基于红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构方法

技术领域

本发明涉及一种脱粘缺陷复杂边界的定量重构方法，具体涉及一种基于 红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构方法。

背景技术

无损检测技术是保障重大工程装备制造质量和运行安全的关键技术。多 层金属材料焊接材料由于其特殊的结构和性能，在核电装备中关键的导热和 防护部件中得到广泛的应用。该材料在长期服役中，由于受到高辐照与高热 流的载荷，致使焊接界面出现层间开裂和脱粘缺陷，常导致核电关键结构部 件出现热量积聚融化与辐射泄露，隐蔽性强，危害性大，需要对其进行定期 的无损检测以确保结构完整性。目前，针对焊接脱粘缺陷的定量无损评价主 要采用超声检测(UT)方法，而超声方法对核电装备内部复杂环境条件下的 多层材料焊接脱粘缺陷的定量检测难以适用。红外热成像无损检测技术具有 检测速度块、非接触、适用范围广、结果直观、易于实现自动化和实时观测 等诸多优点，具有广阔的应用前景。其中激光红外检测技术具有加热区域可 控、热量集中、可实现远距离和高精度扫描检测等优点，是一种非常具有发 展潜力的新型红外检测技术，该方法对多层结构脱粘缺陷的检测与定量评估 十分有效，且由于激光加热优点可以实现核电装备内部复杂环境条件的红外 检测。缺陷的定量评价研究对结构完整性评价与寿命评估具有更深层的意义。脱粘缺陷产生于材料交界面，并沿界面方向扩展并具有复杂形状与边界，缺 陷尺寸对多层材料与结构的安全性评价具有重要意义，同时其边界形状也表 征着脱粘进一步的扩展方向，所以脱粘缺陷定量评价具有重要意义。基于反 问题分析的缺陷定量重构策略是一种有效的缺陷定量方法，该方法基于缺陷 模型与正问题数值计算方法，通过反问题算法使缺陷模拟信号逼近真实检测 信号，进而达到缺陷定量的目标。目前，基于红外检测信号的缺陷反问题定 量重构研究处于初期阶段。现有方法仅能对脱粘缺陷的单一参数(例如层级 深度、长度或宽度)进行重构，至今缺乏针对复杂边界的脱粘缺陷的定量方 法。

鉴于此，本发明提出了红外检测图像信号的多层结构焊接界面脱粘缺陷 复杂边界轮廓定量重构方法，可以对层间界面脱粘缺陷的复杂边界轮廓进行 准确高效的重构与评估。

发明内容

为了解决上述现有多层焊接材料中复杂脱粘缺陷的定量问题，本发明的 目的在于提供一种基于红外检测图像信号的层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量 重构方法，能够完成对多层焊接材料中的脱粘缺陷二维边界轮廓的准确定量， 具有操作简单，易实现，适应性好，效率高，适用于复杂脱粘缺陷的优点， 可广泛用于军工、核电等机械结构中层间脱粘缺陷的定量评估。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

步骤1：搭建激光红外热成像无损检测系统；具体为：信号发生器8一端 与激光电源2相连，信号发生器8的另一端与计算机7相连，计算机7与红 外热像仪6相连接，激光电源2与激光发生器1相连接；将激光均匀镜3与 激光扩束镜4组合为一个激光整形镜组9并与激光发生器1的激光组成光路； 固定试件5并调整镜筒使得光路对准试件5上要加热的区域10；调整红外热 像仪6对向试件5测量的表面；

步骤2：含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件的激光红外检测上 表面的瞬态温度信号测量，具体步骤如下：

1)加工制作含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件；具体为：制 作不同金属材料的平板，在上层平板的底部加工深度0.5mm极薄的平底减薄 缺陷，再将两种材料使用扩散焊接技术焊接为一体，上层平板底部的深度极 小的平底减薄缺陷则成为焊接界面的人工脱粘缺陷；

2)根据步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件， 利用步骤1搭建的激光红外热成像无损检测系统进行试件上表面的热激励与 瞬态温度信号的测量，实验中信号发生器(8)设定为产生周期40s、占空比 为50％的方波脉冲，激光发生器(1)产生峰值功率为100W的激光，激光整 形镜组(9)将激光均匀化与扩束后施加在试件(5)的上表面的加热区域(10)； 通过计算机(7)控制信号发生器(8)的激励与红外热像仪(6)的温度测量； 由计算机(7)记录测量的瞬态温度信号，即得到试件上表面的瞬态温度信号 的序列图像；

