CN113820360B - 一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，包括以下步骤：步骤10：将瞬时频率在单个子脉冲内呈线性变化，且在单个子脉冲间进行二元相位调制信号作为激励信号，发射所述激励信号对待测样品进行加热；步骤20：利用红外热像仪获取待测样品表面的热回波信号；步骤30：将热波回波信号进行匹配滤波处理，得到匹配滤波输出信号并利用先进后处理算法进行特征提取及缺陷定量化表征。本发明方法结合了单一的线性调频信号与单一的二进制相位编码信号的优点，具有较强的抗干扰性能和较好的脉冲压缩质量，可应用于复合材料、生物组织的高分辨率光热无损检测，因此对于工业复合材料、生物医学领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及多物理场无损检测技术领域，尤其涉及一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法。
背景技术
脉冲压缩热成像技术由于具有高信噪比、大的动态探测深度，已被用于碳纤维等工业复合材料、牙齿等生物组织的无损检测，该技术即使在仅使用低功率外部激励源情形下，也能显著提高信噪比和增大热成像的探测范围/深度分辨率，因此通常不会对待测样品表面产生热损伤。然而，距离/深度分辨率是制约脉冲压缩热成像技术发展的主要瓶颈，目前，可通过施加合适的激励波形和采用合适的后处理算法来进一步提高脉冲压缩热成像的分辨率，此外，所施加激励波形能够在实际应用中简易实施也是所要考虑的重要因素。因此，探索新的激励波形对于实现高分辨率脉冲压缩热成像具有重要的应用价值。
目前，脉冲压缩热成像技术中通常采用线性调频激励波形和相位调制巴克码激励波形。线性调频激励波形可实现动态探测，但其匹配滤波输出通常具有较高的旁瓣，不利于高分辨率脉冲压缩热成像；巴克码相位调制激励波形具有很好的抗噪性能，但其探测深度范围通常比较有限。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤10：设计瞬时频率在单个子脉冲内呈线性变化，且在单个子脉冲间进行二元相位调制的正交相位编码线性调频信号作为激励光源的发射波形，并将其通过信号发生器向待测样品发射；
步骤20：获取待测样品表面的热回波信号；
步骤30：对所述步骤20中所获取的待测样品表面热回波信号进行匹配滤波处理，得到待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号；
步骤40：根据所述步骤30中得到的匹配滤波输出信号，得到高分辨率的光热脉冲压缩热成像。
进一步的，在所述步骤30和步骤40之间还包括步骤35：利用窗函数抑制待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出信号。
进一步的，所述步骤10中的正交相位编码线性调频激励波形信号s(t)为：
式中，fOPCLFM(t)＝f1+(f2-f1)/T′·t表示瞬时频率，k＝(f2-f1)/T′表示频率调制斜率，f1表示起始频率，f2表示终止频率，T′表示激励持续时间，C为二进制相位编码，m为单个子脉冲的数目，P表示码元系数；其中，m取13，此时C＝[1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1]，
fc为中心频率。
进一步的，根据权利要求3所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：所述步骤30的匹配滤波输出信号R(τ)为：
式中，T为热回波信号，τ为时间延迟。
进一步的，所述步骤35中的窗函数为凯瑟窗函数。
进一步的，所述步骤10中的待测样品为工业复合材料或生物组织。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明的匹配滤波输出由于具有较低的旁瓣和较窄的主峰，结合了单一的线性调频信号与单一的二进制相位编码信号的优点，具有很好的抗噪性能，其探测深度范围较深，因此展现出很高的信噪比和深度分辨率。2、凯瑟(Kaiser)窗函数的引入可进一步抑制其匹配滤波输出的旁瓣，可实现高分辨率光热脉冲压缩热成像。3、本发明具有普适性，不仅可应用于碳纤维复合材料的光热无损检测，还可用于牙齿等生物组织的高分辨率光热无损表征。
附图说明
图1为本发明步骤原理图；
