CN117054346A - 一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，包括待测物体、脉冲激励模块、超声信号采集模块和散斑干涉模块，脉冲激励模块和散斑干涉模块位于待测物体的两侧，超声信号采集模块位于待测物体上方；脉冲激励模块发射激光照射待测物体的第一表面，使待测物体内部产生载波超声信号并传播至第二表面，采用超声信号采集模块采集载波超声信号；散斑干涉模块发出的第一光束和第二光束发生干涉后得到时序散斑干涉图；基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。与现有技术相比，本发明具有提高层析重建精确性、确保物体内部信息完整性的优点。

Description

一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统及方法

技术领域

本发明涉及物体内部缺陷检测与成像领域，尤其是涉及一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统及方法。

背景技术

数字散斑干涉检测技术记录粗糙物体表面漫反射产生的散斑场，通过物体变形前后产生的不同散斑干涉条纹图得到物体变形信息。而涉及到检测物体内部缺陷时，无法通过单独使用该技术实现，需要寻求一种高效稳定的载波信号载波内部缺陷信息至表面。光声成像技术基于光声效应，其基本过程是脉冲激光照射在被测样本上，样本表面或内部的吸收团吸收激光能量导致温度升高，当激光激励消失后吸收团温度降低，短时间内的温度变化导致吸收团体积产生膨胀、收缩，从而产生超声波并向外辐射。因此该超声信号可作为携带被测物体内部信息的载波信号被数字散斑干涉检测技术利用，并结合相应算法对被测物体内部声场分布进行重建，实现缺陷检测与层析成像。三维傅里叶变换算法的基本思想在于将二维的频谱图像在时间域上堆叠形成三维频谱图像，利用复声振幅与散斑相位的数学关系求解不同时刻不同位置的声振幅，再利用由高速相机得到的序列散斑图像进行声场重建，得到物体内部声场分布。声振幅会由于缺陷的存在而发生变化，因此在声场中容易定位缺陷的具体位置。

中国专利CN112881297B公开了一种基于光声互耦技术的散斑干涉检测系统及方法，该方法利用脉冲激光激励待测物体产生载波超声并扩散到表面，以连续激光散斑干涉记录物体表面位移形变的散斑图，基于脉冲时序匹配方法和时域压缩记录方法实现重建。该专利提供的原位无损检测方法可以从原理上避开数据采集过程中需要传感器与文物进行接触测量的弊端，但是，该专利并未涉及如何对文物内部进行层析重建。因此，如何精确、完整地重建物体内部声场分布、实现层析检测成为本领域有待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统及方法，能够提高层析重建的精确性，确保物体内部信息的完整性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

根据本发明的第一方面，提供一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，包括待测物体、脉冲激励模块、超声信号采集模块和散斑干涉模块，所述脉冲激励模块和散斑干涉模块位于待测物体的两侧，所述超声信号采集模块位于待测物体上方，所述散斑干涉模块包括测量单元和接收显示单元；

所述脉冲激励模块发射激光照射待测物体的第一表面，使待测物体内部产生载波超声信号并传播至第二表面，其中，第二表面位于接收单元视角范围的中心；

所述超声信号采集模块用于采集并处理待测物体内部传播的载波超声信号；

所述测量单元发出第一光束和第二光束，第一光束传播至待测物体的第二表面后反向传播，与第二光束共同被接收显示单元接收并发生干涉，得到时序散斑干涉图，基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。

作为优选的技术方案，所述利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场的过程包括：基于相位变化和超声复振幅，计算得到不同位置对应的声振幅，重建待测物体内部声场；其中，相位变化通过处理时序散斑干涉图得到，超声复振幅通过处理超声载波信号得到。

作为优选的技术方案，所述脉冲激励模块包括脉冲激光器、光电快门、扩束器和准直镜，所述脉冲激光器发射的激光依次经过光电快门、扩束器和准直镜后照射至待测物体的第一表面；

所述超声信号采集模块包括空气耦合换能器；

所述测量单元包括连续波激光器、光纤分束器、衰减片、分光棱镜、光阑和双胶合凸透镜，所述接收显示单元包括高速相机，所述连续波激光器外接光纤分束器，分别发出第一光束和第二光束，第一光束反向传播后依次经过双胶合凸透镜、光阑和分光棱镜后被高速相机接收，所述第二光束依次经过衰减片和分光棱镜后被高速相机接收。

