熱障涂層紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀

紅外熱成像是具有非接觸、檢測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀等突出優(yōu)勢(shì)的新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于金屬、非金屬、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）以及熱障涂層等的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“紅外熱成像技術(shù)在FRP復(fù)合材料/熱障涂層無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為鄭凱，通訊作者為張輝教授。

本文首先簡(jiǎn)要介紹了紅外熱成像技術(shù)的基本原理和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，特別是對(duì)光學(xué)、超聲以及電磁等主要熱激勵(lì)形式的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比。然后，根據(jù)熱激勵(lì)形式的發(fā)展歷程，詳細(xì)介紹了光激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)在FRP復(fù)合材料和熱障涂層無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注了FRP復(fù)合材料/熱障涂層熱成像無(wú)損檢測(cè)中的熱難點(diǎn)問(wèn)題。最后總結(jié)并展望了FRP復(fù)合材料/熱障涂層紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

紅外熱波成像技術(shù)

任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)向周圍環(huán)境發(fā)出電磁熱輻射，根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，其大小除與材料種類、形貌和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等本身特性有關(guān)外，還與波長(zhǎng)和環(huán)境溫度有關(guān)，而紅外熱波成像技術(shù)即是利用紅外熱像儀通過(guò)遙測(cè)材料表面溫度場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)特性和物理力學(xué)性能的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。根據(jù)被測(cè)對(duì)象是否需要施加外部熱激勵(lì)，該技術(shù)可分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，其中主動(dòng)式紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)由于具有更高的熱對(duì)比度與檢測(cè)分辨率，近年來(lái)受到極大的關(guān)注。主動(dòng)式紅外熱波檢測(cè)技術(shù)是利用外界熱源對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行熱激勵(lì)，同時(shí)利用紅外熱像儀記錄其表面溫度場(chǎng)的演化歷程，并通過(guò)對(duì)所獲得的熱波信號(hào)進(jìn)行特征提取分析，以達(dá)到檢測(cè)材料表面損傷和內(nèi)部缺陷的目的。根據(jù)外激勵(lì)熱源的不同，該技術(shù)又可被分為光激勵(lì)紅外熱成像、超聲紅外熱成像與電渦流紅外熱成像等。圖總結(jié)了目前主動(dòng)式紅外熱波成像檢測(cè)技術(shù)中的主要分類依據(jù)及分類結(jié)果。

圖 主動(dòng)式紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的主要分類依據(jù)及結(jié)果

雖然紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)種類眾多，但由于所檢測(cè)對(duì)象琳瑯滿目，且結(jié)構(gòu)與物理特性比較復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用中需結(jié)合檢測(cè)對(duì)象本身特性，選擇一種相對(duì)合適且高效的主動(dòng)式紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)方法，從而達(dá)到對(duì)待測(cè)對(duì)象進(jìn)行高分辨率、高精度、快速可靠檢測(cè)與評(píng)價(jià)的目的。光激勵(lì)紅外熱成像是主動(dòng)紅外熱成像中一種相對(duì)高效的無(wú)損檢測(cè)方法，由于其非接觸、非破壞、檢測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)面積大、易于實(shí)施等突出優(yōu)點(diǎn)，在熱障涂層結(jié)構(gòu)、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)中備受關(guān)注。在該方法中，當(dāng)外激勵(lì)光源入射到待測(cè)試件時(shí)，基于光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)所產(chǎn)生的熱波擴(kuò)散并與內(nèi)部界面或缺陷相互作用，同時(shí)，利用紅外熱像儀遠(yuǎn)程記錄待測(cè)試件表面的瞬態(tài)熱響應(yīng)，即紅外熱圖像序列。然后，借助先進(jìn)的后處理算法對(duì)所獲取的熱圖像序列進(jìn)行綜合分析，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)試件的無(wú)損檢測(cè)與定量表征。圖為光激勵(lì)熱成像技術(shù)原理和目前常用光激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)。

圖 光熱無(wú)損檢測(cè)原理及典型閃光燈激勵(lì)熱成像檢測(cè)系統(tǒng)