3)对于步骤2)中测量得到的瞬态温度信号的序列图像，对于每个像素 点的瞬态温度变化曲线的下降沿进行处理，计算得到其温变速率信号，将缺 陷试件的温变速率信号与无缺陷试件的该信号做差，得到温变速率差分信号 作为脱粘缺陷边界轮廓重构的目标信号；

步骤3：利用红外检测数值模拟方法对步骤2的步骤2)中的试件激光红 外检测的瞬态温度信号进行数值建模仿真计算，具体步骤如下：

1)由瞬态温度场的控制方程

其中κ、ρ和c分别指材料的导热系数、密度和比热容，T为温度分布，为 q_v内热源，在外激励热源的红外检测中q_v＝0，在激光红外检测中，因激光热>

其中{n}＝{n_x，n_y，n_z}^T为物体边界的法向量；q_s为施加热源表面的边界热流密>0为非加热表面；

采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1) 两边同乘以形函数N_i，再对全域积分得式(3)

考虑自然边界条件进而得到式(4)

式(4)中[K]、[C]为总体系数阵，{Q}表示试件表面激光加热点的热流项， 利用有限元方法求解此方程(4)，计算仿真模型的瞬态温度信号；再采用步 骤2的步骤3)中同样的方法计算得到温变速率差分信号；

2)对步骤2的步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平 板试件建立数值计算仿真模型，数值计算中模型的尺寸和脱粘的深度与步骤 2的步骤1)测取的平板试件脱粘深度和边界轮廓一致，然后对整个数值计算 模型进行网格划分，网格为长方体网格，在脱粘区域网格较密集，而其他区 域网格较大，分布较稀疏；

步骤4：利用步骤2的步骤3)检测实验获得的温变速率差分信号结合步 骤3的数值建模仿真计算方法对试件中的脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重构， 具体步骤如下

1)在针对脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重构时，首先需要对其复杂边界进 行合理的参数化，即通过缺陷参数向量x来描述脱粘边界；合理的参数化方 法能够使用少量的参数准确的描述复杂边界，提升重构效率，降低重构问题 的复杂度与不适定性；

为此提出傅里叶级数逼近放射半径的脱粘边界参数化方法；首先，根据实 验检测信号图像能够大致判断脱粘缺陷的位置，图像中的信号峰值位置一定 处于脱粘缺陷边界内；选取该位置为参数化方法的中心定点，从该定点向缺 陷边界发射全周长度可变的半径以逼近真实边界轮廓，从0度到2π的所有半 径的长度组成半径长度函数R(θ)，使用R(θ)结合中心定点即能够准确描述复杂 边界；

进一步地，通过采用傅里叶级数法拟合半径长度函数R(θ)，将复杂边界参 数化为傅里叶级数系数，其拟合公式为式(5)

其中A₀～A_n为傅里叶级数系数，即为缺陷参数向量x(A₀，...，A_n)的参数；由于>

2)基于步骤4的步骤1)的脱粘边界参数化方法，将脱粘缺陷边界轮廓 参数的重构转化为优化问题，即将步骤2中的步骤3)实验测量并计算得到 的温变速率差分信号为目标信号，寻找一定的脱粘缺陷边界轮廓分布形式； 初步设定脱粘边界参数使其为规则圆形，使如式(6)的目标函数达到最小值

其中x为描述脱粘缺陷边界轮廓的参数数组，为步骤3的步骤1)数 值建模仿真计算的温变速率差分信号，为步骤2的步骤3)实验测量并计 算得到的温变速率差分信号；为解决此优化问题，采用基于共轭梯度法的脱 粘缺陷复杂边界轮廓重构算法，其迭代公式为式(7)

x_k+1＝x_k+α_kd_k>

其中；x_k+1、x_k分别为第k+1、k迭代步x的值，α_k和d_k为第k步的迭代步>

所述采用的边界轮廓参数化方法描述的脱粘边界是连续的边界轮廓。

所述电导率分布重构策略的重构算法为共轭梯度法、最速下降法或神经网 络随机性优化算法。

所述获得的脱粘缺陷边界轮廓中的复杂边界是指脱粘缺陷沿层间界面长 度和宽度方向的分布。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明方法采用数值重构算法，利用实验测量信号反演计算获得脱粘 缺陷复杂边界轮廓，解决了现有技术难以准确定量脱粘复杂边界的问题，同 时保证高效的定量重构效率。具有原理简单，操作方便易实现，数据量小， 定量效率高等优点，能广泛应用于多层结构金属材料焊接界面脱粘缺陷的定 量评价。