作为优选的技术方案，所述脉冲激光器、光电快门、空气耦合换能器和高速相机为同步控制。

作为优选的技术方案，所述脉冲激光器的波长为1064nm。

作为优选的技术方案，所述高速相机的采集帧率至少为500fps，并且曝光时间至少为2ms。

作为优选的技术方案，所述连续波激光器为单纵模半导体型，所述脉冲激光器的脉宽为10ns。

作为优选的技术方案，所述空气耦合换能器的中心频率为2MHz。

作为优选的技术方案，所述待测物体、脉冲激励模块和散斑干涉模块放置于阻尼光学平台上。

根据本发明的第二方面，提供一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采集并处理待测物体内部传播的载波超声信号，其中，载波超声信号通过激励待测物体的第一表面产生，并传播至待测物体的第二表面；

接收并处理时序散斑干涉图，其中，时序散斑干涉图由第二光束和反射后的第一光束发生干涉得到；

基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用三维傅里叶变换算法进行层析重建，利用散斑相位与声场复振幅的数学关系重建声场分布，时间精度高，可定量分层可视化缺陷位置；

2、本发明将脉冲激光和采集散斑干涉设置在待测物体的两侧，实现光声信号在待测物体内部传播，折射和散射更低，能够降低能量损耗，有效载波待测物体内部缺陷信息至待测物体表面，从而显著提高被测物体内部的强度信息重建的完整性；

3、本发明采用数字散斑干涉技术进行测量，具有高度灵敏性、全场性和无材质选择性。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明系统的操作流程示意图；

图3为本发明提出的三维傅里叶变换算法的处理流程示意图；

图4为本发明提出的三维傅里叶变换算法的处理原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种光声耦合散斑干涉的层析检测系统，包括待测物体8、脉冲激励模块101、超声信号采集模块102和散斑干涉模块103，脉冲激励模块101和散斑干涉模块103位于待测物体8的两侧，超声信号采集模块102位于待测物体8上方，散斑干涉模块103包括测量单元和接收显示单元。脉冲激励模块101包括脉冲激光器12、光电快门11、扩束器10和准直镜9，超声信号采集模块102包括空气耦合换能器13，测量单元包括连续波激光器1、光纤分束器2、衰减片3、分光棱镜5、光阑6和双胶合凸透镜7，接收显示单元包括高速相机4。使用脉冲激光器12发射激光，依次经过光电快门11、扩束器10和准直镜9后照射至待测物体8的第一表面，使待测物体8内部产生载波超声信号并传播至第二表面，使用空气耦合换能器13采集并处理该载波超声信号，其中，第二表面位于高速相机4视角范围的中心。在本实施例中，第一表面为待测物体8的后表面，第二表面为待测物体8的前表面。将连续波激光器1外接光纤分束器2，分别发出第一光束和第二光束，第一光束传播至待测物体的前表面后发生漫反射并反向传播，依次经过双胶合凸透镜7、光阑6和分光棱镜5后被高速相机接收，第二光束依次经过衰减片3和分光棱镜5后被高速相机4接收。待测物体8前表面发生形变，第一光束和第二光束发生干涉并被高速相机4接收显示，得到时序散斑干涉条纹图像。同时，待测物体8内部传播的载波超声信号被空气耦合换能器13采集。对时序散斑干涉条纹图像和载波超声信号处理后，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。

如图2所示，本实施例提供的系统具体操作流程如下：

步骤S1：将待测物体8、脉冲激励模块101、超声信号采集模块102和散斑干涉模块103按照图1所示放置在阻尼光学平面台上，同时搭建好测量系统的光路；开启阻尼光学平台的减震系统、连续激光器1的电源和脉冲激光器12的电源；调整扩束器10、准直镜9和脉冲激光器12，保证脉冲激光照射的检测区域对应的前表面位于高速相机4的视角范围的中心；

步骤S2：设置同步控制参数，保证空气耦合换能器13、脉冲激光器12、光电快门11、高速相机4同时开始工作，具体包括以下步骤：

S201，设置脉冲激光器12的功率参数，主要包括脉冲激光的电压、功率比例、重复频率、脉宽(保持在10ns)，同时保证单脉冲能量不会损伤被测物体的表面；在完成步骤S201之后，保持光电快门11为闭合状态，以保证待测物体8在检测开始前不会受到激发，并打开脉冲激光器12进行预热；

