2），热辐射与材料表面热发射率ε成正比，因此可以认为热发射率仅仅改变了被测件的红外热响应幅度，并未改变其红外热响应幅度随时间的变化规律。采用该结论对红外热图像进行处理即可抑制材料表面本身存在的热发射率不均的影响。

本发明可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法，包括以下步骤：

S1：加热开始前，采集被测件在热平衡状态下的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S2：对被测件加热并冷却，在此期间任意时刻t采集一幅被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度

S3：当被测件冷却至热平衡状态时，采集被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S4：生成新的红外热图像，各像素点(m,n)的红外热响应幅度计算公式为：

$j_{m,n}=\frac{j_{m,n}^{*}\left(t\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}{j_{m,n}^{*}\left(t_1\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}.$

进一步地，步骤S2中红外热图像的采集时刻t为加热结束时刻。

进一步地，步骤S3中热平衡状态的判定方法为：设定温度下降速率阈值，当被测件温度下降速率小于等于该阈值时，则认为被测件冷却达到热平衡状态。

本发明可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法，采用冷却结束时的红外热图像中各像素的红外热响应幅度减去加热开始前的红外热响应幅度，再以结果去除加热开始至结束期间任意时刻各像素的红外热响应幅度与加热开始前的红外热响应幅度的差，生成新的热红外图像。采用本发明生成的热红外图像，可以抑制材料表面本身存在的热发射率不均对热红外图像影响，排除对缺陷检测的干扰，提高对缺陷的检测准确率。

附图说明

图1是不锈钢试样A的照片；

图2是不锈钢试样A加热结束时的红外热图像；

图3是图2中区域PosA1和PosA2从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图；

图4是图3所示红外热响应幅度曲线图的归一化曲线图；

图5是本发明可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法的具体实施方式流程图；

图6是不锈钢试样B的照片；

图7是不锈钢试样B加热结束时的红外热图像；

图8是图7中四个区域从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图；

图9是采用本发明生成的新的红外热图像；

图10是采用本发明处理的图7中四个区域从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

首先对本发明所基于的理论依据进行说明。

热量扩散有对流、辐射、传导三种方式。在热成像检测中，单次检测面积通常不超过几平米，检测时间也较短，通常不超过2s，可认为材料所有位置所处环境（包括空气流通速率、辐射水平、环境温度等）均一致。因此对流对热扩散的影响可以忽略。当材料表面热发射率增大时，热辐射水平相应提高，以更快的速度向外传递热量，引起材料温度以更快的速率下降，反之，材料温度下降速率变慢。热传导是另一种高效的热量传递方式，在热成像检测中，以高功率密度短时加热被测件后，在被测件内部一般产生几K的温度梯度，热量以热传导的方式从高温区域向低温区域流动。

以图1中所示不锈钢试样A为例来对比热辐射及热传导对温度分布的影响。假设不锈钢薄板的热导率为14Wm^-1K^-1，厚度为0.24mm，宽度为45mm。在不锈钢试样A上等间隔分布着横跨试样，长度为45mm，宽度为5mm的黑色条纹。假设黑色条纹的热发射率与黑体相同，为1。热成像检测时的环境温度为室温25℃，在电涡流加热结束时，试样感应加热区域温度上升10℃。由式（2）可得黑色条纹区域的热辐射功率为0.115瓦。

假设被加热区域横截面的温度为均匀分布。热成像检测时只在试样中心区域进行局部加热，从而将体积型试件中的三维热传导简化为横向的一维热传导。假设加热结束时，黑色条纹区域与两侧光亮区域（间隔5mm）的温差仍为10℃，根据傅里叶热传导定律，单位时间内通过单位面积的热量与温度梯度成正比，可得热传导引起的热扩散功率为30.2瓦。

以上分析说明，热传导功率远大于热辐射功率，也就是说热成像检测中，材料温度分布主要由热激励和热传导决定，热辐射对温度的影响可以忽略。

综上所述，热激励和热传导决定了材料温度T的分布，温度T和材料表面热发射率ε决定了材料的热辐射水平。热成像检测时，热像仪接收材料的热辐射，并最终形成可用于缺陷检测的热图像。根据式（2），热辐射与材料表面热发射率ε成正比，因此可以认为热发射率仅仅改变了被测件的红外热响应幅度，并未改变其红外热响应幅度随时间的变化规律。

