CN105247343A - 探测系统和探测外部保护层下的锈蚀的方法 - Google Patents

探测系统和探测外部保护层下的锈蚀的方法 Download PDF

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Abstract

不相干的毫米波、亚毫米波和太赫兹的测试讯号被用以探测被保护涂层或外层覆盖的金属基质，保护涂层或外层有如漆料或热绝缘体，其阻挡了对基质直接的检视。不相干的测试讯号可为从自然出现的被动辐射源(例如天空)和/或从主动的杂讯辐射源而来的，该些讯号在往基质的入射角度方面提供了测试讯号的讯号散射和角度上的变化。对基质的照射允许了区分样本无锈蚀和有锈蚀的部分，因为从基于金属的基质的反射率(和发射率)是高度因变于表面电阻率，其继而是因变于锈蚀情况。探测器/摄像机被设置以接收从基质的反射，而关联的控制系统辨识出不同地反射测试讯号照明的样本区域，或者对从参考值的变化作出指示。因此，该些差异代表锈蚀是否存在，甚至代表基质中或其表面上是否有其它异常存在。

Description

探测系统和探测外部保护层下的锈蚀的方法
技术领域
本发明广义地涉及探测系统，并特别(但不限于)适用于运作以评估外部保护层或涂层下的锈蚀程度的探测器(和探测系统方法论)，保护层或涂层例如为油漆、绝缘层、防火覆层或防锈蚀保护涂层，其施加在表面上，例如管或墙壁上。
背景技术
探测和辨识基质中的结构异常和瑕疵(包括裂纹和裂缝、穿透、孔隙度的变异、锈蚀、解体和脱层)对于品质控制、预防性维护和特别是安全方面的考虑是重要的。在本文的范围中，基质可限定管、板或框架的结构并可由各种已知的物料造成，包括金属或复合材料。就位后，从这些基质形成的机械结构即承受着各种环境和/或对该基质内或外施加的不同压力。例如，一般的负重可产生弯曲的力矩，其在基质中产生应力。再者，这些环境可以是化学上为腐蚀性或者机械上为磨蚀性的。
就负面效果而言，如果我们考虑化工厂中的管或者横跨沙漠的输油管道，则这样的管的破裂会导致整个系统关闭并影响环境和安全。更具体而言，漏出的液体(例如油)必须被安全地清理和弃置，而于管中运行的液体的高速高压泄漏可导致管破碎，并因此从管的破碎基质产生高速弹射物。因此，定期维护或具预测性的维护是必须的。
很多飞机的机体现于关键构件上(如机翼、副翼上)采用复合材料。若其结构完整性维持完好，这些物料是极强韧的，但任何裂纹或脱层皆可导致其快速丧失刚性并可引致灾难性失效。因此，用于适航性评估的定期机体检查对于飞机的大量面积皆是必须的，而其中为机体提供刚性的基质一般都被漆料覆盖，其阻挡了直接的检视。
一旦设在现场后，用于评估的成本和进行评估所需的时间皆增加，原因简单地就是物理上难以访及被调查的部件。换句话说，简单地因为访及受限制，而令视察或机械性检查困难。
再者，被调查的基质常常是被保护涂层或绝缘层覆盖，其(一般)是于最终生产点或于实地组装后施加的。任何覆盖物皆阻碍直接目视评估，而任何覆盖物或涂层过往皆导致需要使用昂贵和精确放置的评测器材。因此，主动维护具有相对高的成本，因为对绝缘层下锈蚀(“CUI”)或漆料下锈蚀(“CUP”)或涂层下锈蚀(“CUC”)的评估须求主动地将绝缘物料或漆料揭开甚至直接去除以进行对基质的目视或其它量化的检查，及后又必须妥善、牢固地重新施加新的保护涂层或保护层。因此去除和重新施加任何涂层或层具有一定的成本，而任何去除的过程又带来损坏基质的可能性。其实也可以发生的情况是，去除了保护涂层和保护层露出的管是处于合格的、机械上稳定的状态的。在这情况下，用于评测该基质以检出磨损或锈蚀的迹象的成本本来是可避免的，因为本来也不需要进行任何补救行动。
作为保护涂层的例子，是一高效能的环氧树脂膨胀型防火涂层系统，其被施加至钢、铝及其它基质以保护这些基质免受烃的池式和喷射式火灾影响。很多商业保险商皆推荐其主要拟用于高风险环境，例如石油、天然气、石油化工和发电工业以及航运上。是另一型的绝缘/保护性覆盖物(见http://www.industry.foamglas.com/__/frontend/handler/document.php？id＝303&type＝42)。
GB-A-2398946(QinetiQ)描述了使用微波雷达探测表面的间断，特别是用于火车路轨的表面。其提供了毫米波长的雷达系统，以向被测试的表面发射毫米波长幅射的短促脉冲。如果该表面没有瑕疵或缺陷，大部分所发射的幅射便往预期中的方向被反射。其提供了至少一个接收天线以探测有没有任何所发射的幅射被表面的缺陷散射往预期反射方向以外的方向。发射天线亦可作为接收天线操作，即单基雷达，但具分别的发射天线和接收天线的双基设置是优选的。可使用多于一个接收天线以从不同角度检查路轨，以提供增加的灵敏度，并帮助确定缺陷的类别。所散射的幅射的偏振(polarization)属性可用于提供关于缺陷类别的资讯。另一接收天线可额外地或替代地被提供于预期的反射方向中，以在有缺陷时探测出所接收的讯号功率减弱。
US2005/0098728-Alfano提供了用于非破坏性地探测涂了涂层的表面下的物料的异常的系统和方法。太赫兹(THz)的照明单元照明涂了涂层的表面的区域。探测单元探测从涂了涂层的表面中被照明的区域反射的光线，而处理单元从探测单元所接收的光学特征将涂了涂层的表面中被照明的区域显像化。因此，Alfano提出，大部分保护性的漆料和涂层于这些波长中是透明的，所以可穿过漆料或多种其它保护性的涂层探测到锈蚀(意指其可于某些波长中被照明从而被观察到)。