S202，打开连续波激光器1和高速相机4的控制软件，设置相机帧速率为500FPS，设置曝光时间为2ms，采集此时待测物体8前表面的散斑干涉图像，作为后续分析处理的原始图像；

步骤S3：待步骤S201中脉冲激光器12预热完成后，打开同步控制；待采集完成后，关闭脉冲激光器12与连续波激光器1，对采集到的散斑干涉图像和载波超声信号进行处理，得到相位变化与超声复振幅；

步骤S4：重复步骤S3，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体8内部声场分布并进行层析成像。

如图3所示，步骤S4中三维傅里叶变换方法的具体处理流程如下：

步骤S401，在三维空间中对第t时刻第i张散斑干涉图像进行处理，得到对应的相位变化；

步骤S402，结合散斑相位变化与超声复振幅之间的数学关系得到不同(x,y,d)位置对应的声振幅实现激励过程中物体内部声场分布，而相同的d不同的(x,y)的对应的声场分布即是层析的结果，处理原理如图4所示。

在步骤S4中，由于待测物体8内部的缺陷部分与正常部分的结构不同，影响声振幅的最终分布，反映在待测物体8前表面即是差异性的表面位移，反映在散斑干涉图中即相位变化不同条纹图案。通过超声复振幅与散斑相位之间的数学关系重建得到不同的声场分布结果，进而检测与识别待测物体8的内部缺陷。

在本实施例中，使用连续波激光器1作为检测光源照射待测物体前表面，检测光束被光纤分束器2分成第一光束和第二光束，将第一光束作为物光，直接照射待测物体8的前表面，第二光束作为参考光，与物光在高速相机4靶面发生干涉，形成散斑干涉图。此外，将脉冲激光作为激励光源照射在待测物体8后表面，待测物体8内部受到激励产生光声信号，即载波超声信号。该信号实质为机械波，并逐步传播至待测物体8的前表面。本实施例利用高速相机4记录参考光和物光干涉形成的散斑干涉图，并在时域下对散斑干涉图进行连续采集。

本实施例选用单纵模半导体型连续波激光器作为检测光源，同时采用波长为1064nm的高能脉冲激光器，以便脉冲激光光束能够达到足够的穿透深度，并采用中心频率为2MHz的空气耦合换能器，以保证采集完整的超声信号；

在步骤S2中，通过设置参数进行同步控制，以保证脉冲激发、光电快门11开闭、高速相机4曝光同时进行和结束，进而有效采样和记录待测物体8内部缺陷载波信号，获得时域上离散的散斑干涉图序列。通过对散斑相位变化与超声复振幅的数学关系重建物体内部激发过程中的声场分布，实现物体内部缺陷检测与层析。

本发明的原理在于，采用空间载波法这一实用高效的从数字散斑干涉图中获取相位变化的数学方法，通过将参考光倾斜照射在待测物体表面形成离轴光路实现。具体而言，将参考光倾斜一个角度，与物光波形成固定的夹角，以此引入载波频率使正负一级谱与零级谱分离，易通过一级谱得到物体的强度和相位信息。

本发明的散斑干涉模块采用数字散斑干涉测量系统，利用光纤分束器将连续波激光分为物光和参考光，物光直接照射在被测物体上，在物体的粗糙表面上发生漫反射，并依次经过双胶合凸透镜、光阑、分光棱镜，最后被高速相机接收，其记录的散斑干涉图可表示为：

式中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)表示振幅，表示待求相位，f_x和f_y分别表示在x和y方向上空间载波的频率。经欧拉公式转换后，式(1)也可以写为：

其中，“*”表示复数共轭，c(x,y)可以表示为：

公式(2)经傅里叶变换后，频谱可以表示为：

其中，u和v为x,y对应的频域坐标，为I(x,y)对应的频谱，/>为a(x,y)对应的频谱。/>表示1级谱，/>表示-1级谱。

截取1级谱并移至整幅频谱图的中心，傅里叶逆变换后，可得变形前后物光波的复振幅c(x,y),c′(x,y)，将变形前后复振幅共轭相乘可得：

其中，是与形变对应的相位差。对式(5)求辐角，即可得与/>对应的包裹相位/>

本发明采用通过高速相机4采集得到的若干幅数字散斑干涉图像与空气耦合换能器13采集到的超声信号，建立散斑场相位变化与超声复振幅之间的数学关系从而分析待测物体内部进行层析检测与成像。