图3是图2中区域PosA1和PosA2从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图。图4是图3所示红外热响应幅度曲线图的归一化曲线图。由图2可得，PosA1处于黑色条纹即高热发射率区域，PosA2处于亮色条纹即低热发射率区域。如图3所示，在加热结束时，PosA1区域的红外热响应幅度高达PosA2区域的6倍。但是在经过归一化后的图4中，两个区域的红外热响应幅度曲线几乎重合，表现了相同的曲线形态。可见材料表面热发射率的变化的确只改变了红外热响应的幅度，而并不改变其变化规律，与上文的理论分析一致。

基于以上发现，本发明对红外热图像采用较简单的处理方法即可抑制材料表面本身存在的热发射率不均的影响，从而提高对缺陷的检测准确率。

如果从开始加热到冷却都持续进行热成像检测，那么在每帧红外热图像中，像素点(m,n)处随时间变化的红外热响应幅度

可表示为：

$j_{m,n}^{*}\left(t\right)={\mathrm{\ϵ}}_{m,n}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sb}}{T}_{m,n}^4\left(t\right)---\left(3\right)$

其中，T_m,n(t)表示像素点(m,n)对应区域温度随时间t的变化规律。由上面的分析可知，材料表面的热发射率ε不改变被测材料中的温度分布，只影响红外热响应的幅度，且幅度与热发射率ε成正比，因此T_m,n(t)是与ε无关的变量。

在加热前，材料温度处于热平衡状态，那么有T_m,n(0)＝T₀，T₀在单次热成像检测中是由环境温度确定的常量，此时红外热响应幅度为

记开始加热时间为0，加热结束后，如果冷却时间足够长，材料重新处于热平衡状态，有T_m,n(t₁)＝T₁。t₁表示达到热平衡后的时间，T₁是与加热时注入被测件中的热量相关的常数。由于材料吸收了热量，因此T₁＞T₀。定义：

$F_e=j_{m,n}^{*}\left(t_1\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)={\mathrm{\ϵ}}_{m,n}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sb}}[{T_1}^4-{T_0}^4]---\left(4\right)$

F_e表示与材料表面热发射率成正比的系数。

将像素点(m,n)的红外热响应幅度

除以F_e，得到处理后的红外热响应幅度j_m,n(t)如下式所示：

$j_{m,n}\left(t\right)=\frac{j_{m,n}^{*}\left(t\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}{F_e}=\frac{T_{m,n}^4\left(t\right)-{T_0}^4}{{T_1}^4-{T_0}^4}---\left(5\right)$

式中，T_m,n(t)描述了从0到t₁期间被测件温度的变化过程，T₁ ⁴-T₀ ⁴是与材料特性如：密度、比热容、质量以及加热功率和时间相关的系数，在单次检测中为一常数。因此可见此时得到的红外热响应幅度j_m,n(t)不受材料表面热发射率的影响，而只与材料温度相关，从而实现了材料表面热发射率与温度的分离，可以抑制材料表面热发射率不均对缺陷检测的干扰。

在实际应用中，式（5）中的t为0到t₁之间的任意时刻，通常选择加热结束时刻，因为此时缺陷处的温度与正常表面的温度差异较大，经处理后的红外热响应j_m,n(t)的相差也较大，更易于分辨。冷却达到热平衡状态的时间t₁可以近似采用温度下降速率达到一定阈值时的时间。

根据以上的算法即可得到本发明的具体实施方式。图5是本发明可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法的具体实施方式流程图。如图5如示，本发明包括以下步骤：

S501：加热开始前，采集被测件在热平衡状态下的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S502：对被测件加热并冷却，在此期间任意时刻t采集一幅被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度

S503：当被测件冷却至热平衡状态时，采集被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S504：生成新的红外热图像，各像素点(m,n)的红外热响应幅度计算公式为：

$j_{m,n}=\frac{j_{m,n}^{*}\left(t\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}{j_{m,n}^{*}\left(t_1\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}---\left(6\right)$

