[发明专利]基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征系统及方法

权利要求书

1.一种基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征方法，其特征在于：该方法是基于一种基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征系统实现的，该系统包括被测金属工件(1)、傅里叶透镜(2)、半导体激光器(3)、计算机(4)、信号发生器(5)、红外热像仪(6)；其中，半导体激光器(3)的出射端正对傅里叶透镜(2)的入射端；傅里叶透镜(2)的出射端正对被测金属工件(1)的正面；计算机(4)的信号输出端、信号发生器(5)的信号输出端均与半导体激光器(3)的信号输入端连接；红外热像仪(6)的探测端斜对被测金属工件(1)的正面；

该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：针对被测金属工件(1)正面出现的某一微裂纹，在被测金属工件(1)的正面选定激光加热点，激光加热点位于微裂纹的正下方2mm处；

步骤二：通过计算机(4)设定半导体激光器(3)的输出功率；通过信号发生器(5)设定半导体激光器(3)的输出脉宽；然后，启动半导体激光器(3)和红外热像仪(6)，半导体激光器(3)发出脉冲激光束，脉冲激光束经傅里叶透镜(2)进行聚焦后垂直照射在激光加热点，由此对激光加热点进行加热；待加热时间达到1s时，关闭半导体激光器(3)，由此使得激光加热点进行散热；待散热时间达到1s时，关闭红外热像仪(6)；在加热和散热过程中，红外热像仪(6)实时探测被测金属工件(1)正面的温度场变化，并根据探测结果实时生成热红外图像序列，热红外图像序列包括若干帧热红外图像；

步骤三：对各帧热红外图像进行同态滤波，由此滤除各帧热红外图像的乘性噪声；

步骤四：对各帧热红外图像进行二层小波分解，由此计算各帧热红外图像的噪声方差；

步骤五：根据各帧热红外图像的噪声方差，利用三维块匹配算法对各帧热红外图像进行相似块匹配，由此得到各帧热红外图像的相似块集合；

步骤六：将各帧热红外图像的相似块集合堆积为一个相似块矩阵，并依次对各帧热红外图像的相似块矩阵进行二维离散余弦变换、一维Haar小波变换、阈值去噪、指数变换，由此完成各帧热红外图像的处理；

步骤七：从处理后的各帧热红外图像中选取散热过程中的一帧热红外图像作为第一被测图像，并将第一被测图像转换为灰度图像，然后利用最大类间方差法将灰度图像分割为二值化图像；

步骤八：利用八连通法计算二值化图像中各个闭合区域的像素点个数，然后滤除像素点个数小于4的闭合区域；

步骤九：对二值化图像进行边缘提取，由此得到微裂纹的轮廓；

步骤十：计算微裂纹的轮廓面积；

步骤十一：从处理后的各帧热红外图像中选取加热过程中的一帧热红外图像作为第二被测图像，并对第二被测图像中距离激光加热点24个像素点处的8条线段进行快速傅里叶变换，然后提取8条线段的傅里叶值变化曲线；

步骤十二：根据8条线段的傅里叶值变化曲线分别得到第二被测图像中激光加热点上方15个像素点处的傅里叶值、第二被测图像中激光加热点下方15个像素点处的傅里叶值，并计算二者的差值，然后根据二者的差值对微裂纹的深度进行量化。

2.根据权利要求1所述的一种基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征方法，其特征在于：所述步骤二中，半导体激光器(3)的输出功率设定为50W，半导体激光器(3)的输出脉宽设定为1s。

3.根据权利要求1所述的一种基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征方法，其特征在于：所述步骤三中，同态滤波公式如下：

式中：表示同态滤波前的热红外图像；表示同态滤波后的热红外图像；n₁表示热红外图像的乘性噪声。

4.根据权利要求1所述的一种基于反射式激光热成像的金属微裂纹三维表征方法，其特征在于：所述步骤四中，热红外图像的噪声方差计算公式如下：

式中：e表示热红外图像的噪声方差；M₁表示二层小波分解中第一层对角分量的中值；M₂表示二层小波分解中第二层对角分量的中值。