[发明专利]基于红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构方法

摘要

基于红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构方法，首先搭建红外热成像温度场测量系统，加工制作含脱粘缺陷多层结构平板试件，然后利用所搭建的红外检测系统测量平板试件上表面区域的瞬态温度信号并计算差分温变速率信号图像作为重构特征量信号；其次基于瞬态温度场数值模型仿真计算方法和缺陷重构反演算法，提出傅里叶级数逼近放射半径法的脱粘缺陷复杂边界轮廓的参数化方法，实现多层结构脱粘缺陷复杂边界轮廓的高效准确的定量无损评价。本发明方法可以高效准确地重构脱粘缺陷边界轮廓，具有原理简单，操作方便易实现，数据量小，定量效率高等优点，能广泛应用于核电、化工中多层焊接机构界面脱粘缺陷的定量评价。

主权项

1.基于红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：搭建激光红外热成像无损检测系统；具体为：信号发生器(8)一端与激光电源(2)相连，信号发生器(8)的另一端与计算机(7)相连，计算机(7)与红外热像仪(6)相连接，激光电源(2)与激光发生器(1)相连接；激光均匀镜(3)与激光扩束镜(4)组合为一个激光整形镜组(9)并与激光发生器(1)的激光组成光路；固定试件(5)并调整镜筒使得光路对准试件(5)上要加热的区域(10)；调整红外热像仪(6)对向试件(5)测量的表面；步骤2：含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件的激光红外检测上表面的瞬态温度信号测量，具体步骤如下：1)加工制作含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件；具体为：制作不同金属材料的平板，在上层平板的底部加工深度0.5mm极薄的平底减薄缺陷，再将两种材料使用扩散焊接技术焊接为一体，上层平板底部的深度极小的平底减薄缺陷则成为焊接界面的人工脱粘缺陷；2)根据步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件，利用步骤1搭建的激光红外热成像无损检测系统进行试件上表面的热激励与瞬态温度信号的测量，实验中信号发生器(8)设定为产生周期40s、占空比为50％的方波脉冲，激光发生器(1)产生峰值功率为100W的激光，激光整形镜组(9)将激光均匀化与扩束后施加在试件(5)的上表面的加热区域(10)；通过计算机(7)控制信号发生器(8)的激励与红外热像仪(6)的温度测量；由计算机(7)记录测量的瞬态温度信号，即得到试件上表面的瞬态温度信号的序列图像；3)对于步骤2)中测量得到的瞬态温度信号的序列图像，对于每个像素点的瞬态温度变化曲线的下降沿进行处理，计算得到其温变速率信号，将缺陷试件的温变速率信号与无缺陷试件的该信号做差，得到温变速率差分信号作为脱粘缺陷边界轮廓重构的目标信号；步骤3：利用红外检测数值模拟方法对步骤2的步骤2)中的试件激光红外检测的瞬态温度信号进行数值建模仿真计算，具体步骤如下：1)由瞬态温度场的控制方程其中κ、ρ和c分别指材料的导热系数、密度和比热容，T为温度分布，q_v为内热源，在外激励热源的红外检测中q_v＝0|，在激光红外检测中，因激光热源只激励表面，所以模型边界条件如公式其中{n}＝{n_x，n_y，n_z}^T为物体边界的法向量；q_s为施加热源表面的边界热流密度；Γ₀为非加热表面；采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1)两边同乘以形函数N_i，再对全域积分得式(3)考虑自然边界条件进而得到式(4)式(4)中[K]、[C]为总体系数阵，{Q}表示试件表面激光加热点的热流项，利用有限元方法求解此方程(4)，计算仿真模型的瞬态温度信号；再采用步骤2的步骤3)中同样的方法计算得到温变速率差分信号；2)对步骤2的步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件建立数值计算仿真模型，数值计算中模型的尺寸和脱粘的深度与步骤2的步骤1)测取的平板试件脱粘深度和边界轮廓一致，然后对整个数值计算模型进行网格划分，网格为长方体网格，在脱粘区域网格较密集，而其他区域网格较大，分布较稀疏；步骤4：利用步骤2的步骤3)检测实验获得的温变速率差分信号结合步骤3的数值建模仿真计算方法对试件中的脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重构，具体步骤如下1)在针对脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重构时，首先需要对其复杂边界进行合理的参数化，即通过缺陷参数向量x来描述脱粘边界；合理的参数化方法能够使用少量的参数准确的描述复杂边界，提升重构效率，降低重构问题的复杂度与不适定性；为此提出傅里叶级数逼近放射半径的脱粘边界参数化方法；首先，根据实验检测信号图像能够大致判断脱粘缺陷的位置，图像中的信号峰值位置一定处于脱粘缺陷边界内；选取该位置为参数化方法的中心定点，从该定点向缺陷边界发射全周长度可变的半径以逼近真实边界轮廓，从0度到2π的所有半径的长度组成半径长度函数R(θ)，使用R(θ)结合中心定点即能够准确描述复杂边界；进一步地，通过采用傅里叶级数法拟合半径长度函数R(θ)，将复杂边界参数化为傅里叶级数系数，其拟合公式为式(5)其中A₀～A_n为傅里叶级数系数，即为缺陷参数向量x(A₀，...，A_n)的参数；由于常见的脱粘缺陷边界几乎不存在尖锐的边界拐点，所以不超过10个的傅里叶级数即能够对半径长度函数R(θ)给出准确拟合，即不超过10个的参数即能够准确描述脱粘复杂边界；2)基于步骤4的步骤1)的脱粘边界参数化方法，将脱粘缺陷边界轮廓参数的重构转化为优化问题，即将步骤2中的步骤3)实验测量并计算得到的温变速率差分信号为目标信号，寻找一定的脱粘缺陷边界轮廓分布形式；初步设定脱粘边界参数使其为规则圆形，使如式(6)的目标函数达到最小值其中x为描述脱粘缺陷边界轮廓的参数数组，为步骤3的步骤1)建模仿真计算的温变速率差分信号，为步骤2的步骤3)实验测量并计算得到的温变速率差分信号；为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法的脱粘缺陷复杂边界轮廓重构算法，其迭代公式为式(7)x_k+1＝x_k+α_kd_k   (7)其中；x_k+1、x_k分别为第k+1、k迭代步x的值，α_k和d_k为第k步的迭代步长和搜索方向，利用这个迭代公式更新数值计算模型中的脱粘缺陷边界向真实边界的迭代逼近，重复步骤4的步骤2)实现脱粘边界轮廓的定量重构。