实施例2

本实施例提供一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测方法，应用于实施例1中所搭建的层析检测系统，能够对待测物体8内部缺陷实现非接触、无损的层析检测。该方法包括以下步骤：

采集并处理待测物体8内部传播的载波超声信号，其中，以脉冲激光在物体内部产生的超声波作为载波超声信号，该载波超声信号从待测物体8的后表面传播至前表面，利用空气耦合换能器13对其进行采集处理；

接收并处理时序散斑干涉图，其中，利用散斑干涉模块103接收并连续记录待测物体8前表面位移形变的散斑干涉图，获得在时间域上离散的序列散斑干涉图，即时序散斑干涉图，其中，散斑干涉图是由物光和参考光发生干涉产生的；

基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法建立散斑干涉图相位变化与超声复振幅的数学关系，由超声复振幅重建激励过程中待测物体8的内部声场分布，最终由物体内部声场分布的变化对缺陷进行定位，实现内部缺陷层析检测与成像。

本实施例提供的方法，从原理上避开了传统光声成像技术需要超声换能器与待测物体接触的弊端，同时解决了散斑干涉测量技术在检测内部缺陷时需要合适载波信号的问题，从而为实现物体内部缺陷层析检测与成像提供了一种无损、非接触检测方案。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，包括待测物体，其特征在于，还包括脉冲激励模块、超声信号采集模块和散斑干涉模块，所述脉冲激励模块和散斑干涉模块位于待测物体的两侧，所述超声信号采集模块位于待测物体上方，所述散斑干涉模块包括测量单元和接收显示单元；

所述脉冲激励模块发射激光照射待测物体的第一表面，使待测物体内部产生载波超声信号并传播至第二表面，其中，第二表面位于接收单元视角范围的中心；

所述超声信号采集模块用于采集并处理待测物体内部传播的载波超声信号；

所述测量单元发出第一光束和第二光束，第一光束传播至待测物体的第二表面后反向传播，与第二光束共同被接收显示单元接收并发生干涉，得到时序散斑干涉图，基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。

2.根据权利要求1所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场的过程包括：基于相位变化和超声复振幅，计算得到不同位置对应的声振幅，重建待测物体内部声场；其中，相位变化通过处理时序散斑干涉图得到，超声复振幅通过处理超声载波信号得到。

3.根据权利要求1所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述脉冲激励模块包括脉冲激光器、光电快门、扩束器和准直镜，所述脉冲激光器发射的激光依次经过光电快门、扩束器和准直镜后照射至待测物体的第一表面；

所述超声信号采集模块包括空气耦合换能器；

所述测量单元包括连续波激光器、光纤分束器、衰减片、分光棱镜、光阑和双胶合凸透镜，所述接收显示单元包括高速相机，所述连续波激光器外接光纤分束器，分别发出第一光束和第二光束，第一光束反向传播后依次经过双胶合凸透镜、光阑和分光棱镜后被高速相机接收，所述第二光束依次经过衰减片和分光棱镜后被高速相机接收。

4.根据权利要求3所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述脉冲激光器、光电快门、空气耦合换能器和高速相机为同步控制。

5.根据权利要求3所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述脉冲激光器的波长为1064nm。

6.根据权利要求3所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述高速相机的采集帧率至少为500fps，并且曝光时间至少为2ms。

7.根据权利要求3所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述连续波激光器为单纵模半导体型，所述脉冲激光器的脉宽为10ns。

8.根据权利要求3所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述空气耦合换能器的中心频率为2MHz。

9.根据权利要求1-8任一项所述的基于光声耦合散斑干涉的层析检测系统，其特征在于，所述待测物体、脉冲激励模块和散斑干涉模块放置于阻尼光学平台上。

10.一种基于光声耦合散斑干涉的层析检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采集并处理待测物体内部传播的载波超声信号，其中，载波超声信号通过激励待测物体的第一表面产生，并传播至待测物体的第二表面；

接收并处理时序散斑干涉图，其中，时序散斑干涉图由第二光束和反射后的第一光束发生干涉得到；

基于处理后的超声载波信号和时序散斑干涉图，利用三维傅里叶变换算法重建待测物体内部声场，实现内部缺陷层析检测与成像。