图2为碳纤维增强复合板的正交相位编码线性调频激励波形与理想状态下的热回波信号波形图；
图3为碳纤维增强复合板表面正交相位编码线性调频激励热回波信号的不加窗函数和加窗函数匹配滤波输出对比图；
图4为图3的局部放大图；
图5为碳纤维增强复合板的线性调频激励波形与理想状态下的热回波信号；
图6为碳纤维增强复合板表面线性调频激励热回波信号的不加窗函数和加窗函数匹配滤波输出对比图；
图7为图6的局部放大图；
图8为碳纤维增强复合板的巴克码相位调制激励波形与理想状态下的热回波信号；
图9为碳纤维增强复合板表面巴克码相位调制激励热回波信号的不加窗函数和加窗函数匹配滤波输出对比图；
图10为图9的局部放大图。
具体实施方式
为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，包括如下步骤：
步骤10：设计瞬时频率在单个子脉冲内呈线性变化，且在单个子脉冲间进行二元相位调制的正交相位编码线性调频信号作为激励光源的发射波形，并将其通过信号发生器向待测样品发射，该激励波形信号s(t)为：
式中，fOPCLFM(t)＝f1+(f2-f1)/T′·t表示瞬时频率，k＝(f2-f1)/T′表示频率调制斜率，f1表示起始频率，f2表示终止频率，T′表示激励持续时间，C为二进制相位编码，m为单个子脉冲的数目，P表示码元系数；其中，m取13，此时C＝[1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1]，
fc为中心频率；
步骤20：获取待测样品表面的热回波信号；
步骤30：对步骤20中所获取的待测样品表面热回波信号进行匹配滤波处理，得到待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号R(τ)，
式中，T为热回波信号，τ为时间延迟；
步骤35：利用合适的窗函数进一步抑制待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出信号。
步骤40：根据步骤35中得到的匹配滤波输出信号，得到高分辨率的光热脉冲压缩热成像。
优选地，步骤35中的窗函数为凯瑟窗函数；步骤10中的待测样品既可以为热障涂层类多层复合结构或玻璃纤维复合材料等工业复合材料，也可以是生物医学领域的牙齿、羊骨等生物组织。
下面结合具体的实施例进一步说明本发明的方法：
本实施例研究对象为单层厚度为0.2mm，总厚度为3.2mm的碳纤维增强聚合板，其热扩散率为α＝6.16×10-7m2/s，热传导率为k＝0.46W/mK。
步骤10：为了与13位巴克码激励波形相对应，中心频率fc＝0.1Hz被定义，因此，线性调频波形与正交相位编码线性调频激励波形的起始频率f1＝0.1×(1-0.33)Hz，终止频率f2＝0.1×(1+0.33)Hz，激励持续时间T′＝130s。利用式(1)设计瞬时频率在单个子脉冲内呈线性变化，且在单个子脉冲间进行二元相位调制的正交相位编码线性调频激励波形，如图2中实线所示，所获得的理想状态下的无噪声热回波信号如图2中虚线所示。
其中，fOPCLFM(t)＝f1+(f2-f1)/T′·t表示瞬时频率，k＝(f2-f1)/T′表示频率调制斜率，C为二进制相位编码，m为单个子脉冲的数目，P表示码元系数，其中m取13，此时，C＝[1,11,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1],
步骤20：获取碳纤维增强聚合板表面的热回波信号。
步骤30：利用式(2)对碳纤维增强聚合板表面热回波信号进行匹配滤波处理，得到碳纤维增强聚合板表面热回波信号的匹配滤波输出信号R(τ)，如图3和图4中虚线所示。
步骤35：利用凯瑟(Kaiser)窗函数进一步抑制热回波信号的匹配滤波输出的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出波形，如图3和图4中实线所示，其旁瓣水平由-47.52dB降为-49.56dB。
为了能够更好的说明上述实施例的优点，现设置以下两组对比例。
对比例1：
步骤1：将线性调频信号作为激励信号，向碳纤维增强聚合板发射激励信号加热；激励信号的波形如图5中实线所示；该线性调频激励波形的起始频率f1＝0.1×(1-0.33)Hz，终止频率f2＝0.1×(1+0.33)Hz，激励持续时间T′＝130s；所获得的理想状态下的无噪声热回波信号如图5中虚线所示。
步骤2：利用式(2)将热回波信号进行匹配滤波处理，得到匹配滤波输出信号，如图6和图7中虚线所示。