然而，Alfano’728和QinetiQ’946皆依靠将被调查的样本保持于从观察仪器某指定距离和定向。更具体地，这些现有技术的系统依赖从具高度方向性的光源的沿轴的、沿视线的或沿正交的照明。这照明方法引致表面的镜面反射所导致的问题，并要求检查仪器(或样本)于每个测量点皆要被重置。探测器定向和/或样本放置的要求对于在现实环境中实际应用他们的技术设下严重的限制，在锈蚀是重大问题的室外环境中，如桥梁、采油平台等，这些限制尤为严重。再者，Alfano’728和QinetiQ’946的系统依赖以具方向性的、相干的毫米波长、亚毫米波长或太赫兹频率的辐射源照明样本。相干的辐射源提供在反射的电波中评估相位的能力，而没对准的幅射源从特征解晰度方面是被视为有问题的。
如Alfano’728和QinetiQ’946所教导的方法依赖与样本仔细的对准，并需要将检查系统和或需要测试的样本转动(即旋转或重置)才能有效地扫描样本和/或得到(即接收)足够数据以供分析。样本或探测器的转动皆导致显著的仪器复杂程度和上升的成本，旋转还进一步减低评估的速度。因此，Alfano’728和QinetiQ’946的该些现有技术的系统可被视为基于实验室的执行，因为它们的构造使在现场的基质检查非常困难，就算不是无可能也至少是非常不切实际的。此外，使用大功率的人造的相干的幅射源只会得到置于场景内的物件的反射率组分，于是即使对于无锈蚀的表面，样本的任何偏位或其表面纹理的任何变化皆可被误解为反射率的变化，即是说该些系统可被错误地触发。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，其用于探测被保护涂层或保护层覆盖的基质中或基质表面上的异常的存在，该方法包含：观察从基质而来的反射，该些反射从第一不相干幅射源的广角照明产生的入射电磁波引起，该些入射电磁波具有毫米或亚毫米波长或具有约三十太赫兹以下的频率；通过以下至少其一，辨识基质中的异常的存在：对比在基质中的相邻区域所观察到的反射率；以及将被测试的基质区域的所观察到的反射率和对于被测试的基质的该区域所预期的反射率参考数值作对比。
在一种优选的实施方案中，该第一不相干幅射源是被动幅射源，而该方法进一步包含：观察从主动的不相干幅射源的广角照明产生的入射电磁波引起的从基质的反射，该主动的不相干幅射源和第一被动的不相干幅射源是不同的，从主动的不相干幅射而来的入射电磁波具有毫米或亚毫米波长或具有约三十太赫兹以下的频率；通过对比从被动幅射源和主动幅射源所观察到的反射率频谱分布，辨识基质中的异常的存在。
基质上的层或覆盖基质的涂层的结构完整性的评估可通过评测层或涂层的透射率进行，该评测将以被动幅射源和主动幅射源观察到的反射率频谱分布中的分别作对比；以及在从被动幅射源和主动幅射源所观察到的反射率频谱分布之间的透射率超过某阈值的情况下，通过产生输出的步骤进行。
一种优选的方法可于两个不同温度确定从基质的发射率，以评估在该两不同温度之间是否发生了发射率的改变，而如果发射率的改变超过某预定阈值，则该确定导致产生输出，该输出指示在基质内或基质表面上存在异常。
在本发明的第二方面中，提供了用于辨识处于层或涂层下的锈蚀的锈蚀探测系统，该锈蚀探测系统包含：显像系统，其包括探测器，其被配置以在使用时探测从被测试的基质的反射率，所述反射率从基质由广角的不相干电磁波幅射源照明引起的，该些电磁波具有于约三十千兆赫兹和约30太赫兹之间的范围中的频率；以及基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以呈现对于所探测的反射率之间的分别的指示，该分别为以下至少其中之一：从基质多个不同区域评测到的反射率，其中反射率之间的分别指示锈蚀；和在被测试的基质的某区域所观察到的反射率和对该被测试的基质的区域所预期的反射率参考值对比，其中所观察到的反射率相对反射率参考值的分别指示锈蚀。
优选地，该显像系统是被配置以于至少一个特定频带中观察反射率，对于该些特定频带，大气层的水分和氧气是透明的：
在本发明的另一方面中，提供了辨识在被层或涂层覆盖的基质中的结构异常的探测系统，该探测系统包含：显像系统，其包括被配置以在使用时接收和探测从被测试的基质的反射率的探测器，所述反射率从基质由广角的不相干电磁波幅射源照明引起的，该被配置以于特定频带中观察反射率，对于该些特定频带，大气层的水分和氧气是透明的；以及基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以呈现对于所探测的反射率之间的分别的指示，该分别为以下至少其中之一的分别：从基质多个不同区域评测的反射率，其中反射率之间的分别指示异常；和在被测试的基质的某区域所观察到的反射率和对该被测试的基质的区域所预期的反射率参考值对比，其中所观察到的反射率相对反射率参考值的分别指示异常。
主动的不相干杂讯幅射源于使用时可提供对被调查的基质的选定的广角照明，该主动的不相干杂讯幅射源产生以下至少其一：(i)毫米波长、(ii)亚毫米波长和(iii)具约30太赫兹以下频率的微米波长。
在其中一种具体实施例中，该基于处理器的评测系统被配置以：将所述的主动不相干杂讯幅射源和所述的被动幅射源所产生的从基质的反射率的相对程度作对比；以及如果在主动和被动幅射源下被评测的反射率的可测量参数的对比产生超过某预定阈值的分别，则产生指示，指示基质中有异常存在。
该基于处理器的评测系统可被进一步配置以提供对被测试的基质上的层或覆盖该基质的涂层的结构完整性的置信度的指示，该指示基于评测穿过该层或涂层的透射率，该评测是将使用被动幅射源和主动幅射源时所观察到的反射率频谱分布之间的分别作对比。
