红外锁相热像检测技术

红外锁相热像检测技术是20世纪90年代发展起来的新型数字化无损检测技术，红外锁相热像检测技术是将红外热成像技术与数字锁相技术相结合，采用强度按正弦规律变化的外激励源对试件或材料进行激励，在构件表面引起的温度变化也为正弦规律变化，构件表面温度以加载频率振荡变化，其幅值与相位与材料特性有关，当样件结构内部存在缺陷（结构不连续）时，则在样件有缺陷处与无缺陷处对应表面引起的温度变化将产生幅值和相位差异，通过计算样件表面温度变化的相位图和幅值图可确定内部缺陷特征。由于相位信息比幅值信息更丰富，能够进一步改善信噪比，与材料表面辐射发射率、环境条件及构件结构等无关，可获得更多的缺陷信息，图2给出了红外锁相热像无损检测的原理图。

由热扩散长度计算模型可知，对于给定材料，缺陷深度越深，则调制频率越小，这样才能保证调制热波扩散到缺陷位置。对于给定材料和缺陷，可计算调制频率的取值范围，即满足最大调制频率的热波能够扩散到缺陷位置。

红外锁相热像检测技术的信号处理算法主要包括基于硬件实现的模拟锁相器、傅立叶变换算法、双路数字锁相相关处理算法等。

锁相处理是从含有噪声信号中选择性提取按特定频率周期性变化信号的处理技术，为了尽可能抑制噪声影响，在锁相处理过程中，需采用中心频率与锁相频率相匹配的极窄带滤波器对信号进行滤波处理，以改善信噪比。红外锁相法热波检测采用的模拟锁相器是一种正交型的锁相放大器，图11给出了该模拟锁相器结构示意图。

通过以上两路信号的输出可以计算被测正弦波信号的幅值和相位。

采用模拟锁相器能够快速进行热波信号的锁相处理，但在处理过程中，由于热波信号中存在噪声，噪声信号也会被放大，故要求带通滤波器具有极窄带滤波特性，尽可能消除噪声的影响，提高信噪比。

傅立叶变换算法既可用于正弦规律调制的热波信号，也可用于方波或脉冲调制的热波信号，红外热像仪采集试件表面热波信号的图像序列，利用FFT算法能够对锁相频率热波信号进行提取，也可通过扫描方式提取该信号。采用FFT算法对热波信号进行锁相频率提取（相当于极窄带滤波器，可进行微弱信号的提取），对信号进行极窄带通滤波。FFT算法对红外图像序列进行处理，通过计算幅值和相位可得到试件存在缺陷的特征信息。为了能够准确提取锁相频率的谐波信号，要求采样序列数N应满足整周期采样，对于给定图像序列的傅立叶变换

双路数字锁相相关处理算法是Sin/Cos相关运算实质是对采用计算机数字化计算实现模拟锁相器，该算法对试件表面温度信号进行相关处理，能够提取含有主要信息的低频谐波信号，抑制高频谐波信号。图中给出了双路Sin/Cos数字锁相相关处理算法的原理图。