实施例

图6是不锈钢试样B的照片。如图6所示，不锈钢试样B与不锈钢试样A一样，表面同样等间距分布着亮暗条纹，在其中一条亮色条纹区域上存在一条裂纹。

本实施例中仍采用电涡流对不锈钢试样B进行加热。图7是不锈钢试样B加热结束时的红外热图像。如图7所示，不锈钢试样B上的裂纹边缘和内部由于本身温度的不同呈现不同的温度状态，例如在裂纹端点的区域PosB1和裂纹侧面的区域PosB2处呈现比裂纹内部较高的温度；而与不锈钢试样A一样，黑色条纹区域PosB4因具有更高的热发射率，红外热图像亮度较高，显示为高温，而明亮条纹区域PosB3因热发射率较低而呈现低温状态。

图8是图7中四个区域从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图。如图8所示，从加热开始至冷却的2s时间内，在四个区域中黑色条纹区域PosB4的红外热响应幅度最高，远高于裂纹区域PosB1和区域PosB2。可见根据加热开始至冷却期间任意时刻的红外热图像，都无法直接直接判断是否存在缺陷。

利用本发明对图7所示的热红外图像进行处理，本实施例中以2s作为冷却达到热平衡状态的时间t₁，采用2s时的红外热图像中各像素的红外热响应幅度减去加热开始前的红外热响应幅度，获得热发射率系数F_e，再以F_e去除图7中各像素的红外热响应幅度与加热开始前的红外热响应幅度的差，从而生成新的热红外图像。

图9是采用本发明生成的新的红外热图像。如图9所示，此时不锈钢试样B表面的亮暗条纹显示出了相近的热红外响应幅度，可见热发射率变化的影响得到了很好的抑制。位于裂纹端点处的区域PosB2温度最高，位于裂纹侧面的区域PosB1的温度最低，区域PosB3和PosB4的涡流分布不受裂纹影响，温度适中。

图10是采用本发明处理的图7中四个区域从开始加热到冷却至热平衡状态的红外热响应幅度曲线图。采用本发明对四个区域从开始加热到冷却至热平衡状态中每个时刻的红外热响应进行了处理。如图10所示，裂纹端点处的区域PosB2在加热阶段温度上升最快，在冷却阶段温度下降最快，裂纹侧面的区域PosB1在加热阶段温度上升最慢，冷却阶段温度下降最慢。区域PosB3和PosB4的温度变化速率处于PosB1和PosB2之间。值得注意的是，在图8中，因热发射率的差异，区域PosB4的红外热响应幅度远大于区域PosB3，而在图10中，PosB3和PosB4的红外热响应幅度曲线近似重合，说明热发射率影响得到了很好的抑制。而且从图10中可以看出，从加热开始至冷却至热平衡状态的2s时间内，任意一个时刻的裂纹端点区域PosB2的温度都大于正常表面区域PosB3和PosB4，因此在任意时刻采集红外热图像都能实现检测，其中加热结束时刻的温度差异最大，最易于检测。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围。例如本实施例中只以电涡流加热的热成像做了技术验证说明，但本发明方法还可应用于超声、振动、热风等其他加热方式的热成像。对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种可抑制材料表面热发射率不均影响的热图像处理方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：加热开始前，采集被测件在热平衡状态下的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S2：对被测件加热并冷却，在此期间任意时刻t采集一幅被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度

S3：当被测件冷却至热平衡状态时，采集被测件的红外热图像，其中各像素点(m,n)处红外热响应幅度记为

S4：生成新的红外热红外图像，各像素点(m,n)的红外热响应幅度计算公式为：

$j_{m,n}=\frac{j_{m,n}^{*}\left(t\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}{j_{m,n}^{*}\left(t_1\right)-j_{m,n}^{*}\left(0\right)}.$

2.根据权利要求1所述的热图像处理方法，其特征在于，所述步骤S2中红外热图像的采集时刻t为加热结束时刻。

3.根据权利要求1所述的热图像处理方法，其特征在于，所述步骤S3中热平衡状态的判定方法为：设定温度下降速率阈值，当被测件温度下降速率小于等于该阈值时，则认为被测件冷却达到热平衡状态。

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