在本发明的又另一方面中，提供了辨识在被层或涂层覆盖的基质中的结构异常的探测系统，该探测系统包含：显像系统，其包括探测器，其被配置以在使用时接收并探测从被测试的基质散发的电磁频率，所述探测器被配置以观察于约30GHz和30THz之间的范围内的电磁频率；以及基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以辨识从被测试的基质的所评估的发射率的分别，这是基于在至少两个测试温度中观察和评测被测试的基质的发射率，两个测试温度皆是相对背景温度不同的；其中如果发射率的分别超过某预定阈值，处理器则产生输出，该输出指示基质内或基质表面上存在异常。
有利地，本发明的实施方案提供探测系统和技术，其运用于从约三十千兆赫(30GHz)至约30THz的频带中自然存在的电磁性幅射照明以可靠地探测出在保护涂层和/或绝缘层以下的基质的变形、穿透、孔隙、裂缝、裂纹、锈蚀、解体和脱层。此外，本发明的系统并不需求探测器或样本高度准确地对准，这提供了两方面的好处：i)可快速评估样本的CUI或CUP或CUC；和ii)可以相对短的时间调查和评估大的面积。该探测系统并不需求高精确度的放置，所以其成本亦不高。
不相干的毫米波、亚毫米波和太赫兹的测试讯号被用以探测被保护涂层或外层覆盖的金属基质，保护涂层或外层有如漆料或热绝缘体，其阻挡了对基质直接的检视。不相干的测试讯号可为从自然出现的被动幅射源(例如天空)和/或从主动的杂讯幅射源而来的，该些讯号在往基质的入射角度方面提供了测试讯号的讯号散射和角度上的变化。对基质的照射允许了区分样本无锈蚀和有锈蚀的部分，因为从基于金属的基质的反射率(和发射率)是高度因变于表面电阻率，其继而是因变于锈蚀情况。探测器/摄像机被设置以接收从基质的反射，而关联的控制系统辨识出不同地反射测试讯号照明的样本区域，或者对从参考值的变化作出指示。因此，该些差异代表锈蚀是否存在，甚至代表基质中或其表面上是否有其它异常存在。
对于被调查的基质的自然存在的被动的、不相干的和扩散了的毫米波、亚毫米波和太赫兹照明允许对样本没腐蚀和腐蚀了的部分作出区分。该探测系统支援非破坏性的测试，实际上还支援现场(不拆解的)测试。
各实施方案提供了一系统，其不用被硬性地附接至某参考框架就能从某距离直接观察样本；从现实环境的实际应用方面看，这自由度提供相当大的好处。提供广角照明的、扩展的被动幅射源的运用代表了相比现有技术的显著改进，特别是对于观察非平面的表面(如管或直立的管)的显著改进。
附图说明
现将参照附图说明本发明的优选实施方案，在附图中：
图1示出典型的管道，其包括一层绝缘层；
图2是根据本发明的一优选实施方案的探测方法论的示图；
图3是根据本发明的一替代实施方案的探测方法论的示图；
图4表示出相干的幅射源相对圆球形或圆柱型测试基质探测上的限制；
图5是一优选的探测方法论的示图，其示出使用不相干的、扩展的全向太赫兹幅射源的效果；
图6是示意图，其表示出用于辨识在绝缘层下的锈蚀的一优选的探测系统；而
图7示出图6的CUI或CUP或CUC的探测系统的主动幅射源的一实施方案；
图8是在锈蚀评测系统的一优选接收器中的光学传递路径的示图；
图9示出，于由例如图6的锈蚀评测系统所观察的讯号中具贡献的幅射组分的来源；
图10和11示出发明的一实施方案的锈蚀探测系统，其在评测在某层下是否存在锈蚀时运用发射率。
具体实施方式
图1示出一典型的管道系统10。管12由基质造成，基质已具有某种锈蚀14，例如基于铁的管是会生锈的。管12可于其内部13内载有任何数量的物质(包括油或其它化学物)并且其内部可有保护涂层覆盖或者其基质可以由保护涂层在外涂覆，涂层可以是漆料；或者它们可以是以其它方式由外部绝缘层16保护。在后者方面，层16可以是热滞物(thermallagging)，其绕着外部套件18的管被固定在位。实际上，绝缘层16可以由两半圆部分(16a、16b)实现，它们由外部套件18和某种锁定机制20协同地夹在一起，锁定机制20通过外部套件18作用。技术人员会明白管道系统10的排列以及绝缘层16是如何绕着管12被固定或以其它方式被施加至(意指附着至)管12。
绝缘层16可以是被喷涂的溶液或包括提供抗腐蚀性能的被喷涂的溶液，其于毫米和微米波长之间是透明的。用于该层(无论是绝缘的还是保护性的还是两者皆是的)的典型物料包括凯芙拉-碳纤(Kevlar-carbon)复合材料和塑料。
图2是根据本发明的一优选实施方案的探测方法的示图。发明人发现了，从天空而来的背景电磁辐射的选定频带(例如毫米、亚毫米波长的，特别是太赫兹范围波长的)提供了广角的幅射源，而当其下射至金属时，其提供表面的照明，而当由对合适波长敏感的探测器探测时，其允许对比金属的相邻表面区域的反射率。实制上，大部分非金属物料于毫米、亚毫米和太赫兹范围中皆不是完全不透光的，而是具有某程度的透明度的。非金属物料的透明度会根据其厚度和其介电损耗正切值而变化，后者本身则会大部分因变于其结构完整度、纯度和含水量。因此，毫米、亚毫米和微米波长能够穿透绝缘层，并因此能照亮绝缘层下的金属。例如，1.199mm的波长(其额定于250GHz)可向处于一层保护漆料下的金属表面提供合理的照明(和经处理的显像)，不过以约0.300mm的波长(其额定于1THz)会达致更好的解晰度，而这些更高的频率仍可穿透包围的绝缘层并有较高的表面反射率。其实，反射率的对比度于较低频率一般是较差的。已发现较高频率的穿透度较差，但基质的反射率的对比度于较高频率是较好的。
