一种线性调频红外无损检测系统

1.本发明涉及红外无损检测领域，特别涉及一种用于线性调频激励波形进行红外无损检测，并保持帧同步的系统，该系统的激励波形采用方波作为载波。


背景技术：

2.红外热波无损检测是一种新兴的无损检测方式，具有检测速度快、检测面积大、无接触、适用范围广等特点。在所有红外无损检测技术中，使用大范围连续波激励源的是锁相红外热成像与热波雷达红外热成像。其中，热波雷达红外热成像是最近被提出的方式，其调制波形采用线性频率调制或相位调制，而锁相红外热成像的激励波形中频率是固定值。总体而言，使用连续波激励源的红外无损检测方法中，激励波形有变得更为复杂的趋势。
3.方波是一种比正弦波更易于实现的波形，利用方波作为载波，可以简化检测系统。作为温度探测器的红外热像仪工作在扫描模式下，即在采集帧频对应时间范围内将视场中所有像素点的辐射量按序依次采集一遍，转化成不同点的温度值，导致一帧中不同像素点的温度采集时间有微小的时间间隔。若在上述微小时间间隔内，激励源的激励能量产生变化，会使得不同像素点的温度序列产生不同步的现象，使得检测结果不准确。因此需要一种在方波载波下，依然能保持帧同步的线性调频热激励红外无损检测系统。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种线性调频红外无损检测系统，该系统利用方波作为载波，通过在计算机中结合热像仪帧频对方波中每次能量变化的时间进行预处理，使得在一帧图像全部像素点扫描结束后才会产生激励源能量的变化，以实现帧同步，并对温度数据进行相关处理后得到互相关相位图像。
5.本发明的技术方案。
6.一种线性调频红外无损检测系统，包括基于方波载波的双向chirp信号调制的光源激励模块、焦平面红外热像仪图像序列的采集模块和热图数据处理模块。其中光源激励模块由激励光源、光源驱动、聚光罩、激励控制单元和计算机控制系统的下位机控制部分组成，能完成来自计算机的指令，结合热像仪的同步信号控制激励光源按照基于方波载波的双向chirp信号变化，并在样品表面产生较为均匀的热激励；焦平面红外热像仪图像序列的采集模块由焦平面红外热像仪和计算机控制系统中的热像仪控制部分，用于采集热图并且与光源激励模块保持同步；热图数据处理模块集成在计算机控制系统的数据处理部分，利用波形参数相同的双向chirp参考信号进行相关计算，得到互相关相位。在计算机控制系统中设定波形参数和检测时间后，计算机将参数发送给激励控制单元，在激励控制单元中完成方波持续时间的计算，在计算机控制系统中点击“开始检测”后，计算机开始收集指定帧数热像仪图像并给下位机发送相应指令，并在计算机控制系统中收集指定帧数的热图，经过数据处理后得到互相关相位。
7.所述激励光源用于产生指定波形的热激励，可用led、卤素灯等连续光源。
8.所述光源驱动能接收来自激励控制单元的信号，并控制激励光源的开关。
9.所述聚光罩是一面开口的立方体不透光塑料硬板。其开口面的对面内部装有激励光源，中间留一方形孔，用来放置红外热像仪；塑料硬板内部(除开口面和热像仪开孔处)全部装有不规则表面金属膜，金属膜需要对激励光源发出的光线具有较高的反射率，使得大部分射向罩壁的光线被反射，将光能束缚在聚光罩内，最终让样品表面接收到的光能最大化且均匀。
10.所述焦平面红外热像仪工作在扫描模式，即按照一定的顺序扫描全部像素点，组成一帧图像，在每次扫描完毕后用同步信号线发送一个脉冲，作为场同步信号。
11.所述激励控制单元需要连接计算机、光源驱动中的芯片和焦平面红外热像仪的同步信号线，需要具有硬件中断功能，可用单片机等集成电路芯片来实现。激励控制单元接收来自计算机的波形参数和检测时间信息，进行波形计算，计算出每次在激励光源开关情况发生变化时所需时间，并结合预设好的热像仪帧频计算出时间对应的脉冲数量；将同步信号线连接的引脚设置中断；在上位机下达“开始检测”指令后，开始在中断处理函数中记录同步信号线的脉冲数量；在脉冲数量达到预设量后，激励控制单元给光源驱动中的芯片发送改变开关状态的信号。
12.所述计算机控制系统需要具备三大部分。一是下位机控制部分，能实现波形设置功能，需要波形开始频率、结束频率、检测时长和热像仪帧频等参数；二是热像仪控制部分，需要先让电脑通过网线与焦平面红外热像仪进行物理连接，再通过软件获取热像仪的热图；三是数据处理部分，在对热图数据进行预处理后，利用指定的参考信号对热图序列进行相关算法处理，得到互相关相位。
13.所述基于方波载波的双向chirp信号定义如下：
[0014][0015]
其中，φ
exc
(t)表示基于方波载波的双向chirp信号；fs表示chirp信号起始频率，单位为hz；fn表示chirp信号终止频率，单位为hz；b表示chirp信号频率扫描率，单位为hz/s；ts表示chirp信号扫描周期，单位为s。
[0016]
所述双向chirp参考信号的定义公式(1)所示。
[0017]