此外，根據(jù)熱激勵(lì)形式的不同，紅外熱成像技術(shù)又可被分為紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像與紅外熱波雷達(dá)成像，這也是根據(jù)紅外熱成像發(fā)展歷程、目前最為常用的分類方法之一。紅外脈沖熱成像技術(shù)檢測(cè)效率高，但其探測(cè)深度通常較淺，無(wú)法滿足對(duì)材料深層缺陷高分辨率檢測(cè)的要求；且其檢測(cè)結(jié)果易受表面加熱不均勻、表面反射率及發(fā)射率不均等影響，瞬時(shí)高能量脈沖也易使材料表面產(chǎn)生熱損傷。為克服紅外脈沖熱成像技術(shù)的局限性，紅外鎖相熱成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但由于該技術(shù)在單一調(diào)制頻率熱激勵(lì)下僅能探測(cè)與其熱擴(kuò)散長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)深度的內(nèi)部缺陷，因此對(duì)FRP復(fù)合材料或熱障涂層類結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度或不同鋪層界面的缺陷，需選擇不同調(diào)制頻率對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行激勵(lì)，因此，該方法檢測(cè)時(shí)間仍相對(duì)較長(zhǎng)且易出現(xiàn)漏檢。紅外熱波雷達(dá)是一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，具有紅外脈沖熱成像與紅外鎖相熱成像技術(shù)所無(wú)法比擬的突出優(yōu)勢(shì)，如高分辨率、高檢測(cè)效率、大探測(cè)深度等，近年來(lái)備受關(guān)注。表1總結(jié)了紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像以及紅外熱波雷達(dá)成像這3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

表1 紅外脈沖熱成像、紅外鎖相熱成像以及紅外熱波雷達(dá)成像檢測(cè)技術(shù)的對(duì)比

FRP復(fù)合材料光激勵(lì)紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀

紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)

紅外脈沖熱成像技術(shù)是發(fā)展最早且目前應(yīng)用最為廣泛的一種紅外熱波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是使用高能光源（如激光、鹵素?zé)?、閃光燈）對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行非常短時(shí)間（通常幾毫秒）的脈沖激勵(lì)加熱，由于內(nèi)部界面或缺陷的熱阻效應(yīng)會(huì)對(duì)待測(cè)試件表面溫度場(chǎng)產(chǎn)生差異，然后，利用紅外熱像儀同步記錄這種溫度差異，并借助于先進(jìn)的后處理算法可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)試件內(nèi)部界面或缺陷的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。紅外脈沖熱波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)速度快，且對(duì)厚度較小的試件具有較好的檢測(cè)結(jié)果，但其探測(cè)深度非常有限，不適用于檢測(cè)大厚度構(gòu)件。此外，該技術(shù)還易受表面加熱不均、表面發(fā)射率不均等影響，瞬時(shí)高能量脈沖也易使試件表面產(chǎn)生熱損傷。

FRP復(fù)合材料的強(qiáng)各向異性和顯著內(nèi)部界面效應(yīng)，極易使得其產(chǎn)生界面分層等類型缺陷，極大影響FRP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)或裝備的使用性能。英國(guó)巴斯大學(xué)Almond等對(duì)CFRP復(fù)合材料裂紋狀缺陷的邊緣效應(yīng)進(jìn)行了研究，并提出了一種瞬態(tài)熱成像法測(cè)量缺陷尺寸的方法。加拿大拉瓦爾大學(xué)Maldague等提出了一種將脈沖熱成像與調(diào)制熱成像技術(shù)相結(jié)合的紅外脈沖相位熱成像檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)基于傅里葉變換可獲得能無(wú)損表征CFRP復(fù)合材料的相位圖像，因此克服了脈沖熱成像技術(shù)對(duì)表面加熱均勻性的限制。意大利學(xué)者Ludwig等研究了紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)中的熱損失與三維熱擴(kuò)散對(duì)缺陷尺寸測(cè)量的影響。為了克服脈沖熱成像技術(shù)的局限性，加拿大拉瓦爾大學(xué)Maldague等隨后提出了雙脈沖激勵(lì)熱成像檢測(cè)技術(shù)，并表明該技術(shù)可進(jìn)一步增強(qiáng)熱對(duì)比度。加拿大學(xué)者M(jìn)eola等利用脈沖熱成像法對(duì)GFRP復(fù)合材料的低速?zèng)_擊損傷進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)。英國(guó)巴斯大學(xué)Almond等又通過(guò)解析法研究了脈沖熱成像技術(shù)的缺陷檢測(cè)極限與缺陷徑深比、激勵(lì)能量以及缺陷深度都密切相關(guān)。伊朗桂蘭大學(xué)Azizinasab等還提出了一種使用局部參考像素矢量來(lái)處理脈沖熱成像檢測(cè)結(jié)果的瞬態(tài)響應(yīng)相位提取方法，實(shí)現(xiàn)了CFRP復(fù)合材料缺陷檢測(cè)和深度預(yù)測(cè)。此外，為增強(qiáng)FRP復(fù)合材料缺陷檢測(cè)效果，許多集成先進(jìn)特征提取方法的脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)也被提出，例如主成分熱成像、矩陣分解熱成像、正交多項(xiàng)式分解熱成像和低秩稀疏主成分熱成像。