电磁频谱中30GHz至30THz的这范围对应约十毫米至约十微米的波长范围。在这范围中，具测量自然存在的电磁幅射照明所需的灵敏度的探测器科技是可商购的。这范围也大约对应于航空、汽车、石油、天然气、化工、能源、建筑(包括基建)和船运业中被商业采用的复合的、绝缘的和保护的基质和层的有用的厚度。优选实施方案的技术和评测系统因此便可例如查找飞机机翼的损坏和检查漆料层的品质和深度。该系统可被用于评测船只的船体(包括内部和外部)、甲板和地板，例如洗手间附近的。储存缸、压力容器和运油管道可被检查是否有结构变化，用于采油平台、化工厂和挖钻机上的其它管道和椿架也是。因此，本发明于各种基建，包括支撑缆绳和桥梁的评测系统中是可广泛应用的。
现在已了解，在室外环境中，由于幅射源的环境和样本的环境处于不同温度中，所以样本会自然地被照明。例如，由于外太空的冷的宇宙背景可穿过地球的大气层被观察到，所以天空30是极冷的。围绕样本的环境相对天空多半会是较热的，而这温差提供了好的被动照明的条件。
被调查的基质可被视为大体上均质的，所以反射率的对比允许锈蚀(或结构异常)的区域相对具较高的基质完整度的区域被区分从而被辨识。换句话说，发明者们发现了宽带杂讯幅射源35(例如从天空/外太空30的，波长上至约10微米，幅射源温度为73开尔文)对基质的主动照明提供了散射于基质表面34上的波长，其中从基质表面34(于额定室温293K)的发射率/反射率36可由合适的摄像机/探测器32探测到。更具体地说，通过利用电磁频谱中上述的频带中自然出现的广角照明，可使用被动的‘只接收’的摄像机(如现今容易获得的那些)将样本区域显像。所选的幅射源的的性质使摄像机/探测器32无须被持于相对样本特定的距离或定向。此外，所有金属的反射率皆高度因变于其表面电阻率，表面电阻率则因变于锈蚀的状态，所以优选实施方案的技术可用于辨识样本不同地反射照明的区域，从而表示基质中或基质上有没有锈蚀(或其它异常，如本文所述)。
更具体地，在户外环境的情况下优选实施方案的样本照明原理的结果是，从天空的冷讯号从下伏的金属表面被反射，穿过于该些波长为透明的漆料，并进入被动的只接收的显像摄像机。与锈蚀的金属关联的是较高的表面电阻率，所以漆料下锈蚀了的区域较弱地反射冷的天空的讯号。在这情况下，锈蚀了的区域显示为比没锈蚀的区域较暖。讯号差别的强度给出锈蚀程度的指标。因此，天空提供了冷的杂讯幅射源。
就摄像机/探测器32而言，可采用一般的每秒十帧或以下的拍摄速率，其受摄像机系统中可用的探测器(无论是基于栅格布置还是旋转光学件的)的数量形响。因此，摄像机的光学件可包括扫描和聚焦的镜；将于下文讨论这些配置。摄像机的位置一般于幅射源上约三十厘米，不过位置会因变于讯号强度、光学解晰度和预期的缺陷的大小。评估的样本区域一般会覆盖约100cm2至1000cm2并于一秒至五秒的范围内发生。大家也应了解，摄像机的操作是设计的选择，并牵涉速度和解晰度。
摄像机可联接至显示器，其提供对于基质的物理完整度、均质性和/或锈蚀情况的显像或示图。摄像机(特别是其控制处理器)可被配置以提供样本的数字式报告，它和样本的相对已知的参照点的位置交叉参照。
于图2中，天空从被动的、毫米和亚毫米波长以及太赫兹频率的幅射源提供广角的照明。与之对比，图3是根据本发明的替代实施方案的探测方法的示图，其中非相干的、广角的毫米和亚毫米波长以及太赫兹频率的幅射源由当处的、扩展的幅射源40提供，其额定于约473K运作(例如，扩展的幅射源40是红外线幅射源，其于毫米和亚毫米波长以及太赫兹频率中亦是具高的发射性的；这样的幅射源是轻易地属于已知的)。因此，图3的安排为对于评估不是最佳的自然环境情况作出补偿，例如当密云可能减弱从冷的天空而来的讯号或者当被调查的样本位于室内时的情况。在这些情况下，可使用扩展的黑体达致主动照明，其或代替或补强源于天空的被动讯号。扩展的黑体幅射源的性质可以被选为相比周围环境较热或较冷，但在样本附近范围内应具有相对周围环境的一大温差。例如，具约450k至约550K的温度的黑体提供相对周围环境约130k至约250k间的温差。因此，扩展的黑体幅射源代表的是被设置以提供散射的宽带杂讯幅射源。根据本发明的实施方案的扩展的黑体的配置，对于具技术的目标读者是轻易地属于已知的。
对于从以天空作为冷的被动幅射源的反射率的探测，这里注明，可使用反射件将天空显像于测试的表面上。因此，反射件具有可调的倾角。此外，对于被动的冷的天空的探测器的运作方面而言，探测器32将大气层须为透明的这点计算在内，于是探测器于大气层的水分和氧气为透明的频带(即大气层的窗口区段)中运作。因此，使用天空的探测器的一优选实施方案特别于优化的频带中观察反射率的响应，优化的频带为(i)约30GHz和约60GHz之间、(ii)约65GHz和约100GHz之间、(iii)约120GHz和约157GHz之间、(iv)约160GHz和约181GHz之间、(v)约185GHz和约270GHz之间以及(vi)约320GHz和约360GHz之间。于500GHz以上，不会以天空作为冷的幅射源作反射率的评测。使用天空作为冷的被动幅射源，随着海拔升高可以于不同频率运作，因为大气层的水分和氧气的衰减效应减小了。