2)本发明采用的脱粘复杂边界轮廓参数化方法，可实现脱粘缺陷任意复 杂边界轮廓的精确描述；利用红外检测图像信息和脱粘缺陷边界轮廓周向闭 合的特性提出放射半径法，结合傅里叶级数拟合方法巧妙地以少量缺陷参数 描述复杂边界；克服了常规参数化方法需要重构大量缺陷参数的缺点，提升 重构效率和稳定性的同时降低反演过程的复杂度，并保证了重构结果准确性。

附图说明

图1为本发明的多层材料层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构流程图。

图2为激光红外无损检测系统示意图。

图3为脱粘缺陷复杂边界轮廓的参数化方法示意图，其中图3a为多层结 构层间脱粘缺陷示意图，图3b为放射半径法逼近复杂边界示意图，图3c为 放射半径长度函数图。

图4为含脱粘缺陷双层平板试件示意图和超声检测观测结果图，其中图 4a为试件的尺寸及缺陷分布示意图，图4b为试件的超声检测C扫图，图4c 为试件的超声检测B扫图。

图5中图5a和图5b分别为试件中①号脱粘缺陷的红外检测信号图像和 边界定量重构结果图。

具体实施方式

如图1所示为本发明的多层材料层间脱粘缺陷复杂边界轮廓定量重构流 程图，首先制作含脱粘缺陷多层材料试件，然后利用自行搭建的激光红外无 损检测实验系统进行实验测量，获得脱粘缺陷区域试件上表面的瞬态温度信 号并计算出差分温变速率信号。其次，基于瞬态温度场控制方程编写红外检 测有限元程序计算试件仿真数值模型的瞬态温度信号，其中针对脱粘复杂边 界轮廓则采用傅里叶级数逼近放射半径法来进行参数化描述。开发脱粘缺陷 复杂边界轮廓重构计算程序。最后利用实验测量获得的差分温变速率信息重 构试件脱粘缺陷沿深度长度和宽度方向的边界轮廓。

下面将结合图1至图7对本发明方法做进一步的详细描述

步骤1：自主搭建激光红外热成像无损检测系统。如图2所示，具体为： 信号发生器8一端与激光电源2相连之后另一端与计算机7相连，计算机7 与红外热像仪6相连接，激光电源2与激光发生器1相连接。将激光均匀镜 3与激光扩束镜4组合为一个激光整形镜组9并与激光发生器1的激光组成 光路。固定试件5并调整镜筒使得光路对准试件5上要加热的区域10。调整 红外热像仪6对向试件5测量的表面。

步骤2：含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件的激光红外检测上 表面的瞬态温度信号测量，具体步骤如下：

1)加工制作含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平板试件，如图4中图 4a所示。制作两块材料为铝和铜的平板试件，在铝层的底部加工不同尺寸深 度为0.5mm的方形平底减薄缺陷，再将两种材料使用扩散焊接技术焊接为一 体，上层平板底部的深度极小的平底减薄缺陷则成为焊接界面的人工脱粘缺 陷；通过超声检测方法对扩散焊接后的试件中脱粘进行验证，得到如图4中 图4b和图4c所示的超声B扫和C扫图；

2)根据步骤2的步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接 平板试件中的①号缺陷，利用步骤1搭建的激光红外热成像无损检测系统进 行试件上表面的热激励与温度测量，选择①号缺陷处试件上表面 50mm×50mm的范围作为热激励与检测目标。实验中信号发生器(8)设定为 产生周期40s、占空比为50％的方波脉冲，由激光电源(2)驱动激光发生器(1) 产生峰值功率为100W的激光。激光整形镜组(9)将激光均匀化与扩束并施 加在①号缺陷对应上表面的范围。通过计算机(7)控制信号发生器(8)的 激励与红外热像仪(6)的温度测量，红外热像仪(6)以60Hz的帧频率进行 温度量。由计算机(7)记录测量的温度信号，即产生试件上表面的瞬态温度 信号的序列图像；

3)对于步骤2)测量得到的瞬态温度信号的序列图像，对于每个像素点 的瞬态温度变化曲线的下降沿部分进行处理，计算得到其温变速率信号，将 缺陷试件的温变速率信号与无缺陷试件的该信号做差，得到温变速率差分信 号作为脱粘缺陷边界轮廓重构的目标信号，如图5a红外检测信号图像所示。

