CN104776918A - 一种相位提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位提取方法。该方法应用于快速提取红外热图序列相位，可有效克服现有技术中提取相位运算量过大、处理效率低的缺陷。该方法包括：获得采集时间、热像仪的采集频率和采集长度；获得温度序列，根据所述采集时间、热像仪的采集频率和采集长度，基于单频傅立叶变换从所述温度序列中提取相位。

Description

一种相位提取方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域中，尤其涉及一种相位提取方法，应用于快速提取红外热图序列相位。

背景技术

红外锁相热成像作为一种新兴的无损检测技术，具有检测速度快、观测面积大、检测结果直观、非接触等优势，在国内外得到广泛的运用和发展。该技术利用功率按一定规律变化的热源（例如，石英灯或卤素灯）周期性的对物件表面进行加热，当物件内部存在缺陷时，其表面温度的变化趋势会产生差异。用热像仪实时记录某一时刻物件表面温度的温度值，形成一幅热像图。如果热像仪的传感器像素为p，即热像图中包含物体表面p个点的温度值，在一个时间段内用热像仪多次记录物体表面温度，可以获得多幅热像图，这些热像图按照时间顺序排列构成热图序列，热像图中每个点的温度值按照时间顺序排列构成该点的温度序列。温度值利用不同的相位提取算法从温度序列中提取相位，根据相位的差异可以判断该点所处位置缺陷的大小和深度。

目前常用的相位提取的方法是快速傅立叶变换（FFT）。FFT作为离散傅立叶变换（DFT）的一种快速算法，在分析温度序列内所有频率的幅值和相位时特别有效，对于红外锁相热像法中的温度序列，在检测材料确定的情况下，往往只有一个特定频率的信号包含最丰富的相位信息，若用FFT提取温度序列内所有频率的相位，会使运算量增加数倍甚至更多，对热像图中的数十万个相位都进行FFT运算时，处理效率会明显降低。

发明内容

本发明提供一种相位提取方法，可有效克服现有技术中提取相位运算量过大、处理效率低的缺陷。

本发明的第一方面提供一种相位提取方法，包括：

获得采集时间、热像仪的采集频率和采集长度；

获得温度序列，根据所述采集时间、热像仪的采集频率和采集长度，基于单频傅立叶变换从所述温度序列中提取相位。

在上述方案基础上，所述获得采集时间包括：根据待测物体厚度和扩散系数获得所述采集时间。

在上述方案基础上，所述获得采集长度包括：

根据所述热像仪的采集频率和所述采集时间获得所述采集长度。

在上述方案基础上，基于单频傅立叶变换从所述温度序列中提取相位，包括：

若红外激励的能量为                                                ，其中，A为能量的幅度，B为平均加热能量，为能量的相位，则从所述温度序列中提取相位如公式（1），

      （1）

其中，T(n)为温度序列，N为采集长度，k=1；

若红外激励的能量为时，则从所述温度序列中提取相位如公式（2），

          （2）

其中，T(n)为温度序列，N为采集长度，k=1。

本发明提供的一种相位提取方法，通过单频傅立叶变换，减少了计算量，极大提高了相位提取的处理效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种相位提取方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种相位提取方法的流程示意图。该方法主要包括以下步骤：

步骤10、获得采集时间、热像仪的采集频率和采集长度。

红外热像仪，简称热像仪，是利用红外探测器和光学成像物镜接收被测物体的红外辐射能量，反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得热像图，热像图与物体表面的热分布场相对应。

在红外锁相热成像检测中，物体缺陷位置和正常位置的热传导规律存在差异，为了发现这种差异，必须对物体进行加热，热量经过存在热传导差异的物体时会呈现不同的温度场，用热像仪采集这一温度场，通过后续相位提取算法即可识别热传导的差异，从而判别缺陷的位置和参数。因此，在检测过程中红外激励就是对物体进行加热，以便形成温度场供热像仪采集。

首先，由公式

                     （1）

确定采集时间t。式（1）中：μ为待测物体厚度，α为待测物体热扩散系数。

然后计算100/t的值，将热像仪的采集频率设置到最接近该值的选项上，假设为s。

再计算采集长度

N=st                      (2)

式（2）中：N为采集长度，s为热像仪的采集频率，t为采集时间。

步骤20、获得温度序列，根据所述采集时间、热像仪的采集频率和采集长度，基于单频傅立叶变换从温度序列中提取相位。

对物体进行周期性加热，用热像仪采集物体表面温度，将时间t内的温度序列导出形成T(n)，应用公式（3）

               (3)

代入k=1，计算出相位。

单频傅立叶变换是相对于快速傅立叶变换(FFT)而言的。快速傅立叶变换提取了采集长度内所有频率的相位，而单频傅立叶变换只提取一个频率的相位，能够进一步显著减少计算量，提高相位提取速度。从公式(3)上看，单频体现在k=1为常量，而快速傅立叶变换中k为变量。

下文为公式（3）的数学推导过程。

本发明，设N为热图序列长度，k为热图序列内完整正弦或余弦周期的个数，根据数学理论可得当N≥3k时，有如下等式

                   （4）

假设红外激励的能量为，A为能量的幅度，B为平均加热能量，为能量的相位。将式（4）中的5个常量代入以下推导公式可得物体表面热图序列的相位提取如公式（6）为

（5）

也即

       （6）

同理当红外激励的能量为时，物体表面热图序列的相位提取如公式（7）为

    （7）

假设序列长度为N，本发明的实数乘法运算量为2N次，而FFT的实数乘法运算量为Nlog₂ N次，N越大，两种算法运算量的差距越明显，当热图序列长度在10～2400点范围内，本发明的耗时基本与序列长度成正比增加且耗时明显低于FFT，而FFT在不同点的耗时都存在突变，在10～99点、100～1462点和1463～2400点三个区间段FFT的平均耗时是本发明的13.4倍、2.9倍和9.8倍，也即在这三个常用的采集长度内本发明的相位提取速度相比FFT能提高12.4倍、1.9倍和8.8倍，具有很好的应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种相位提取方法，其特征在于，包括：

获得采集时间、热像仪的采集频率和采集长度；

获得温度序列，根据所述采集时间、热像仪的采集频率和采集长度，基于单频傅立叶变换从所述温度序列中提取相位。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得采集时间包括：根据待测物体厚度和扩散系数获得所述采集时间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得采集长度包括：

根据所述热像仪的采集频率和所述采集时间获得所述采集长度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于单频傅立叶变换从所述温度序列中提取相位，包括：

若红外激励的能量为                                                ，其中，A为能量的幅度，B为平均加热能量，为能量的相位，则从所述温度序列中提取相位如公式（1），

      （1）

其中，T(n)为温度序列，N为采集长度，k=1；

若红外激励的能量为时，则从所述温度序列中提取相位如公式（2），

          （2）

其中，T(n)为温度序列，N为采集长度，k=1。