復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件缺陷的紅外成像檢測機(jī)理研究項(xiàng)目摘要

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(diǎn)應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)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(xiàng)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(zhì)量的同時探索復(fù)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(jī)理和導(dǎo)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(dǎo)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(zhì)量。其次，將觀察目標(biāo)的二維溫度場信息和三維深度信息進(jìn)行像素級準(zhǔn)確匹配，研究紅外溫度場的三維視角補(bǔ)差理論和方法，對不同曲率表面的溫度信息進(jìn)行補(bǔ)償和重建，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件溫度場的準(zhǔn)確測量。最后，研究基于多層脈沖耦合網(wǎng)絡(luò)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(gòu)件缺陷產(chǎn)生的局部溫度梯度進(jìn)行精確定位和時域追蹤，在此基礎(chǔ)上研究復(fù)合材料構(gòu)件的內(nèi)部缺陷診斷和定量化方法。

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(diǎn)被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料構(gòu)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(fù)合材料構(gòu)件無損檢測的關(guān)鍵在于如何對復(fù)雜構(gòu)件表面溫度場進(jìn)行快速、準(zhǔn)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(fù)合材料缺陷的定性、定量檢測結(jié)果。因此該項(xiàng)目積極開展基于紅外、可見光、深度多源異構(gòu)信號處理和融合互補(bǔ)的復(fù)合材料構(gòu)件無損檢測技術(shù)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(jìn)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(jī)理和特征分布規(guī)律，提出紅外信號固定模式噪聲的補(bǔ)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(gòu)數(shù)據(jù)中互信息特征的構(gòu)建機(jī)制，研究復(fù)雜場景中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的時空精確匹配方法，支持紅外溫度測量任務(wù)中信息采集方式的維度擴(kuò)展。最后，探索多源信息的融合互補(bǔ)方法，研究基于大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)的多源信號特征提取技術(shù)，提出在復(fù)雜背景噪聲干擾下微弱/隱形缺陷檢測深度網(wǎng)絡(luò)模型的有效訓(xùn)練方法。研究成果為提升紅外溫度信號質(zhì)量和解決缺陷診斷量化問題提供技術(shù)途徑，可有效提升紅外無損檢測技術(shù)的應(yīng)用范圍和診斷精度。項(xiàng)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(yīng)邀在國內(nèi)測試領(lǐng)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(shù)的研究進(jìn)展”的專家論壇特邀論文。相關(guān)科研成果獲得國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注，目前與中國航天科工集團(tuán)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

本項(xiàng)目擬對含缺陷自動鋪絲復(fù)合材料構(gòu)件的損傷失效機(jī)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(fù)合材料板殼的損傷演化行為的實(shí)驗(yàn)研究；發(fā)展典型缺陷相應(yīng)的損傷斷裂力學(xué)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(shè)、變剛度層合結(jié)構(gòu)的剛度計(jì)算理論，提出相應(yīng)的有限元分析方法；針對預(yù)設(shè)不同鋪放缺陷形式的加筋板殼結(jié)構(gòu)，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(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能評估提供分析工具。

管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)目前面臨的突出問題是檢測數(shù)據(jù)量太大，無法實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的存儲和實(shí)時處理，無法同時實(shí)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(fù)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(jī)理和方法研究。首次提出超聲專業(yè)字典概念，實(shí)現(xiàn)超聲檢測回波信號最稀疏表達(dá)；創(chuàng)新性運(yùn)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(jī)理與前端物理實(shí)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(fù)原始檢測信號的時間貪婪性問題；采用超聲傳感器復(fù)合陣列方法，建立陣列空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)稀疏采樣條件下不同空間趨向缺陷重構(gòu)。本課題將為解決目前管道超聲內(nèi)檢測技術(shù)難題提供科學(xué)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(fù)合陣列內(nèi)檢測技術(shù)，在準(zhǔn)確保留超聲檢測信號特征參數(shù)信息的基礎(chǔ)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(shí)時處理。結(jié)合超聲復(fù)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(xiàng)目的研究，建立了專用的超聲專業(yè)字典，實(shí)現(xiàn)了檢測脈沖超聲信號的最稀疏表達(dá)；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(shí)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(shè)計(jì)要求；在不重構(gòu)原檢測信號的基礎(chǔ)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(xué)特征參量，解決了稀疏采樣值恢復(fù)原始檢測信號的時間貪婪性問題；建立了超聲傳感器復(fù)合陣列空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與缺陷回波特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)了稀疏采樣條件下不同類型缺陷重構(gòu)與可視化成像。達(dá)到了項(xiàng)目申請時的既定目標(biāo)。 2100433B