國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、湖南大學(xué)、東南大學(xué)、火箭軍工程大學(xué)、首都師范大學(xué)、南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司等科研單位也對(duì)FRP復(fù)合材料紅外脈沖熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展了大量研究工作，并取得了豐碩的研究成果。首都師范大學(xué)研究了GFRP復(fù)合材料脈沖熱成像檢測(cè)的熱圖像序列的分割與三維可視化，并提出了一種基于局部極小值的圖像分割算法。北京航空航天大學(xué)對(duì)FRP復(fù)合材料次表面缺陷紅外脈沖熱成像無(wú)損檢測(cè)的檢測(cè)概率進(jìn)行了深入研究，并分析了閾值、特征信息提取算法等對(duì)檢測(cè)概率的影響。此外，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者還提出集成了稀疏主成分分析、矩陣分解基算法、流形學(xué)習(xí)和快速隨機(jī)稀疏主成分分析等算法的紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)。

紅外鎖相熱成像檢測(cè)技術(shù)

紅外鎖相熱成像技術(shù)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型數(shù)字化無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是利用單頻正弦調(diào)制的熱激勵(lì)源對(duì)待測(cè)試件進(jìn)行加熱，然后，待測(cè)試件內(nèi)部將也產(chǎn)生一個(gè)呈周期性變化的溫度場(chǎng)，由于缺陷區(qū)與無(wú)缺陷區(qū)處的表面溫度場(chǎng)存在差異，因此采用鎖相算法可對(duì)表面溫度場(chǎng)進(jìn)行幅值與相位提取，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)材料表面損傷或內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。紅外鎖相熱成像檢測(cè)技術(shù)的探測(cè)范圍要大于紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)，此外，通過(guò)降低激勵(lì)頻率大小可增大探測(cè)深度。

英國(guó)華威大學(xué)和意大利那不勒斯大學(xué)等研究學(xué)者較早地將紅外鎖相熱成像技術(shù)用于CFRP航空件缺陷檢測(cè)，并證實(shí)了該技術(shù)與瞬態(tài)熱成像與超聲C掃描無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，更適于CFRP航空件表面沖擊損傷的快速無(wú)損檢測(cè)。Pickering等研究了同等激發(fā)能量下，紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像對(duì)CFRP復(fù)合材料分層缺陷的檢測(cè)能力。Montanini等證實(shí)了紅外鎖相熱成像技術(shù)也可用于厚GFRP復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)，并深入研究了與缺陷幾何形狀和深度相關(guān)的檢測(cè)極限問(wèn)題。隨后，Lahiri等發(fā)現(xiàn)隨著GFRP復(fù)合材料缺陷深度增加，利用紅外鎖相熱成像技術(shù)所獲得的相位對(duì)比度增大，而熱對(duì)比度卻減小。Oliveira等提出了一種融合光學(xué)鎖相熱成像和光學(xué)方脈沖剪切成像的CFRP復(fù)合材料沖擊損傷高效表征方法。