在图4中，圆的测试样本(例如圆柱管12)以相干的、具方向性的毫米、亚毫米波长或太赫兹频率的幅射源50照明。由合适的号角或波导件52提供方向性。只要探测器的空间位置对应从表面的反射角度，探测器就会接收一些讯号供处理和评测，这一般是由本地的处理器控制，其被配置以执行程序码，程序码用于为管的基质内的相邻的测试区域渲染影像或提供数字表示(或其它指示)。但是，在圆柱形管的情况下，入射的电磁波的反射角度严重地受该电磁波撞击管的位置影响；这意味着具有限的接收角度、固定位置的接收器52不会接收角度不利的反射波(并因此所反射的电磁波的磁通密度相对为低)。以不同的方式表达，当幅射源和探测器平行地置于圆柱体的中轴上时，相干的、狭窄的幅射源达致可观的进入接收器的反射波的磁通密度，但当幅射源和探测器处于中轴以外时，具方向性所发射出的讯号则被圆柱体反射以致没命中探测器。
Alfano’728和QinetiQ’946中的现有技术方案在图4的前提下运作，因为它们运用高度控制的、位置定向的系统，因为它们运用在当处的指向目标的幅射源和被定位以接收任何反射的接收器。具体地，如现在会明白了的，Alfano’728和QinetiQ’946依靠从具高度方向性的幅射源的“沿轴心”的、沿视线的或正交的照明，而这引致从表面镜面反射所带来的问题，并要求仪器或样本于每个测量点皆被重置。简单地说，现有技术的评测系统没有利用自然的毫米波、亚毫米波或太赫兹频率讯号，其或由基质反射，或由基质本身发射；也没利用从基质的周围发射并随后从基质的表面反射的讯号。
与之相比，本发明的优选实施方案利用自然出现的广角幅射源和/或扩展的在当处的幅射源，但在两情况下这些幅射源皆是不相干的并名义上为全向的(这是在于从幅射源的幅射在角度上是扩散了的)。如参照图5会理解的，不相干的、扩展的、全向的太赫兹幅射源通过确保无论从毫米、亚毫米波长或太赫兹频率幅射源往管12的圆柱型表面的电磁波的相对撞击角度是如何，反射的电磁波于摄像机/探测器32的磁通密度54皆足够高，从而为表面的不均作补偿。
本发明的优选实施方案因此运用了对某选定频带的穿透但反射和发射性的能力的了解，与从不相干的幅射源的广角照明的优点关联。
更具体地，虽然从自然出现的幅射源的反射率和发射率讯号是极微弱的，但发明人已发现了，它们提供对于基质一致性或基质完整性的宝贵的资料来源。具体地，被动的幅射源(例如天空)允许对基质表面发射率或反射率的评估，或者在复合材料或使用任何保护或绝缘层的情况下，对基质内部的透射率的评估。实际上，虽然连续的金属基质和物料于毫米、亚毫米和太赫兹区域中的表面反射率将高度因变于其表面电阻率和/或任何涂层或锈蚀层，但是它们是完全不透射的。
事实上，本发明的实施方案可利用被动的广角幅射源，亦可利用主动的、广角的毫米、亚毫米波长或太赫兹频率幅射源。使用被动的幅射源，基质表面的反射率可被确定，并和名义上同样的均质的基质在可接受(和优选地完美)的状态下已知的反射率参考值作对比。测量所得的反射率的值和参考值之间的任何差异因此便提供基质劣化(例如锈蚀或点蚀和其它结构缺陷(如在本文所提及的)的指示。因此，锈蚀或其它结构异常会得出反射率的相对减小。参考值可通过在安装/生产点对全新的基质的实证测试确定，或从公认的国际标准确定。
如果以主动的、广角的不相干的杂讯幅射源代替了被动的、广角的不相干的幅射源，则于毫米、亚毫米和太赫兹频谱的可探测的反射率掩盖其它与被测试的基质关联的当处的可测量的效果(例如发射率)。因此，除了所探测得的讯号的幅度不同之外，基质同一区域在主动和被动照明下皆应具有相同(或接近相同)的反射率分布。如果对于该基质区域两者的分布之间有可察的差异–––这可通过使用计算机程序将数据点作比较或通过对在显示器上或打印出来的图表作目视检查确定–––则通过该差异推断包围的绝缘层(无论是保护的漆料还是热保护屏障)的透射率的改变，并因此辨识出缺陷，其需要补救行动或进一步的监视。再者，系统可被配置以基于对于据说是保护或屏蔽正在接受反射率评测的基质的表面区域的保护层或涂层的透射率的预计或参考值评测透射率的改变。换句话说，有水或其它流体漏进盖着基质的包围保护层或涂层，便会带来保护层或涂层的透射率特质的可探测到的改变，如在主动和被动照明情况下毫米、亚毫米和太赫兹频谱中变更的波谱分布所反映的。换句话说，当同一区域的主动和被动的反光率分布在主动和被动的不相干广角照明下是不同的，则以两个反光率分布之间的对比推断透射率的改变。系统的软件可基于超越某阈值而确定具意义的差别，该值是跨过于主动和被动测试阶段皆用于反射率的选定共同频谱的总和；或者，该差别的确定可基于某绝对数字。
本领域的技术人员会容易理解从评估可用于推断该层或涂层的损坏或污染的具意义的变化选定的触发点和方法。
因此，本发明的探测和评测系统被配置以通过产生感官性的警告或输出标识均质性的改变或怀疑改变(例如由对比被动和主动的不相干的、广角的太赫兹照明环境下所观察到的反射率测量到的波谱分布所确定的)。探测和评测系统一般以软件实现(由控制处理器执行)，因此其对例如图5的摄像机/探测器32所撷取和的显像的波谱数据有反应。摄像机/探测器是处理器控制的显像系统的部分，系统被配置以评测横跨30GHz至30THz的频带的波谱响应，不过可于这相对宽的频带中选择特定和相对窄的频率窗口区段(例如在由天空被动地冷照明那部分描述的)。
综上所述，通过测量非金属涂层的可察的传递属性(“透射率”)，任何物料上的变化、结构上的缺陷或涂层中(或按情况是施加的层中)杂质的入侵皆会产生讯号对比，其可被分辨并被标记以供关注。例如，该对比可作为显示器上的尖峰被观看，该尖峰因从摄像机/探测器32的输出于基质检查的第一点相对基质检查的第二点产生较高的电压而产生。
对于被动探测，已进一步理解了，反射率不是所探测到的于毫米、亚毫米和微米波谱中的讯号分布的唯一贡献的组分；发射率亦是一因素。本发明的操作方法论中亦考虑到对于表面在毫米、亚毫米和微米波谱中的发射率的评测，这评测过程对被层或涂层覆盖的基质的锈蚀评估特别适用。但是摄像机/探测器32观察毫米、亚毫米和微米波带中的总功率讯号，因为被动反射率和发射率不能从对基质的区域的单一评估直接分辨出来。
