CN107782748B - 基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，包括微波激励装置和热成像监测装置；微波激励装置包括微波信号发生器、微波信号放大器、微波激励传感器和吸波材料；热成像监测装置包括热像仪、数据采集处理装置；数据采集处理装置分别与微波信号发生器和热像仪连接，从而获得被测物的温度变化数据。该基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统能够解决对不同类型缺陷进行快速成像和分离，突出缺陷范围热空间模式特征提取，解决了邻近缺陷由于温度混叠无法定位、分离和亚表面缺陷损伤面积难以有效量化问题；解决了对缺陷的自动分离问题，能对不同能量的撞击缺陷和损伤面积进行快速成像。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微波加热的红外成像缺陷检测系统及其检测方法，具体涉及基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统及检测方法，属于无损检测、医学成像和目标探测技术领域。
背景技术
主动式红外热成像检测具有非接触、结果直观、检测面积大、检测速度快、对分层缺陷敏感、深度定量等优点。传统的主动式热成像无损检测主要采用光学加热方式，只能对被检材料的表面进行直接加热，内部需依靠热传导方式进行加热。
近年来，体积或内部加热方式已引起人们的重视，由此催生了新的主动式热成像检测技术，如超声波热成像检测技术、涡流热成像检测技术和微波热成像(MicrowaveThermography，MT)检测技术。超声波热成像检测技术是接触式的，且要求被检对象位置固定，还受共振频率的干扰。涡流热成像检测技术虽然是非接触式的，但是受激励线圈形状影响，非均匀加热现象非常严重。
在授权公告号为CN105021697B的中国发明专利文献中公开了一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置。所述方法包括获取热声图像、获取声速分布图像和鉴别异物类型三个步骤。低密度异物在脉冲微波激发源激发下，能够吸收微波能量产生热声效应并释放出热声信号，利用重建热声图像可以实现异物大小、形状和位置的检测。当异物与周围物质密度不同时，热声波在其中的传播速度及穿透特性也会随着变化，通过重建异物声速分布图像即可实现异物的种类鉴别。
该低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置运行时，由于脉冲微波激发的热声波是一种位于超声频段的机械波，实际上还是一种超声波，而超声波热成像检测技术是接触式的，且要求被检对象位置固定，还受共振频率的干扰。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，能够解决对不同类型缺陷进行快速成像和分离，突出缺陷范围热空间模式特征提取，解决了邻近缺陷由于温度混叠无法定位、分离和亚表面缺陷损伤面积难以有效量化问题；解决了对缺陷的自动分离问题，能对不同能量的撞击缺陷和损伤面积进行快速成像。
本发明的另一个目的在于提供基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统的检测方法。
本发明的技术方案如下：
方案一
基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，其特征在于：包括微波激励装置和热成像监测装置；微波激励装置包括微波信号发生器、微波信号放大器微波激励传感器和吸波材料；热成像监测装置包括热像仪和数据采集处理装置；数据采集处理装置分别与微波信号发生器和热像仪连接，从而获得被测物的温度变化数据。
其中，所述微波激励传感器(3)采用喇叭天线和矩形开口波导。
方案二
基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统的检测方法，采用方案一所述的基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，该检测方法包括以下步骤：
S1：微波信号发生器向微波信号放大器输出微波信号；
S2：微波信号放大器将微波信号放大后通过微波激励传感器辐射到被测物上；
S3：采用热像仪记录被测物的表面温度变化，并传送给数据采集处理装置；
S4：数据采集处理装置采集热像仪记录的温度信号并处理得到单信道转换多信道盲源热图空间及时频域，从而获得被测物的表面和内部的缺陷信息。
其中，步骤S4包括以下子步骤：
S4-1:将热像仪视为单信道盲源混合信号接收器；根据计算得到t时间点盲源混合热图空间及时频域；其中，t＝1,2,...,T是热像仪检测时间，Y(t)为S＝Nx×Ny维矩阵，其中，s＝1,2,...,S表示空间位置，描述了在t时间点各盲源区信号在混合信号中所占权值；
S4-2:根据
计算得到单信道线性盲源热图空间及时频域；