國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)和東南大學(xué)等科研人員也對(duì)FRP復(fù)合材料紅外鎖相熱成像檢測(cè)開(kāi)展了較多有價(jià)值的研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)CFRP復(fù)合材料分層缺陷的大小和深度以及熱物性的無(wú)損檢測(cè)與定量評(píng)價(jià)，開(kāi)展了系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并提出了多種先進(jìn)特征增強(qiáng)算法來(lái)提高其內(nèi)部分層缺陷的可視性。浙江大學(xué)使用紅外鎖相熱成像無(wú)損檢測(cè)CFRP復(fù)合材料分層缺陷，并利用深度學(xué)習(xí)對(duì)測(cè)量過(guò)程中的傳感器噪聲、背景干擾等進(jìn)行有效去除，顯著提高了CFRP復(fù)合材料次表面缺陷無(wú)損檢測(cè)與定征的精度。此外，東南大學(xué)針對(duì)CFRP復(fù)合材料分層缺陷紅外鎖相熱成像無(wú)損檢測(cè)中所存在的熱成像數(shù)據(jù)缺失以及低幀率導(dǎo)致的低分辨率問(wèn)題，提出了基于低秩張量填充的熱成像檢測(cè)技術(shù)，不僅可有效解決紅外鎖相熱成像數(shù)據(jù)高度缺失問(wèn)題，還可顯著提高常用紅外熱像儀的幀頻率。

紅外熱波雷達(dá)成像檢測(cè)技術(shù)

近年來(lái)，紅外熱波雷達(dá)成像技術(shù)因檢測(cè)效率高和靈敏度高以及不易對(duì)材料產(chǎn)生熱損傷而受到越來(lái)越多的關(guān)注，并開(kāi)始應(yīng)用于FRP復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。紅外熱波雷達(dá)成像技術(shù)具有紅外脈沖熱成像技術(shù)與紅外鎖相熱成像技術(shù)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但由于被用于FRP復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的時(shí)間并不長(zhǎng)，尚存在一定的局限性。例如，由于通常采用較低調(diào)制頻率激勵(lì)源去探測(cè)較深范圍的內(nèi)部缺陷信息，隨之而來(lái)的是熱擴(kuò)散長(zhǎng)度的增大，致使檢測(cè)分辨率降低；另外，為提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比，通常采用增加熱流激勵(lì)強(qiáng)度的方法來(lái)解決，但在檢測(cè)重要目標(biāo)構(gòu)件時(shí)，為防止對(duì)檢測(cè)對(duì)象的熱損傷，這種方法并不適合。

加拿大多倫多大學(xué)Mandelis教授與印度理工大學(xué)Mulaveesala教授首先將線性調(diào)頻雷達(dá)探測(cè)技術(shù)引入到紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)中，提出了脈沖壓縮熱成像或熱波雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。為顯著提高探測(cè)熱波信號(hào)的信噪比與靈敏度，隨后提出了熱相干層析成像和截?cái)嘞嚓P(guān)光熱相干層析成像技術(shù)，截?cái)嘞嚓P(guān)光熱相干層析成像技術(shù)的具體原理如圖所示。印度理工學(xué)院與印度塔帕爾工程技術(shù)大學(xué)等科研人員還將脈沖壓縮熱成像與紅外脈沖熱成像等其他檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)FRP復(fù)合材料次表面缺陷時(shí)的檢測(cè)性能進(jìn)行了對(duì)比，并分析了各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。為增強(qiáng)FRP復(fù)合材料分層缺陷檢測(cè)，比利時(shí)根特大學(xué)最近也提出了離散頻率相位調(diào)制波形的熱波雷達(dá)技術(shù)，并證明了該技術(shù)具有更高的深度分辨率。

圖 截?cái)嘞嚓P(guān)光熱相干層析成像檢測(cè)技術(shù)原理：(a)截?cái)嘞嚓P(guān)光熱相干層析成像數(shù)學(xué)實(shí)施；(b)激光誘導(dǎo)熱成像系統(tǒng)框圖

國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東南大學(xué)、電子科技大學(xué)和湖南大學(xué)等科研人員也對(duì)脈沖壓縮熱成像或熱波雷達(dá)開(kāi)展了較多的研究工作，并取得了重要的創(chuàng)新研究成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)較早地將紅外熱波雷達(dá)成像技術(shù)拓展到CFRP復(fù)合材料鋪向和分層缺陷的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，并對(duì)熱波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的特征提取方法也開(kāi)展了深入研究。湖南大學(xué)和電子科技大學(xué)還分別用感應(yīng)紅外熱成像/熱波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)和參考脈沖壓縮熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)CFRP復(fù)合材料分層缺陷檢測(cè)，并取得了較為滿意的檢測(cè)效果。最近，東南大學(xué)也提出了正交頻率相位調(diào)制波形的熱波雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)，可有效增強(qiáng)CFRP復(fù)合材料分層缺陷的檢測(cè)效果。