对于由涂层或保护层覆盖的基质，发射率的评测永远都需要被测试的基质的表面和其周围环境具有温差。
在所观察的30GHz至30THz的频谱中的反射率和发射率组分可通过为基质加入于两个分别的测量之间的温差而被区分。于是，于在绝缘层下的管的例子中，可先在凉的液体流过管内的情况下将管显像，随后在热的液体流过管内的情况下将管显像。金属管会因热经过金属传导而快速达至热平衡，而包围的绝缘层会通过对流过程慢很多地达至热平衡。因此，建立温差后不久所见的对比度增强程度会提供指示，是基质的表面具有锈蚀，不是绝缘层带有具减低了的透射率的污染物。
最小的温差可以在一度摄氏的范围附近，不过温差可以是十多度，并优选地可以是数十以至数百度。更具体地，摄像机/探测器32和特别是相关的控制软件是被配置以对比不同时间下的基质区域，以让被测试的基质和其周围环境之间的相对温度变化可以被评估。这里特别注明，在具有表面缺陷，例如锈蚀的情况下，会观察到较高的发射率。在这方面，发射性放射源可以是基质本身，因为该基质可以代表处于第一温度中的外部涂层和处于另一中的流体之间的物理屏障(例如管)，涂层位于基质之外，流体接触着基质的内表面。
从评估发射率的方面看，具相反的温度标记的外部幅射源会增强对比。例如，处于冷的自然被动背景中的热管的对比度会比处于冷的背景中的冷管更高。这是因为相比任何无锈蚀的区域的较高反射率，该发射性缺陷会发射出更多的热讯号并反射更少冷讯号。对于热的背景中的冷管，以上同样适用。因此，对于处于升高了的温度的物料，该物料的相对发射率可被用以提供频谱上的对比，其指示当处有杂质或者基质有结构上的变动。
现有技术的系统遇到的这不利的镜面反射问题被解决了，因为优选实施方案的热幅射源于区域上是扩展的，并在讯号从而(例如从亚毫米幅射源)被发射往被调查的样本的源头和方向方面是大体上(甚至完全是)全向的或随机的。因此，无论摄像机/探测器于样本上方的位置如何，样本的弧度并不阻止被反射的电磁波进入摄像机的摄像孔阑。实际上，广角的幅射源意味着摄像机可同时观察圆柱型的一大部分；这大大地增加评估的速度同时减少成本并改进对于在典型工业环境中作现场测量的合适性。
从扩展的不相干的幅射源40的随机散射通过平均化减少镜面反射。实际上，发明人了解了，广角照明因此消除了入射至接收器中的探测列阵上的反射中磁通密度的增加所致的错误触发。
图6是用于辨识绝缘层下锈蚀(CUI)的另一优选的探测系统的示意图，该系统的配置特别适合于对样本的访及受到限制的局限空间环境。在图6中，在此注明，摄像机/探测器32(包括相关的控制电子件)是处于不相干的、扩展的幅射源40中的孔隙60后，扩展的幅射源40从随机散射的电磁波提供于毫米和亚毫米波长或低太赫兹频率的广角照明。在图6中，摄像机/探测器穿过扩展的幅射源中的孔洞观察，这允许两者皆沿摄像机的膛孔视线而置。
再者，对于某些应用，图3、5和6的扩展的幅射源可具有绕半径弯曲的表面，从而增加可同时观察的样本面积。
本发明的各实施方案中所采用的幅射源的性质提供了相比现有技术的重大优点，尤其是在观察非平面的表面，如管或直立的管的情况下。
因此，本发明的优选系统支援被动和主动照明，并且运作模式的改变可通过将该在当处的主动、不相干的广角幅射源激活(或不激活)选择。
图7示出图6的CUI探测系统的主动幅射源的一实施方案。在图6中，摄像机/探测器32位于扩展的加热元件70中形成的孔隙后方，加热元件70与电源72耦合。加热元件处于壳体74的后端，壳体具有孔隙76，从加热器的表面77发出的幅射可穿过该孔阑传播。至少一个馈电喇叭(典型地为多个馈电喇叭78、80)被固定于列阵中，其将该(些)馈电喇叭从加热器的表面物理上隔开。每个馈电喇叭78、80各被耦合至杂讯幅射源82，其提供具有毫米或亚毫米波长或低太赫兹频率的讯号。从馈电喇叭78、80散发出的电磁幅射因此被导引至加热器的表面77上并从该表面被随机反射往孔隙76方向，并因此往至被调查的样本，例如管12。因此，加热器70提供能量至从壳体74中的馈电喇叭78、80产生的随机和主动的杂讯环境。作为替代的配置，杂讯幅射源可被置于加热元件70后，以致毫米、亚毫米或微米波长的测试讯号穿过加热元件被发射。
图8是锈蚀评测系统的一优选接收器中的光学传送路径的示图。图8示出被调查的样本，该样本包括基质100和绝缘或保护层16，例如滞后物(lagging)或漆料。基质100包括完好的金属或金属复合物的区域104，和一点点锈蚀或结构缺陷14。入射的毫米或亚毫米波长的(或约30THz下的太赫兹频率的)电磁波102从基质被反射，而这些反射波106、108被镜反射，其优选地为电机控制的扫描镜110。可选的电机和关联的驱动器112耦合至任何扫描镜110，并提供倾斜和高低的控制。相衬的聚光镜114将从扫描镜(或同等的固定的镜)反射的电磁波116重新引导并作用以将反射的电磁波116往传感器聚焦，传感器例如为热电偶120和合适的毫米或亚毫米波长(或太赫兹频率)探测器122。因此，图7的安排允许对被调查的样本的多个特质的评估同时进行。例如，可通过分析相衬的波带得出辨识CUI或CUP的更高置信度，相衬的波带例如为辨识出基质上一热点的红外线锋值，和具有热点的该区域同时示出电阻率从预料的值或波谱分布偏离的变动。替代地，某些涂层于电磁频谱的红外线区域亦是部分地透明的，于是以红外线察见的异常特征，其可以是由表面结构或厚度的变化而不是锈蚀引致的，而如果该些异常特征于毫米、亚毫米波带和太赫兹频带中亦存在，便可直接将其归咎于锈蚀，增加了置信度。