所述激励热源信号是指激励热源功率随时间的变化规律，其定义如公式(2)所示。
[0018]
本发明的有益效果：
[0019]
与现有技术相比，本发明通过激励控制单元结合焦平面红外热像仪的同步信号进行光源控制，能实现所有像素点的帧同步，具有装置简单，适用范围广，便携性高等优点，可以进行线性调频红外无损检测。
附图说明
[0020]
图1为本发明所述的线性调频红外无损检测系统的结构示意图。
[0021]
图1为一种线性调频红外无损检测系统，包含待测样品1，聚光罩2，焦平面红外热
像仪3，激励光源4，以太网线5，红外热像仪同步信号线6，激励光源电源线7，激励光源驱动8，双向chirp方波载波信号9，光源控制信号线10，激励控制单元11，下位机控制信号线12，计算机控制系统13，双向chirp参考信号14，激励热源信号15。
[0022]
图2中曲线为双向chirp参考信号14。
[0023]
图3中曲线为激励热源信号15。
具体实施方式
[0024]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，以下内容用于说明本发明，但不用来限制发明范围。
[0025]
线性调频红外无损检测系统是利用计算机控制系统控制焦平面红外热像仪采集热图，并配合激励控制单元控制热源，再经过数据处理后得到无损检测结果。本发明的具体实施包括三个部分：基于方波载波的双向chirp信号调制的光源激励、焦平面红外热像仪图像序列的采集和热图数据处理。
[0026]
一、基于方波载波的双向chirp信号调制的光源激励步骤：
[0027]
步骤1：调整待测样品1位置，使得入射光尽可能垂直照射到待测样品1的待检区域内；
[0028]
步骤2：在计算机控制系统13中设置chirp信号起始频率、chirp信号终止频率、chirp信号扫描周期和热像仪帧频4个参数，计算机控制系统13通过下位机控制信号线12传送指令(以及以上4个参数的值)使得激励控制单元11进行脉冲数量计算；
[0029]
步骤3：计算出检测过程中激励热源信号15在每次上升沿(由0变成q0)与下降沿(由q0变成0)对应的时间，对每个时间数据除以焦平面红外热像仪3的帧频并取整，将所有取整后的值存入脉冲数组中，同时，将检测总时长t＝ts32除以焦平面红外热像仪3的帧频并取整，存为结束值；
[0030]
步骤4：将红外热像仪同步信号线6连接到激励控制单元11的某一io上，并对该io设置上升沿触发中断，在“开始检测”指令中开启中断；通过对红外热像仪同步信号线6中的脉冲在中断处理函数中进行脉冲计数，并与脉冲数组中的值进行比较，当计数值等于脉冲数组中的值时，激励控制单元11通过光源控制信号线10对激励光源驱动8发送信号，进而控制激励光源4的开关；总体而言，激励控制单元11对激励光源驱动8的控制结果与双向chirp方波载波信号9相同，使得激励光源4的光强按照激励热源信号15的规律变化；
[0031]
步骤5：脉冲计数值等于结束值时，激励控制单元11通过光源控制信号线10对激励光源驱动8发送结束信号，激励光源驱动8控制激励光源关闭。
[0032]
二、焦平面红外热像仪图像序列的采集步骤：
[0033]
步骤1：焦平面红外热像仪3与计算机控制系统13用以太网线5连接，通过计算机控制系统13完成焦平面红外热像仪3的初始化、积分时间及帧频的设置，进行焦平面红外热像仪3的调焦，保证待测样品1的待检测区域在计算机控制系统13的实时图像上清晰可见；
[0034]
步骤2：根据检测总时长t＝ts32和焦平面红外热像仪3的帧频设置图像序列的采集数量，使得采集数量＝检测总时长3帧频+1；
[0035]
步骤3：触发“开始检测”指令，指令中计算机控制系统13先开始进行图像序列的采集，再给激励控制单元发送指令使之开启红外热像仪同步信号线6连接io的上升沿中断；
[0036]
步骤4：在保存指定数量的图像后，计算机控制系统13停止热图的采集，同时激励控制单元11自动控制激励光源4关闭。
[0037]
三、热图数据处理：
[0038]
步骤1：将所有图像按照采集时间排列，去掉第一帧图像；
[0039]
步骤2：将每个像素点的温度序列进行二阶多项式拟合，并减去拟合结果，以去除温度趋势项；
[0040]
步骤3：将每个像素点的温度序列与调制参数相同的双向chirp参考信号14进行互相关计算，具体来说是将双向chirp参考信号14进行离散化之后得到q(n)，正交信号r(n)是用q(n)经刚bert变换得到，每个像素点的离散温度序列为t(n)，按照如式(4)-式(6)计算出的就是对应像素点的互相关相位，计算出所有像素点的互相关相位后，将互相关相位特征图像显示在计算机控制系统13上。
[0041][0042][0043][0044]
以上所述仅为本发明的较佳步骤，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。