復合材料結構件缺陷的紅外成像檢測機理研究

紅外熱成像檢測由于非接觸、快速診斷、檢測面積大等諸多優(yōu)點被廣泛應用于復合材料構件的無損檢測。但存在紅外圖像信噪比低、檢測信息源較單一、缺陷量化診斷精度不高等瓶頸問題?；诩t外熱成像的復合材料構件無損檢測的關鍵在于如何對復雜構件表面溫度場進行快速、準確、動態(tài)的測量，以及如何對采集的紅外溫度場信息有效處理獲得復合材料缺陷的定性、定量檢測結果。因此該項目積極開展基于紅外、可見光、深度多源異構信號處理和融合互補的復合材料構件無損檢測技術研究。在紅外無損探測過程中的信息采集、信息優(yōu)化、信息分析三個重要環(huán)節(jié)進行創(chuàng)新理論研究。首先，探索長波紅外成像系統(tǒng)的噪聲產(chǎn)生機理和特征分布規(guī)律，提出紅外信號固定模式噪聲的補償算法和低像素特征重建模型，解決制約紅外熱成像儀器工作性能的瓶頸問題。其次，探索多源異構數(shù)據(jù)中互信息特征的構建機制，研究復雜場景中多源異構數(shù)據(jù)的時空精確匹配方法，支持紅外溫度測量任務中信息采集方式的維度擴展。最后，探索多源信息的融合互補方法，研究基于大數(shù)據(jù)深度學習的多源信號特征提取技術，提出在復雜背景噪聲干擾下微弱/隱形缺陷檢測深度網(wǎng)絡模型的有效訓練方法。研究成果為提升紅外溫度信號質量和解決缺陷診斷量化問題提供技術途徑，可有效提升紅外無損檢測技術的應用范圍和診斷精度。項目研究成果共發(fā)表/錄用SCI論文15篇（JCR Q1論文3篇），英文著作章節(jié)1章，EI論文2篇。其中1篇論文被Applied Optics期刊選為2018年6月的編輯精選論文（Editor's Pick Paper），1篇論文被Optics Express期刊選為2018 Top Downloaded Articles In Imaging Systems and Displays，并應邀在國內測試領域期刊《振動、測試與診斷》上發(fā)表題為“紅外熱成像信號處理技術的研究進展”的專家論壇特邀論文。相關科研成果獲得國內外相關領域專家關注，目前與中國航天科工集團二院二部、華為科技有限公司，法國ULIS（歐洲最大紅外芯片制造廠商）積極開展科研合作。 2100433B

紅外熱成像檢測由于非接觸、快速診斷、檢測面積大等優(yōu)點應用于復合材料構件的無損檢測，但存在缺陷量化診斷精度不高的瓶頸問題。為此，本項目旨在探索紅外圖像的有效處理分析方法，在提升采集紅外溫度信號質量的同時探索復合材料缺陷診斷定量化的有效途徑。首先，針對紅外檢測過程中的外源加熱空間不均勻的問題，分析其形成機理和導致信號偏移的形態(tài)規(guī)律，提出基于溫度場梯度信息最小差異擬合和導向性濾波處理的溫度場信號偏移矯正方法，從源頭上改善采集紅外信號的質量。其次，將觀察目標的二維溫度場信息和三維深度信息進行像素級準確匹配，研究紅外溫度場的三維視角補差理論和方法，對不同曲率表面的溫度信息進行補償和重建，實現(xiàn)對復雜結構件溫度場的準確測量。最后，研究基于多層脈沖耦合網(wǎng)絡的時間域和空間域混合信號分析算法，對動態(tài)溫度場中構件缺陷產(chǎn)生的局部溫度梯度進行精確定位和時域追蹤，在此基礎上研究復合材料構件的內部缺陷診斷和定量化方法。

本項目擬對含缺陷自動鋪絲復合材料構件的損傷失效機理和承載能力開展研究，針對含間隙、重疊、間隙/重疊、扭曲波紋四種典型纖維鋪放缺陷，開展復合材料板殼的損傷演化行為的實驗研究；發(fā)展典型缺陷相應的損傷斷裂力學理論，建立適用的損傷分析模型來分析其損傷演變規(guī)律和失效行為；發(fā)展變角度鋪設、變剛度層合結構的剛度計算理論，提出相應的有限元分析方法；針對預設不同鋪放缺陷形式的加筋板殼結構，開展其屈曲和后屈曲過程中的損傷失效行為和承載能力研究，為含缺陷自動鋪絲復合材料構件的力學性能評估提供分析工具。

管道超聲內檢測技術目前面臨的突出問題是檢測數(shù)據(jù)量太大，無法實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲和實時處理，無法同時實現(xiàn)多種缺陷快速檢測。本課題擬開展基于稀疏采樣的超聲傳感器復合陣列快速檢測壁厚變化類缺陷、滲漏孔、軸向及周向裂紋的機理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實現(xiàn)超聲檢測回波信號最稀疏表達；創(chuàng)新性運用稀疏采樣原理，提出超聲傳感器檢測回波信號稀疏采樣機理與前端物理實現(xiàn)方法；創(chuàng)新提出稀疏采樣值快速解算缺陷回波信號特征參數(shù)方法，無需重建檢測信號，解決稀疏采樣值恢復原始檢測信號的時間貪婪性問題；采用超聲傳感器復合陣列方法，建立陣列空間結構參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關聯(lián)模型，實現(xiàn)稀疏采樣條件下不同空間趨向缺陷重構。本課題將為解決目前管道超聲內檢測技術難題提供科學依據(jù)。

以管道缺陷為檢測對象，以超聲波為檢測手段，研究了基于稀疏采樣的管道缺陷超聲波復合陣列內檢測技術，在準確保留超聲檢測信號特征參數(shù)信息的基礎上，大幅度減少了檢測過程中產(chǎn)生的超聲回波信號采集數(shù)據(jù)量，便于全部檢測數(shù)據(jù)的有效存儲和實時處理。結合超聲復合陣列傳感器，能夠快速檢測出壁厚變化類、滲漏孔、軸向及周向裂紋多種類型的缺陷。通過本項目的研究，建立了專用的超聲專業(yè)字典，實現(xiàn)了檢測脈沖超聲信號的最稀疏表達；在理論上建立了超聲檢測信號稀疏采樣的理論框架，并且采用硬件電路首次實現(xiàn)了超聲檢測信號物理稀疏采樣，突破了傳統(tǒng)奈奎斯特采樣的局限，電路性能滿足設計要求；在不重構原檢測信號的基礎上，直接由稀疏采樣得到的數(shù)據(jù)解算出了回波信號的聲學特征參量，解決了稀疏采樣值恢復原始檢測信號的時間貪婪性問題；建立了超聲傳感器復合陣列空間結構參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關聯(lián)模型，實現(xiàn)了稀疏采樣條件下不同類型缺陷重構與可視化成像。達到了項目申請時的既定目標。 2100433B