步骤3：利用红外检测数值模拟方法对试件的激光红外检测的瞬态温度信 号进行数值建模仿真计算，具体步骤如下：

1)由瞬态温度场的控制方程

其中κ、ρ和c分别指材料的导热系数、密度和比热容，T为温度分布，为 q_v内热源，在外激励热源的红外检测中q_v＝0，在激光红外检测中，因激光热>

其中{n}＝{n_x，n_y，n_z}^T为物体边界的法向量；q_s为施加热源表面的边界热流密>0为非加热表面；

采用伽辽金有限元法对控制方程(1)进行有限元离散，对控制方程(1) 两边同乘以形函数N_i，再对全域积分得式(3)

考虑自然边界条件进而得到式(4)

式(4)中[K]、[C]为总体系数阵，{Q}表示试件表面激光加热点的热流项， 利用有限元方法求解此方程(4)，计算仿真模型的瞬态温度信号；再采用步 骤2的步骤3)中同样的方法计算得到温变速率差分信号。

2)对步骤2的步骤1)中加工的含人工脱粘缺陷的双层金属材料焊接平 板试件建立数值计算仿真模型，数值计算中模型的尺寸和脱粘的深度与步骤2的步骤1)测取的平板试件脱粘深度和边界轮廓一致，然后对整个数值计算 模型进行网格划分，网格为长方体网格，在脱粘区域网格较密集，网格大小 为脱粘厚度的1/4。其他区域网格较大，分布较稀疏；

步骤4：利用步骤2的步骤3)检测实验获得的温变速率差分信号结合步 骤3中的数值模型仿真计算方法对试件中的脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重 构，具体步骤如下：

1)在针对如图3中图3a所示的脱粘缺陷复杂边界轮廓进行重构时，首先 需要对其复杂边界进行高效合理的参数化，即是指通过缺陷参数向量x来准 确描述脱粘边界。合理的参数化方法可以使用少量的参数准确的描述复杂边 界，提升重构效率，降低重构问题的复杂度和不适定性；

为此提出傅里叶级数逼近放射半径的参数化方法；首先，根据实验检测信 号图像能够大致判断脱粘缺陷的位置，图像中的信号最高值则一定处于脱粘 缺陷边界内。如图3b所示，选取该位置为参数化方法的中心定点，从该定点 向缺陷边界发射全周长度可变的半径以逼近真实边界轮廓，从0度到2π的所 有半径的长度组成半径长度函数R(θ)，使用R(θ)结合中心定点即能够准确描述 复杂边界；

进一步地，通过采用傅里叶级数法拟合图3中图3c的半径长度函数R(θ)， 将复杂边界参数化为傅里叶级数系数，其拟合公式为式(5)

其中A₀～A_n为傅里叶级数系数，即为缺陷参数向量x(A₀，...，A_n)的参数；由于>

2)基于步骤4的步骤1)的脱粘边界参数化方法，将脱粘缺陷边界轮廓 参数的重构转化为优化问题，即将步骤2中的步骤3)实验测量并计算得到 的温变速率差分信号为目标信号，寻找一定的脱粘缺陷边界轮廓分布形式， 初步设定脱粘边界参数使其为规则圆形，使如式(6)的目标函数达到最小值

其中x为描述脱粘缺陷边界轮廓的参数数组，为步骤3的步骤1)中 数值建模仿真计算的温变速率差分信号特征量信号，为步骤2的步骤3) 实验测量并计算得到的温变速率差分信号，为解决此优化问题，采用基于共 轭梯度法的脱粘缺陷复杂边界轮廓重构策略，其迭代公式为式(7)

x_k+1＝x_k+α_kd_k>

其中，x_k+1、x_k分别为第k+1、k迭代步x的值，α_k和d_k为第k步的迭代步>

经过对图4a中①号脱粘缺陷边界轮廓的重构定量计算，定量结果如图5b 所示，图中给出了定量重构的真实值、初始值和重构值；结果表明，脱粘缺 陷边界轮廓的重构值可以准确的逼近真实边界，误差小且可接受；说明本发 明方法的有效性。

作为本发明的优选实施方式，获得的脱粘缺陷边界轮廓中的复杂边界是指 脱粘缺陷沿层间界面长度和宽度方向的分布。