从实用的角度看，使用外差混频器或低噪放大器的幅射计可作为在千兆赫兹频谱中的探测装置的基础。在较高频率中，可用量子级联激光器作为杂讯幅射源，并使用量子阱探测器和/或肖特基探测器达成探测(或显像)。可于毫米波长至数太赫兹的频谱中运作的探测装置是已知的，如于以下文章中概述了的：LaserFocusWorld中的“CMOSDETECTORS:Terahertzimagingachievedwithlow-costCMOSdetectors”(http://www.laserfocusworld.com/articles/2011/07/cmos-detectors-terahertz-imaging-achieved-with-low-cost-cmos-detectors.html)。
图9示出在例如图6的锈蚀评测系统所观察的讯号中具贡献的幅射组分的起源。当观察一物体，例如管的基质的时候，被动的毫米波、亚毫米波或太赫兹频率辐射计不能分辨出该物体的真实物理温度。它只能确定物体的有效温度(“Teff”)。图9示出以下参数之间的关系：
i)所测得的Teff；
ii)物体的物理温度To；
iii)环境的温度Te；
iv)物体后方背景的温度Tb；
v)物体的透射率t；
vi)物体的发射率∈；和
vii)物体的反射率ρ。
有效温度Teff数学上表达为：
Teff＝∈To+ρTe+tTb
各个实施方案的传感器(与探测器32)被安排以直接测量Teff，而假设环境、物体或背景的物理温度并不改变或者被分别监察，则Teff的任何变化将指出基质的反射率或发射率或任何中间层的透射率发生变化。任何或所有这些参数(任一或优选地至少任二的组合)皆可被用以指示覆盖层中存在缺陷或在下的金属的表面存在锈蚀。实际上，这些可测量的参数不需任何小心的仪器对准便可被遥距监察，而基质对比环境或背景任何温度的上升皆可因存在增强了的讯号而增加对比度，。类似地，对于复合材料，其内部结构可被调查，这是通过穿过样本地观察置于背景的目标，其被设于升高了或减低了的温度。
图10和11示出本发明一实施方案的锈蚀探测系统，其于评测某层下是否有锈蚀时运用了发射率。
在图9中，管12作用为热流体或热液体80的导管。管12被封于绝缘层16中，这则是由金属套件18固定。金属套件是不透光的，因此直接以毫米、亚毫米的微米的测试讯号(无论是由被动或主动幅射源递送的)作检查皆是无法穿过它的。但是，该金属套件可被破开以允许探测器在热和冷的传送情况下评测从管表面的发射率。该金属套件作用以将(于毫米、亚毫米之微米范围中的)电磁波81反射往接收器/探测器的接收锥。由于存在锈蚀时发射率增加–––图9中的箭头的相对阔度反映相对幅度–––所以当这样的结构异常(例如表面锈蚀)存在时，将探测器的输出88相对探测器相对管12的长度的位置绘出时，输出88中察见电压尖峰86。任何表面异常于圆周上的精确位置皆不能被辨出，因为从其个别来源点的角度而言，从金属套件18的内部表面的反射是不能被个别地分辨的。但是，通过将探测器沿管长扫描(如图10中表示)，于合适的参数图表中揭示了发射率相对位置的变动。
除了彼此相互排斥的个别设置以外，在此内描述的各个实施方案皆可被结合以在绝缘层下锈蚀(“CUI”)或漆料下锈蚀(“CUP”)或涂层下锈蚀(“CUC”)的有效评估和探测方面提升系统功能和/或产生互相衬托的功能。见于前文全面的说明，具技术的读者将简单地了解这样的结合。同样地，在较有限的功能设置为合适的情况下，各优选的实施方案的不同方面可以独立设置被实施。实际上，大家会理解，除非个别优选实施方案中的特征被指明是彼此不兼容的，或者上下文的意味是它们是彼此相互排斥的和并不易于以相衬和/或支援的意义结合，否则这公开的全部皆考虑和设想到，该些相衬的实施方案的个别特征可被选择性地结合以提供一个或多个全面的(但有点不同的)技术方案。例如，使用发射率以评测运载流体(尤其是加热了的流体)的管道中的结构异常，这是可和使用反射率的评测系统分别独立地实施，以辨识可能需进一步调查或维修的结构变异。
除非上下文要求较限定的诠释，否则CIC、CUC和CUI这些术语应被视为同等的，这是在于其各皆包括被保护涂层或保护层覆盖的基质。大家会理解，一般而言，任何这样的层的形状或其施加至基质的方式，对本发明的各实施方案的锈蚀或异常探测系统的运作是没影响的。
大家当然会理解，上文的说明只以例子形式提供，而于本发明的范围内可对细节作更改。在这说明的文义中，“基质”这术语会被了解为指代任何以适于由摄像机探测的程度反射毫米、亚毫米的太赫兹电磁波的基质，而“基质”这术语同时将大体上平的或弯曲的表面纳入考虑。“锈蚀”、“异常”和“异常”这些术语应被了解为是可互换的，并包括生产上的缺陷或由侵蚀或腐蚀带来的结构上的改变，而这些术语各皆应被广义地诠释，除非个别的文义要求较限定的诠释。因此，结构异常可指代瑕疵(包括裂纹和裂缝，穿透，孔隙度的变化，锈蚀，解散和脱层)，其可为在处于漆料和或其它形式的绝缘层或覆盖物之间的基质中或基质表面。
各实施方案的显像系统一般是基于处理器的，这是在于数据是被处理以供以可听或可视的显示呈现给操作者。但大家会理解，显像系统可只提供光学输出(没有数据处理)，这样的设置则会要求操作者作诠释，不过该显像系统是对微控制器或类似物的操作有反应的。
因此，本发明支援就地测试管道网络以作预防性维护，但该探测系统同样可被用为生产设施中的最终品控过程。

Claims (14)

