一种重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置与方法

本发明涉及无损检测、信号分析与特征提取、图像处理与识别以及多物理场融合探测等领域，尤其涉及一种重用航天器多类型跨尺度损伤(裂纹、脱粘、纤维断裂等)的混频激光诱导超声红外多场成像检测方法与装置，该检测方法适用于航空航天、微电子及微纳结构等材料跨尺度损伤的精准无损检测与评价领域。

背景技术：

1、可重复使用(或重用)航天器作为一种可自由往返地球与太空之间的多用途航天飞行器，具备空天优势、便捷往返及快速全球机动等特点。为降低运营成本，重用航天器小型化及轻量化设计对其材料性能提出了严苛要求。先进复合材料因其比强度高、性能可设计性好和耐腐蚀性能强等特点，逐步取代金属材料成为航天器主要结构用材，全复材结构已成为新一代重用航天器的显著特征。其中碳纤维/双马复合材料(cf/bmi)以其优异的韧性、耐热性和工艺性，广泛用于重用航天器承力结构。x-37b采用cf/bmi整体成型作为其主机体结构，复合材料占结构总质量的70％以上，实现了有效载荷2吨，最高ma＝25的超高速飞行。

2、重用航天器的任务剖面经历发射入轨、在轨服役、再入返回、地面检修及复飞评估等过程(图1所示)，在全周期运行中疲劳载荷、冲击、高低温交变、空间环境及再入大气层过程的气动热环境等极易造成复材承力结构的损伤破坏，典型损伤包括，裂纹、分层脱粘及冲击损伤等，这些损伤严重危害航天器的重用安全运行。机翼等关键部位为航天器提供升力和控制力，该部位结构复杂且承受载荷较大，成为重用航天器的关键薄弱环节。因此，开展针对重用航天器跨尺度损伤检测至关重要。

3、重用航天器复杂构型与损伤的多样性对其检测方法提出了新的挑战，针对其关键部位跨尺度损伤对无损检测与质量评价的迫切需求，本发明提出一种重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测方法与装置，深入探讨混频激光诱导超声响应及超声诱导混频热辐射特性，多场特征提取与表征方法，提出多场成像检测装置，为重用航天器结构跨尺度(5μm深度分辨，10μm-1cm检测深度)损伤高效可靠检测提供理论基础与技术支撑。