熱障涂層紅外熱波成像無(wú)損檢測(cè)研究現(xiàn)狀

關(guān)于熱障涂層紅外熱波檢測(cè)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，伴隨著信息電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)在航空和先進(jìn)裝備等領(lǐng)域受到極大關(guān)注。在目前的熱障涂層紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)中，仍以光激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)為主，這仍然是由于光激勵(lì)紅外熱成像技術(shù)具有非接觸、快速、檢測(cè)面積大、檢測(cè)結(jié)果直觀等突出優(yōu)點(diǎn)，非常適合于熱障涂層結(jié)構(gòu)性能與健康狀況的在線檢測(cè)與表征。根據(jù)激勵(lì)熱源生熱機(jī)理的不同，除光激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)外，其他無(wú)損檢測(cè)方法還包括：超聲熱成像、振動(dòng)熱成像和渦流熱成像。

紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)

針對(duì)熱障涂層紅外脈沖熱成像無(wú)損檢測(cè)，國(guó)外專家學(xué)者較早地開(kāi)展了相關(guān)研究，并取得了較多的研究成果。Cielo等利用紅外脈沖熱成像技術(shù)無(wú)損檢測(cè)熱障涂層，研究表明當(dāng)光學(xué)穿透深度遠(yuǎn)小于而加熱區(qū)域遠(yuǎn)大于涂層實(shí)際厚度時(shí)，該技術(shù)可有效表征熱障涂層熱物性和表面涂層厚度。Liu等提出了可無(wú)損檢測(cè)熱障涂層內(nèi)部裂紋和厚度不均勻性的穩(wěn)態(tài)熱流激勵(lì)熱成像技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)直徑遠(yuǎn)小于1 mm的裂紋檢測(cè)。Shepard等利用紅外脈沖熱成像技術(shù)對(duì)熱障涂層厚度和脫粘缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并結(jié)合先進(jìn)后處理方法提高了時(shí)空域分辨率和信噪比。Marinetti與Cernuschi等利用紅外脈沖熱成像技術(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和相位特征提取方法，系統(tǒng)地研究了熱障涂層結(jié)構(gòu)中的表面涂層厚度變化、脫粘缺陷以及涂層過(guò)厚與粘附/脫粘缺陷的區(qū)分問(wèn)題。隨后，為無(wú)損評(píng)價(jià)熱障涂層老化程度以及完整性，Bison與Cernuschi等利用紅外脈沖熱成像技術(shù)檢測(cè)了熱障涂層面內(nèi)與深度方向熱擴(kuò)散率以及孔隙率。此外，利用紅外脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)還可監(jiān)測(cè)熱障涂層損傷演化歷程以及壽命評(píng)估，且熱障涂層粘結(jié)界面處粗糙度形貌、深度以及基底強(qiáng)度等對(duì)其損傷演化也有重要影響。Ptaszek等還研究了熱障涂層表面非均勻及紅外透光性等對(duì)其光熱無(wú)損檢測(cè)的影響。最近，Mezghani等利用激光激勵(lì)紅外脈沖熱成像技術(shù)無(wú)損檢測(cè)了表面涂層厚度變化。Unnikrishnakurup等利用紅外脈沖熱成像技術(shù)和太赫茲時(shí)域譜技術(shù)同時(shí)對(duì)不均勻涂層厚度進(jìn)行測(cè)量，并獲得了對(duì)熱障涂層厚度估計(jì)小于10.3%的平均相對(duì)誤差。