1.一种方法，其用于探测被保护涂层或保护层覆盖的基质中或基质表面上的异常的存在，该方法包含：
观察从基质而来的反射，该些反射从第一不相干幅射源的广角照明产生的入射电磁波引起，该些入射电磁波具有毫米或亚毫米波长或具有约三十太赫兹以下的频率；
通过以下至少其一，辨识基质中的异常的存在：
对比在基质中的相邻区域所观察到的反射率；以及
将被测试的基质区域的所观察到的反射率和对于被测试的基质的该区域所预期的反射率参考数值作对比。
2.如权利要求1的方法，其中该第一不相干幅射源是被动幅射源，而该方法进一步包含：
观察从主动的不相干幅射源的广角照明产生的入射电磁波引起的从基质的反射，该主动的不相干幅射源和第一被动的不相干幅射源是不同的，从主动的不相干幅射而来的入射电磁波具有毫米或亚毫米波长或具有约三十太赫兹以下的频率；
通过对比从被动幅射源和主动幅射源所观察到的反射率频谱分布，辨识基质中的异常的存在。
3.如权利要求2的方法，其进一步包含：
以评测层或涂层的透射率评估基质上的层或覆盖基质的涂层的结构完整性，该评测将以被动幅射源和主动幅射源观察到的反射率频谱分布中的分别作对比；以及
如果从被动幅射源和主动幅射源所观察到的反射率频谱分布之间的透射率超过某阈值，则产生输出。
4.如权利要求2的方法，其进一步包含：
于两个不同温度确定从基质的发射率，以评估在该两不同温度之间是否发生了发射率的改变；以及
如果发射率的改变超过某预定阈值，则产生输出，该输出指示在基质内或基质表面上存在异常。
5.如权利要求4的方法，其中该幅射源和基质具温差，该温差为至少一百开尔文。
6.如权利要求1或2的方法，其中该第一不相干幅射源是被动幅射源，而所观察的反射是处于特定频带中的，对于该些频带，大气层的水分和氧气是透明的。
7.如权利要求6的方法，其中对反射的观察目标在于以下频率范围中的至少其一之中：
约30GHz和约60GHz之间；
约65GHz和约100GHz之间；
约120GHz和约157GHz之间；
约160GHz和约181GHz之间；
约185GHz和约270GHz之间；以及
约320GHz和约360GHz之间。
8.用于辨识处于层或涂层下的锈蚀的锈蚀探测系统，该锈蚀探测系统包含：
显像系统，其包括探测器，其被配置以在使用时探测从被测试的基质的反射率，所述反射率从基质由广角的不相干电磁波幅射源照明引起的，该些电磁波具有于约三十千兆赫兹和约30太赫兹之间的范围中的频率；以及
基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以呈现对于所探测的反射率之间的分别的指示，该分别为以下至少其中之一：
从基质多个不同区域评测到的反射率，其中反射率之间的分别指示锈蚀；和
在被测试的基质的某区域所观察到的反射率和对该被测试的基质的区域所预期的反射率参考值对比，其中所观察到的反射率相对反射率参考值的分别指示锈蚀。
9.如权利要求8的锈蚀探测系统，其中该显像系统是被配置以于至少一个特定频带中观察反射率，对于该些特定频带，大气层的水分和氧气是透明的：
10.辨识在被层或涂层覆盖的基质中的结构异常的探测系统，该探测系统包含：
显像系统，其包括被配置以在使用时接收和探测从被测试的基质的反射率的探测器，所述反射率从基质由广角的不相干电磁波幅射源照明引起的，该被配置以于特定频带中观察反射率，对于该些特定频带，大气层的水分和氧气是透明的；以及
基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以呈现对于所探测的反射率之间的分别的指示，该分别为以下至少其中之一的分别：
从基质多个不同区域评测的反射率，其中反射率之间的分别指示异常；和
在被测试的基质的某区域所观察到的反射率和对该被测试的基质的区域所预期的反射率参考值对比，其中所观察到的反射率相对反射率参考值的分别指示异常。
11.如权利要求10的探测系统，其进一步包含：
主动的不相干杂讯幅射源，其于使用时提供对被调查的基质的选定的广角照明，该主动的不相干杂讯幅射源产生以下至少其一：(i)毫米波长、(ii)亚毫米波长和(iii)具约30太赫兹以下频率的微米波长。
12.如权利要求11的探测系统，其中该基于处理器的评测系统被配置以：
将所述的主动不相干杂讯幅射源和所述的被动幅射源所产生的从基质的反射率的相对程度作对比；以及
如果在主动和被动幅射源下被评测的反射率的可测量参数的对比产生超过某预定阈值的分别，则产生指示，指示基质中有异常存在。
13.如权利要求13的探测系统，其中该基于处理器的评测系统被进一步配置以提供对被测试的基质上的层或覆盖该基质的涂层的结构完整性的置信度的指示，该指示基于评测穿过该层或涂层的透射率，该评测是将使用被动幅射源和主动幅射源时所观察到的反射率频谱分布之间的分别作对比。
14.辨识在被层或涂层覆盖的基质中的结构异常的探测系统，该探测系统包含：
显像系统，其包括探测器，其被配置以在使用时接收并探测从被测试的基质散发的电磁频率，所述探测器被配置以观察于约30GHz和30THz之间的范围内的电磁频率；以及
基于处理器的评测系统，其对显像系统有反应，该基于处理器的评测系统被配置以辨识从被测试的基质的所评估的发射率的分别，这是基于在至少两个测试温度中观察和评测被测试的基质的发射率，两个测试温度皆是相对背景温度不同的；
其中如果发射率的分别超过某预定阈值，处理器则产生输出，该输出指示基质内或基质表面上存在异常。
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