4、在已有研究中，浙江杜比医疗科技有限公司李世维等(申请专利号：cn202010233605.0)提出超声、红外序列图像融合的乳腺癌检测方法及其系统，分别获取乳腺红外图像和超声图像，基于离散二维小波变换，分别获取序列乳腺红外图像、超声图像的高频信息和低频信息，基于融合规则获取图像的总高频信息和总低频信息，该方法融合了序列乳腺红外图像的动态强度信息以及超声图像包含纹理、边缘信息，通过帧差法和伪彩色处理，使得融合后的图像具有的颜色信息，同时纹理、边缘等信息更加明显，便于观察，有利于进行准确的进行乳腺癌的检测。但是该方法本质上仍然为超声以及红外两种独立的技术，仅在后期获取特征以后进行有限融合，因此，从设备复杂性上看仍较为复杂，同时由于采用的红外为被动式红外检测方法，探测深度与分辨率有限。国网天津市电力公司电力科学研究院的叶芳等(申请专利号：cn202211639189.x)提出一种红外-超声钢筋混凝土无损检测方法，该方法首先将无缺陷的标准试块加热，获得无缺陷混凝土平均温度。然后通过红外数字分析技术，基于钢筋混凝土表面温度梯度阈值，识别混凝土脱空缺陷及内部缺陷。识别出钢筋混凝土构件脱空缺陷的完整边界后，采用超声波法对无脱空缺陷区域钢筋混凝土构件内部缺陷进行检测。其提出了一种红外-超声钢筋混凝土无损检测方法，可以无损检测钢筋混凝土内部缺陷及脱空缺陷。该方法适用于钢筋混凝土，计算方法简单、通用性好。但是该发明本质仍然为首先采用主动式红外检测技术进行粗检，然后采用超声检测方法进行精检，是两种方法的先后使用过程，因此并无实际融合效果。河南科技大学陶发展等(申请专利号：cn202210872244.3)提出一种基于深度学习和超声红外图像的金属部件裂纹检测方法，该发明主干网络中采用跨级残差结构和跨阶段密集特征重用块，以提高特征的可重用性；改进金字塔复合神经网络结构，能够获取丰富的上下文信息并且引入特征细化机制来抑制冲突信息，防止微小目标淹没在冲突语义信息中，从而对更加细微的裂纹缺陷进行检测。但是他并未改进超声红外检测装置，仅采用神经网络处理公开的红外图像数据集，检测深度范围有限。哈尔滨工业大学刘俊岩等(申请专利号：cn201410162687.9)提出线性调频超声波激励的红外热波无损检测方法与系统，该发明采用超声波激励头注入试件超声，将线性调频加载到高频超声之上，试件缺陷位置受到高频接触摩擦，进而产生线性调频热辐射信号，通过红外热像仪获取该热辐射信号实现对缺陷的识别。该方法并未充分利用超声传递过程中所携带的信息，仅利用红外热像仪实现浅表层热辐射信号的获取，因此，该方法探测深度有限。中国石油大学(华东)徐长航等(申请专利号：cn202210003257.7)提出一种碳纤维紧密贴合缺陷的超声红外热成像检测系统及检测方法，该发明低功率压电陶瓷换能器通过耦合剂与待检测碳纤维复合材料试件表面接触，红外热像仪用于记录待检测碳纤维复合材料试件表面的红外图像数据，计算机用于接收红外热像仪的红外图像数据并执行图像处理获得检测结果，本发明所采用的低功率压电陶瓷换能器的功率仅为50w左右，不会使缺陷进一步扩展，同时换能器可以与试件良好地耦合，使得机械能可以平稳注入试件，达到快速高效检测出碳纤维复合材料紧密贴合缺陷的效果。该发明主要特色在于采用低功率超声换能器注入试件超声信号，但技术原理未改变，因此检测分辨率与深度范围并未突破。

