[实用新型]基于动态子窗口技术的激光扫描热波成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于动态窗口热成像技术，采用扫描激光束进行热激励的热波成像系统，用于对被测物体进行无损检测，属于红外无损检测的技术领域。 

背景技术

热波层析成像无损检测技术的基本原理是，首先采用热激励源对被测物体表面进行脉冲加热，形成表面与被测物体内部的温度差，使得热能从表面向物体内部流动。如果物体内部的热学特性具有非均匀性，比如断裂或空隙等缺陷，热流的传播将会受到影响，部分热流会被反射回到物体的表面。利用热像仪连续采集来自被测物体表面的热辐射图像，再通过分析这些图像随温度变化的特性，可以得到热波被物体内部缺陷反射的时间和强度，从而判断出这些缺陷的大小和特性。

随着新材料、新能源、高速铁路、核工业及航空航天等工业的快速发展，对无损检测技术的要求日益增加。热波检测技术具有检测速度快、成像面积大、非接触及远距离探测等优点，应用广泛。相比传统的无损检测手段，比如超声波，涡流，X射线等技术，红外热波成像技术具有独特的优势。而且这个技术尤其对复合材料的检测十分有效。复合材料的运用已成为现代航空航天领域装备先进性的重要标志之一。随着各种特殊金属材料和复合材料在机身、机翼、涡轮叶片、火箭壳体、航空发动机喷管、涡轮叶片以及机身结构等部位的应用，对无损检测的要求逐步增加。同样在新能源领域的复合材料应用也在快速成长，如风力发电机的叶片目前主要都是由玻璃纤维树脂填充材料制成的。通常复合材料是采用多层纤维胶合的方式或蜂窝夹层结构，具有高强度和重量轻的优点。由于在制造和使用的过程中经常会产生内部缺陷，如分层、脱粘、裂缝等，大大影响了材料的强度和使用寿命。对复合材料的无损检测虽然可以采用传统的超声探伤技术，但该技术要求探头接触被测物体，逐点扫描，费时费力。对于结构复杂的复合材料，如蜂窝状板材，超声波技术则无法有效地进行检测。 

在热波层析成像时，根据样品的特性有两种热激励方式。对于比较薄的样品、特别是高导热率的材料，例如半导体晶片及太阳能硅片等，采用热激励时间很短的脉冲方式，否则热波的回波到达表面时热激励还没结束，影响检测。而对于比较厚或导热率差的样品，热波的变化缓慢，对热激励的能量要求高，所以通常采用连续的热激励源，如大功率红外灯等，连续长时间加热，然后再进行图像采集，采样速率可以很慢。 

对快速变化热波信号的检测需要解决两个问题，高能量短脉冲热激励和高速图像采集。对于高能量短脉冲热激励，目前国外市场上的产品都采用高能量闪光灯作为脉冲热激励源。但这种高能量闪光灯有很多局限，例如其总能量有限，每次测试的面积不能太大；光束发散不均匀，不能远距离作用；闪光脉冲周期极短且不可调，过高的峰值功率会造成样品的损坏；灯管的使用寿命有限，设备体积庞大、不易移动等。而对于高速图像采集的问题，目前只有采用具有高帧频功能的热像仪。这种热像仪十分昂贵，而且输出的图像分辨率随着帧频的提高大幅度下降。 

近年来大功率半导体激光器得到了飞跃式的发展，使得此类激光器在功率大幅度提高的同时，价格快速下降。激光器和传统的热激励光源相比具有波长可选择、强度可调制，光束可聚集和可扫描等优点。 

目前已有少量热波成像技术采用激光扫描热激励，如美国专利3,808,439、6,343,874、6,419,387等，都介绍了采用激光扫描热激励的方法进行热波成像，其中一个典型的系统如图4所示，其中采用了多元光电探测器。但该发明的激光束和红外图像都通过扫描系统，红外探测器的接收孔径受到转镜的很大限制，而且这些方法中都没能解决热波层析成像的关键问题，特别是针对于浅表层缺陷的检测必须采用高帧频热像仪的问题。 

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有热波无损检测技术的不足，提供一种同时满足脉冲热激励和高速红外图像采集的热波成像无损检测方法。该方法采用大功率激光器作为热激励源，通过控制光束偏转装置对样品的表面进行快速扫描，实现脉冲热激励。再动态地设置热像仪采集子窗口的位置，使其跟踪激光光斑的扫描，然后通过对所采集的热波图像进行延迟时间的修正及图像拼接与重建，达到高帧频图像采集的目的。 

传统的热波成像技术的时间分辨率决定于热像仪的帧频，常规的热像仪的帧频是有限的，如在25-60Hz左右，不适合于较薄或热导率较大的样品的热波成像无损检测。而高帧频热像仪除了十分昂贵，其输出的图像分辨率随着帧频的提高会大幅度下降。本发明技术有效的解决了这个问题，使得在使用常规热像仪的情况下，热波检测的时间分辨率得到大幅度提高。