雖然我國(guó)關(guān)于熱障涂層紅外脈沖熱成像無(wú)損檢測(cè)的研究起步較晚，但北京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、陸軍裝甲兵學(xué)院和北京航空材料研究院等的科研人員仍取得了重要研究成果。北京航空航天大學(xué)利用紅外脈沖熱成像技術(shù)，通過(guò)使用有限元數(shù)值模擬與熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)存在脫粘缺陷和厚度不均勻時(shí)熱障涂層表面溫度場(chǎng)以及熱障涂層的厚度與疲勞特性進(jìn)行了較為深入的研究。北京航空材料研究院利用閃光燈激勵(lì)紅外脈沖熱成像技術(shù)不僅檢測(cè)出直徑小于0.5 mm的脫粘缺陷，還識(shí)別出了肉眼無(wú)法觀察到的微裂紋。海軍工程大學(xué)利用有限體積法研究了脈沖熱激勵(lì)下熱障涂層脫粘缺陷時(shí)表面溫度場(chǎng)相位差變化，并利用Levenberg-Marquardt算法對(duì)涂層厚度和脫粘缺陷位置進(jìn)行定量化表征。哈爾濱工業(yè)大學(xué)將紅外脈沖熱成像技術(shù)與模擬退火和馬爾科夫-主成分分析-神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了熱障涂層不均勻厚度和脫粘缺陷深度與直徑的有效量化確定。最近，哈爾濱商業(yè)大學(xué)還提出了一種基于同態(tài)濾波-分水嶺-Canny算子混合算法的長(zhǎng)脈沖熱成像檢測(cè)技術(shù)，不僅可有效識(shí)別熱障涂層脫粘缺陷的邊緣，還增強(qiáng)了缺陷特征提取效果。陸軍裝甲兵學(xué)院采用脈沖紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)對(duì)熱障涂層厚度與脫粘缺陷進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并表明熱圖重構(gòu)及先進(jìn)后處理算法可有效提高表面涂層厚度表征的精度和脫粘缺陷的檢測(cè)效果。近來(lái)，關(guān)于熱障涂層激光掃描熱成像技術(shù)的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究也開(kāi)始出現(xiàn)，北京理工大學(xué)和南京理工大學(xué)利用線型激光掃描熱成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱障涂層脫粘缺陷以及20~150 μm厚薄涂層的高精度無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。為了檢測(cè)熱障涂層表面微小裂紋，北京理工大學(xué)還開(kāi)發(fā)了一種將線型激光快速掃描模式與點(diǎn)激光精細(xì)掃描模式相結(jié)合的激光多模式掃描熱成像檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了僅9.5 μm寬表面微小裂紋的高效檢測(cè)。

紅外鎖相熱成像檢測(cè)技術(shù)

不同于熱障涂層紅外脈沖熱成像無(wú)損檢測(cè)研究，國(guó)內(nèi)專家學(xué)者較早地開(kāi)展了熱障涂層紅外鎖相熱成像無(wú)損檢測(cè)的研究，而國(guó)外對(duì)此的研究還很少。例如，韓國(guó)國(guó)立公州大學(xué)Shrestha和Kim利用紅外脈沖熱成像技術(shù)和紅外鎖相熱成像技術(shù)對(duì)熱障涂層表面不均勻涂層厚度進(jìn)行了無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，并開(kāi)展了有限元數(shù)值模擬與熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)分析了各種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。

國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)、火箭軍工程大學(xué)等為基于紅外鎖相熱成像技術(shù)的熱障涂層無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究做了積極探索?；鸺姽こ檀髮W(xué)利用紅外鎖相熱成像技術(shù)對(duì)涂層厚度進(jìn)行檢測(cè)，并表明該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層厚度的快速檢測(cè)，且檢測(cè)精度可達(dá)到95%。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用紅外鎖相熱成像檢測(cè)技術(shù)和熱波信號(hào)相關(guān)提取算法對(duì)熱障涂層脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)，并研究了光源功率、分析周期數(shù)和激勵(lì)頻率大小等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。隨后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用激光激勵(lì)紅外鎖相熱成像技術(shù)高精度地量化了SiC涂層碳/碳復(fù)合材料的薄涂層厚度分布的均勻性。上海交通大學(xué)針對(duì)熱障涂層內(nèi)部裂紋缺陷的快速無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)，也提出了一種基于多閾值分割和堆疊受限玻爾茲曼機(jī)算法的紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

紅外熱波雷達(dá)成像檢測(cè)技術(shù)