5、针对重用航天器结构件缺陷/损伤的无损检测及质量评价方法主要集中在涡流检测、超声检测、射线检测及红外热波检测等。涡流检测方法基于电磁感应原理，通过探测试件内感生涡流变化以实现对其表层及浅表层缺陷/损伤的检测。但是由于涡流检测方法仅适用于检测导电材料，因此限制了该方法的适用范围。超声检测方法对于复合材料纤维断裂、分层及脱粘等损伤类型具有较好的检测结果，但是超声检测作为一种接触式检测方法无法灵活高效地适用于几何构型复杂度高的试件。激光超声检测技术是一种采用脉冲激光在试件表面激发超声波，进而通过激光束探测超声波的传播实现对试件内部的缺陷检测方法。英国诺丁汉大学everton s.等采用激光超声检测方法对包含缺陷试件进行检测研究，研究发现，材料表面质量对激光超声信号检测干扰较大。激光超声检测方法克服了传统超声检测不足，实现了非接触检测，可以对微小亚表面缺陷进行检测，但该方法检测效率低，易受外部干扰，对于被测试件表面质量要求较高。x射线检测方法由于具有非接触、高效及探测深度大等优势，对于复合材料内部空隙等体积型缺陷具有较好的检测效果，但是无法实现内部纤维断裂及分层脱粘等面积型缺陷的检测，且该方法射线源昂贵，设备复杂，无法适用于一些大型结构件的检测。红外热波检测方法采用外部激励源对试件进行主动热加载，利用缺陷与无缺陷位置辐射差异实现缺陷的有效检测。该技术具有非接触、直观、高效及探测面积大等优势，适用于复合材料各类型缺陷/损伤的无损检测。美国、俄罗斯及加拿大等已将红外热波检测方法广泛应用于航空航天复材结构件检测领域，并围绕热流调制形式、热波信号特征提取算法、缺陷/损伤量化分析等方面开展了深入研究。其中美国nasa将红外热波检测方法作为必要手段应用于检测航天飞机蒙皮加强筋开裂与锈蚀、复材内部缺陷与胶结质量及蒙皮铆接质量检测等方面。多类型、跨尺度是重用航天器机翼复材结构损伤的主要特点，高效精准地对这些损伤进行检测是重用航天器可靠修复的前提。目前已有较多成熟的红外热波检测技术，如脉冲红外检测方法、锁相红外检测方法及雷达热波检测方法等，已广泛应用于复合材料及金属材料的无损检测。脉冲红外检测方法采用脉冲热源对试件进行热激励，通过红外热像仪记录其热辐射特征实现缺陷检测，该方法适用于涂层或薄层材料缺陷/损伤检测。锁相红外检测方法采用正弦调制热流对试件进行热加载，通过锁相相关算法提取热波信号频域特征，实现试件缺陷/损伤的检测。在探测深度上，锁相红外检测方法具有较大优势，但由于热波探测深度与调制频率相关，所以该方法在进行检测试验时，需要对调制频率进行寻优。雷达热波检测方法采用线性调频热流加载形式，利用时频分析手段提取热波特征实现缺陷检测，检测效率较高。但是，以上典型红外检测方法均采用面源热流对试件进行热激励，根据热波沿深度方向的一维扩散干涉特性实现缺陷检测，存在表面缺陷检测效果差的问题。近年来，以点/线热源作为热流加载形式的红外检测方法不断涌现。德国联邦材料研究所thiel e.等提出了基于时空调控相干热波概念，将高功率激光器(500w)与数字微反光镜装置(digital micro-mirror device,dmd)相结合构建双线激光激励热波检测系统，实现了对st37碳钢试件深0.7mm，宽0.5mm浅表层缺陷的有效检测。电子科技大学张凯及贵州大学魏嘉呈等设计了线扫描热源，搭建了线激光扫描红外检测系统，实现了对复合材料、金属及硅片毫米级裂纹的有效检测。点/线热源激励形式利用了热流的三维扩散，克服了面源热流加载弊端，对表面及浅表型缺陷/损伤检测效果好，但存在检测效率低及深层缺陷检测效果差等问题。因此，传统红外检测方法难以满足重用航天器关键结构多类型跨尺度损伤的高效非接触精准检测需求。

技术实现思路

1、本发明为了突破重用航天器关键结构复杂损伤对高精度、高灵敏检测需求，提出了一种重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置与方法，该发明涉及激光热弹效应、超声扩散传播、超声诱导热波干涉与衍射特性、信号分析与特征提取、多场特征融合、图像变化追踪及多类型损伤识别量化与表征等多方面内容，能够有效克服单纯依靠超声以及红外设备复杂、检测效率低、接触式探测等弊端，实现针对重用航天器中金属材料以及复合材料缺陷的非接触式检测与识别。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置，所述装置包括计算机、运动控制线、b型usb数据线、示波器、a/d信号采集线、二维运动控制器、光学麦克风、第一光纤、超声探头、运动驱动线、试件、夹具、二维移动台、红外热像仪、聚焦镜、工程漫射体、套筒、准直镜、第二光纤、tec制冷器模组、激光器、激光器电源线、tec制冷器电源线、激光器电源、bnc数据线、图像脉冲触发线、数据采集卡、外部触发线、usb数据线和以太网线；