S4-3:根据计算得到单信道转换多信道盲源热图空间及时频域，从而获得被测物的表面和内部的缺陷信息；其中，Xi(t)表示第i个盲源区信号，N(t)假设为具有高斯分布特征杂波信号，Ns表示盲源总数，vec()表示向量转换，mi是ith混合参数向量，M＝[m1,...,mN]是盲源混合参数矩阵。
本发明具有如下有益效果：
1、微波热成像检测技术采用微波进行加热，具有一些独特的优势：1)微波在不连续的界面会产生反射、散射、透射，加强了对复合材料表面和亚表面缺陷检测的效果；2)微波加热均匀性好，加热效率高，速度快，能在短时间内达到加热效果；3)微波加热的热惯性小，易于实现不同函数调制的加热方式。与其他无损检测方法相比，微波热成像的优点还包括：1)与超声检测相比较，微波加热不需要耦合剂，可实现非接触检测；2)与电磁检测相比较，由于微波传播和红外辐射具有方向性，可实现远距离大范围的图像化和自动化检测；3)与射线检测相比，微波对人体和环境的辐射性危害低。
2、针对现有风电叶片无损检测中存在的问题及现有微波热成像检测技术的不足，本发明提出面向风电叶片复合材料的微波热成像缺陷定量检测方法，其基本思路是：1)利用微波对玻璃纤维复合材料进行体积式加热，对碳纤维复合材料进行表面式加热；2)微波加热产生的热量将在复合材料中传导，缺陷将直接影响热量的产生或传导过程，进而影响复合材料表面的温度场；3)采用热像仪记录被检材料表面变化的温度场，通过离散傅里叶变换获得频域的相位谱，提取特征值，建立缺陷深度的定量方法；4)通过研究不同类型缺陷在微波热空间及时频域稀疏分布特征，建立微波热成像自适应稀疏控制的矩阵分解算法，并用于缺陷类型的自动分离和损伤面积定量。
3、本发明具有以下优点：1)检测效率较高，可一次检测大范围区域；2)作用距离远，加热均匀，对被检物体无损害；3)可从被检物体内部进行加热，有利于缺陷的检测和深度定量；4)采用自适应稀疏控制的矩阵分解算法处理热图像序列，提高缺陷快速成像、自动分离和损伤面积定量能力。
4、本发明立足于风电领域的实际需求，充分结合复合材料本身的特点，具体有益效果表现在：
1)阐述属性变化和缺陷深度对多物理场的影响规律，实现了复合材料的微波热成像缺陷定量评估；
2)对不同脉冲形式微波加热之后的瞬态温度信号进行频域的特征值提取，建立内部缺陷的深度定量反演方法；
3)提出采用自适应稀疏方法处理微波热成像获得的图像序列，建立缺陷快速成像、自动分离和损伤面积定量方法。
可应用于复合材料板材生产和风电叶片制造过程中的质量控制，并将在风电叶片等复合材料构件的在役检测和维护中发挥重要作用。
附图说明
图1是本发明的基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统的结构示意图。
图2是本发明的基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统的微波热成像单信道盲源混合数学表达式
附图说明：
1-微波信号发生器、2-微波信号放大器、3-微波激励传感器、4-吸波材料、5-热像仪、6-数据采集处理装置、7-被测物。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
如图1所示，基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，包括微波激励装置和热成像监测装置；微波激励装置包括微波信号发生器1、微波信号放大器2、微波激励传感器3和吸波材料4；热成像监测装置包括热像仪5和数据采集处理装置6；数据采集处理装置分别与微波信号发生器和热像仪连接，从而获得被测物的温度变化数据。
优选的，所述微波激励传感器3采用喇叭天线和矩形开口波导。
以下做具体说明：
微波激励装置包括微波信号发生器1(拟用ROHDE&SWHARZ SMF100A)、微波信号放大器2(拟用Agilent 83006A)和微波激励传感器3(拟用微波天线如：喇叭天线ETS-Lindgrens Model 3117和矩形开口波导如：WR-90、WR-42)、吸波材料4等。采集处理装置分别与微波信号发生器1和热像仪5连接，从而获得试件测试时的温度变化数据。热成像监测装置包括热像仪5、数据采集处理装置、支架等其它辅助设备。
以采用喇叭天线的微波激励装置为例，本发明检测系统工作流程是：首先，微波信号发生器受数据采集处理装置触发向信号放大器输出微波信号；其次，信号放大器将微波信号放大后输出到喇叭天线，喇叭天线将微波信号辐射到被测物体上，如果被测物为碳纤维材料，被测物体表面在微波场作用下产生热并在被测物内部传导；最后，采用红外热像仪记录被测物的表面温度变化，就可以获得其表面和内部的缺陷信息。如果被测物为玻璃纤维复合材料，则微波场将对整个被测物进行体积式加热，直接采用红外热像仪记录被测物的温度变化，就可以获得其表面和内部的缺陷信息；如果被测物体为碳纤维复合材料，微波场对被测物进行涡流加热，只有被测物的表面被加热，需要利用红外热像仪和热传导来获得其内部缺陷信息。