紅外熱波雷達(dá)成像作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，其高信噪比、大探測(cè)范圍等突出優(yōu)勢(shì)更利于熱障涂層次表面脫粘缺陷的高精度無(wú)損檢測(cè)。而目前關(guān)于熱障涂層紅外熱波雷達(dá)成像無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)的研究還鮮有報(bào)道，目前僅有國(guó)內(nèi)的哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)針對(duì)熱障涂層紅外熱波雷達(dá)成像無(wú)損檢測(cè)開(kāi)展了相關(guān)的理論與熱成像檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用紅外熱波雷達(dá)成像技術(shù)對(duì)熱障涂層脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)，該技術(shù)利用線性調(diào)頻信號(hào)調(diào)制光源強(qiáng)度，并引入了互相關(guān)和線性調(diào)頻鎖相提取算法，研究表明該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱障涂層脫粘缺陷的有效檢測(cè)。東南大學(xué)基于Green函數(shù)法，對(duì)熱障涂層光熱傳播理論進(jìn)行了較為深入的研究，并提出了一種先進(jìn)非線性調(diào)頻波形的脈沖壓縮熱成像檢測(cè)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)熱障涂層次表面脫粘缺陷的高信噪比、大探測(cè)深度的高分辨率檢測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了紅外熱成像技術(shù)在FRP復(fù)合材料和熱障涂層無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和相關(guān)研究結(jié)果分析，可發(fā)現(xiàn)，由于FRP復(fù)合材料和熱障涂層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特性，使得傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)無(wú)法較好地實(shí)現(xiàn)高效可靠的無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)。作為新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，紅外熱波雷達(dá)成像技術(shù)由于具有高分辨率、大探測(cè)深度、檢測(cè)結(jié)果直觀等突出優(yōu)點(diǎn)，為FRP復(fù)合材料和熱障涂層的高精度無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供了新契機(jī)。

此外，在對(duì)FRP復(fù)合材料和熱障涂層紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)進(jìn)行研究的過(guò)程中，筆者也發(fā)現(xiàn)，紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展還面臨著一些主要瓶頸制約問(wèn)題，也促使紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)須向多樣化、智能化、集成化和多源信息融合方向發(fā)展，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：

1）多樣化

傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法和紅外熱成像等新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍，隨著檢測(cè)對(duì)象的多樣化和檢測(cè)要求的多元化，所需要的檢測(cè)手段也呈現(xiàn)多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，具體體現(xiàn)在：①熱激勵(lì)源由鹵素?zé)?、超聲和電磁等?a target="_blank">半導(dǎo)體激光器、相控陣超聲等其他熱激勵(lì)形式發(fā)展；②隨著計(jì)算機(jī)和電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外脈沖熱成像和紅外鎖相熱成像向著新興的先進(jìn)激勵(lì)波形脈沖壓縮熱成像或熱波雷達(dá)成像檢測(cè)技術(shù)方向發(fā)展。

2）智能化

近年來(lái)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展使得基于深度學(xué)習(xí)模型的紅外目標(biāo)識(shí)別與跟蹤方法取得了巨大進(jìn)步，這無(wú)疑為紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了很好的發(fā)展契機(jī)。深度學(xué)習(xí)方法的高識(shí)別率特點(diǎn)使其在紅外目標(biāo)特征識(shí)別、紅外圖像分割與分類方面性能優(yōu)異，在精度和實(shí)時(shí)性方面，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕超傳統(tǒng)檢測(cè)方法。人工智能賦能紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)，有望取代人工判斷，推動(dòng)紅外熱成像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)向著智能化檢測(cè)方向發(fā)展。

3）集成化

紅外熱成像檢測(cè)系統(tǒng)通常需要激勵(lì)熱源、紅外熱像儀、光路等調(diào)節(jié)裝置、固定裝置等模塊，體積較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且仍需人工或儀器自動(dòng)采樣。為滿足實(shí)際無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中原位測(cè)量及低能耗的需求，紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)需逐步向小型集成化方向發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的便攜式攜帶和操作。

4）多源信息融合發(fā)展

多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)能比單一熱成像數(shù)據(jù)提供更多的關(guān)鍵信息，此外，在信息呈現(xiàn)和表達(dá)上，多來(lái)源、多模態(tài)紅外熱成像數(shù)據(jù)還增加了無(wú)損檢測(cè)結(jié)果的魯棒性。因此當(dāng)檢測(cè)要求較高時(shí)，常常需要采用優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、多種檢測(cè)方法相結(jié)合的方式，通過(guò)多源多模態(tài)熱成像數(shù)據(jù)的融合與集成，最終提供優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠的無(wú)損檢測(cè)解決方案。因此，紅外熱成像技術(shù)也需向多源信息融合方向發(fā)展。

審核編輯：湯梓紅