3、所述的计算机设有四个信号端，计算机的其中一个信号输入端通过b型usb数据线与示波器的信号输出端连接，示波器起到gs/s级高频数据采集作用；计算机的第二个信号输入端通过以太网线与红外热像仪的信号输出端连接；计算机的第三个信号输出端通过运动控制线与二维运动控制器输入端相连接；计算机的第四个信号输出端通过usb数据线与数据采集卡输入端连接；二维运动控制器输出信号通过运动驱动线实现二维移动台的运动控制功能；所述夹具安装在二维移动台之上，用于装夹试件；超声探头获取到的超声信号通过第一光纤传输到光学麦克风，经过光学麦克风的信号检波与放大被示波器采集到后传输到计算机；数据采集卡设有三个信号输出端，其中一个信号输出端通过外部触发线与示波器相连，用于触发示波器进行信号采集；第二个信号输出端通过bnc数据线控制激光器电源使其按照设定的调制规律变换；第三个信号输出端通过图像脉冲触发线控制红外热像仪进行图像序列采集；激光器电源通过激光器电源线与激光器相连，激光器电源通过tec制冷器电源线与tec制冷器模组相连；激光器输出的激光通过第二光纤经准直镜进行准直；准直镜、工程漫射体、聚焦镜均安装在套筒之上。

4、本发明提出一种根据所述的重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置的检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

5、步骤一：明确待检测试件，将试件完全装夹在夹具上，确定夹具是否安装在二维移动台上；

6、步骤二：开启重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置，此步骤包括计算机、示波器、二维运动控制器、光学麦克风、红外热像仪、激光器电源和数据采集卡设备的开启；

7、步骤三：计算机控制二维运动控制器进而使二维移动台将试件移动到指定原点位置，此时计算机产生直流信号进而控制激光器出射激光，经聚焦镜聚焦后对准原点位置，同时控制红外热像仪位置以实现试件指定检测位置的全场成像；

8、步骤四：根据如下调制混频公式，计算机控制激光器电源控制激光器产生调制规律变换的热流；

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10、步骤五：在计算机通过数据采集卡对激光器接通电源的同时，计算机通过数据采集卡向红外热像仪以及示波器发出触发信号，进而实现红外热像仪的同步红外图像采集以及示波器的激光超声信号获取；

11、步骤六：当针对当前原点位置数据测试完成以后，计算机通过二维运动控制器使二维移动台移动到下一个待检测位置，重复步骤四与五，直至检测完毕；

12、步骤七：检测完毕后，对获取的红外图像序列进行特征提取，此时红外图像序列包含有原始激光诱发的热辐射信号t1，同时也包含由于激光热弹效应诱发超声信号传播过程中产生的热辐射信号t2，总的热辐射信号为t＝t1+t2，通过混频时差运算获取其信号幅值ψ与相移θ特征，

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15、步骤八：示波器获取到某一个单点超声数据通过主成分分析获取其第一主成分值，对所有点进行此运算，获取被检测区域内的检测图像；

16、步骤九：将超声场与红外热辐射场利用小波变换进行图像融合；

17、步骤十：关闭重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置。

18、本发明具有的有益效果是：

19、本发明提出了一种面向多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场融合成像方法，该方法以非接触式混频激光诱发超声，超声传播可实现深层缺陷检测(内部脱粘、纤维断裂等)，而与此同时由超声诱导主动式红外热波信号可实现浅表层(表面裂纹，3mm以内浅表层缺陷)。最终可以实现重用航天器复合材料及金属材料等缺陷尺寸检测深度范围覆盖10μm-1cm，检测分辨率提高到5μm，进而实现多类型跨尺度损伤的全覆盖检测；

20、本发明提出了一种面向重用航天器多类型跨尺度损伤的混频激光诱导超声红外多场成像检测装置，从原理上将激光、超声、红外、多源探测、多传感融合等关键技术进行有机融合，克服了当前主流的接触式超声红外检测适用范围窄的问题，以非接触式混频激光激励作为激发源，通过超声、红外探测器分别获取超声回波信号以及热辐射信号，该热辐射信号是由混频激光与超声共同诱发，极大提高了跨尺度多类型损伤成像的缺陷检测适用性与灵敏度，最终可以实现重用航天器复合材料及金属材料的多源激励与多场响应，比传统超声红外检测缺陷信噪比提高50％，同时可实现完全非接触式检测。