热像仪测量的温度变化是由被测材料属性、热属性、表面属性和微波场等参数共同引起的。如何从微波热成像记录的温度信号中提取合适的特征值并表征缺陷种类是一个关键问题。
本发明拟通过研究各类缺陷多状态模式下微波热空间及时频域分布特征，将热成像仪视为单信道盲源混合信号接收器，从数学建模出发，假设t＝1,2,...,T是热像仪检测时间，在t时间点盲源混合热图空间及时频域混合模型的数学表达式：Y(t)为S＝Nx×Ny维矩阵，且s＝1,2,...,S是表示空间位置，描述了在t时间点各盲源区信号在混合信号中所占权值。因此，理想条件下单信道线性盲源混合数学模型如图2所示。利用分解方法(Decomposition-based)的单信道转换多信道盲源混合模型架构方法解决数学病态问题，以上数学表达式可以简化为：
其中Xi(t)表示第i个盲源区信号，N(t)假设为具有高斯分布特征杂波信号，Ns表示盲源总数，vec()表示向量转换，mi是ith混合参数向量，M＝[m1,...,mN]是盲源混合参数矩阵。
以此为基础，建立了针对微波热成像缺陷损伤特征的稀疏盲源混合数学模型,以多维模式特征方式解决人为选择和单维特征表征缺陷的检测准确度和表征唯一性不足问题。本发明的自适应稀疏处理图像序列的方法解决了对不同类型缺陷进行快速成像和分离，突出缺陷范围热空间模式特征提取，解决了邻近缺陷由于温度混叠无法定位、分离和亚表面缺陷损伤面积难以有效量化问题；解决了对缺陷的自动分离问题，能对不同能量的撞击缺陷和损伤面积进行快速成像。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，其特征在于：包括微波激励装置和热成像监测装置；微波激励装置包括微波信号发生器(1)、微波信号放大器(2)、微波激励传感器(3)和吸波材料(4)；热成像监测装置包括热像仪(5)和数据采集处理装置(6)；数据采集处理装置分别与微波信号发生器和热像仪连接，从而获得被测物的温度变化数据；
如果被测物为碳纤维材料，被测物表面在微波场作用下产生热并在被测物内部传导；如果被测物为玻璃纤维复合材料，则微波场将对整个被测物进行体积式加热；如果被测物为碳纤维复合材料，微波场对被测物进行涡流加热；
其中，数据采集处理装置执行以下步骤：
将热像仪视为单信道盲源混合信号接收器；根据计算得到t时间点盲源混合热图空间及时频域；其中，t＝1,2,...,T是热像仪(5)检测时间，Y(t)为S＝Nx×Ny维矩阵，其中，s＝1,2,...,S表示空间位置，描述了在t时间点各盲源区信号在混合信号中所占权值；
根据
计算得到单信道线性盲源热图空间及时频域；
根据到单信道转换多信道盲源热图空间及时频域，从而获得被测物(7)的表面和内部的缺陷信息；其中，Xi(t)表示第i个盲源区信号，N(t)假设为具有高斯分布特征杂波信号，Ns表示盲源总数，vec()表示向量转换，mi是ith混合参数向量，M＝[m1,...,mN]是盲源混合参数矩阵。
2.如权利要求1所述的基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，其特征在于：所述微波激励传感器(3)采用喇叭天线和矩形开口波导。
3.基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统的检测方法，其特征在于：
采用如权利要求1所述的基于矩阵分解的微波热成像无损检测系统，该检测方法包括以下步骤：
S1：微波信号发生器(1)向微波信号放大器(2)输出微波信号；
S2：微波信号放大器(2)将微波信号放大后通过微波激励传感器(3)辐射到被测物(7)上；
如果被测物为碳纤维材料，被测物表面在微波场作用下产生热并在被测物内部传导；如果被测物为玻璃纤维复合材料，则微波场将对整个被测物进行体积式加热；如果被测物为碳纤维复合材料，微波场对被测物进行涡流加热；
S3：采用热像仪(5)记录被测物(7)的表面温度变化，并传送给数据采集处理装置(6)；
S4：数据采集处理装置(6)采集热像仪(5)记录的温度信号并处理得到单信道转换多信道盲源热图空间及时频域，从而获得被测物(7)的表面和内部的缺陷信息；
步骤S4包括以下子步骤：
S4-1:将热像仪(5)视为单信道盲源混合信号接收器；根据计算得到t时间点盲源混合热图空间及时频域；其中，t＝1,2,...,T是热像仪(5)检测时间，Y(t)为S＝Nx×Ny维矩阵，其中，s＝1,2,...,S表示空间位置，描述了在t时间点各盲源区信号在混合信号中所占权值；
S4-2:根据
计算得到单信道线性盲源热图空间及时频域；
S4-3:根据到单信道转换多信道盲源热图空间及时频域，从而获得被测物(7)的表面和内部的缺陷信息；其中，Xi(t)表示第i个盲源区信号，N(t)假设为具有高斯分布特征杂波信号，Ns表示盲源总数，vec()表示向量转换，mi是ith混合参数向量，M＝[m1,...,mN]是盲源混合参数矩阵。
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