步骤3：利用凯瑟(Kaiser)窗函数进一步抑制热回波信号的匹配滤波输出的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出波形，如图6和图7中实线所示，其旁瓣水平由-30.56dB降为-31.17dB。
对比例2：
步骤1：将中心频率f＝0.1Hz的13位相位调制巴克码波形作为激励信号，向碳纤维增强聚合板表面发射激励信号，对碳纤维增强聚合板进行加热；激励信号的波形如图8中实线所示，所获得的理想状态下的无噪声热回波信号如图8中虚线所示。
步骤2：利用式:2)将热回波信号进行匹配滤波处理，得到匹配滤波输出信号，如图9和图10中虚线所示。
步骤3：利用凯瑟窗函数进一步抑制热回波信号的匹配滤波输出的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出波形，如图9和图10中实线所示，其旁瓣水平由-50.21dB降为-52.51dB。
对比实施例与对比例1：采用线性调频激励波形得到的热回波信号波形的旁瓣水平为-30.56dB，即使利用凯瑟窗函数进一步抑制热回波信号的匹配滤波输出的旁瓣后仍为-31.17dB，效果不是很理想；而采用本发明的方法得到的热回波信号波形的旁瓣水平为-47.52dB，进一步利用凯瑟窗函数后，其旁瓣水平再降低为-49.56dB，因此，本发明相比对比例1，其热回波信号的旁瓣明显更低，具有更强的抗噪性能。
对比实施例与对比例2：虽然采用巴克码相位调制激励波形的热回波信号相比本发明具有更好的旁瓣水平，但是巴克码相位调制激励波形对待测样品的探测深度范围有限，需要进行多次单频检测；而本发明波形可动态调制热扩散深度，因此可避免巴克码波形的多次单频检测，实现碳纤维增强复合板缺陷的一次性可靠检测，大大提高检测效率。
上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤10：设计瞬时频率在单个子脉冲内呈线性变化，且在单个子脉冲间进行二元相位调制的正交相位编码线性调频信号作为激励光源的发射波形，并将其通过信号发生器向待测样品发射；
步骤20：获取待测样品表面的热回波信号；
步骤30：对所述步骤20中所获取的待测样品表面热回波信号进行匹配滤波处理，得到待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号；
步骤40：根据所述步骤30中得到的匹配滤波输出信号，得到高分辨率的光热脉冲压缩热成像。
2.根据权利要求1所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：在所述步骤30和步骤40之间还包括步骤35，
步骤35：利用窗函数抑制待测样品表面热回波信号的匹配滤波输出信号的旁瓣，以得到旁瓣更低的匹配滤波输出信号。
3.根据权利要求2所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：所述步骤10中的正交相位编码线性调频激励波形信号s(t)为：
式中，fOPCLFM(t)＝f1+(f2-f1)/T′·t表示瞬时频率，k＝(f2-f1)/T′表示频率调制斜率，f1表示起始频率，f2表示终止频率，T′表示激励持续时间，C为二进制相位编码，m为单个子脉冲的数目，P表示码元系数；其中，m取13，此时C＝[1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1]，
fc为中心频率。
4.根据权利要求3所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：所述步骤30的匹配滤波输出信号R(τ)为：
式中，T为热回波信号，τ为时间延迟。
5.根据权利要求4所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：所述步骤35中的窗函数为凯瑟窗函数。
6.根据权利要求5所述一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法，其特征在于：所述步骤10中的待测样品为工业复合材料或生物组织。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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