红外热成像是一种新兴的无损检测技术，具有非接触、检测面积大、检测结果直观等突出优点。 近年来，它已广泛应用于金属、非金属、纤维增强复合材料（FRP）、热障涂层的无损检测。 测试和评估。
图1 航空发动机及其涡轮叶片热障涂层结构示意图
据美麦咨询了解，近日，江苏省特种设备安全监督检验院、南京农业大学、东南大学科研团队在《红外技术》杂志上发表了《玻璃钢复合材料/热障壁红外热成像技术》论文”。 主题为“涂层无损检测应用研究现状及进展”的文章。 文章第一作者为郑凯，通讯作者为张辉教授。
本文首先简要介绍了红外热成像技术的基本原理和检测系统组成，特别是比较了光学、超声波、电磁等主要热激发形式的特点、优缺点。 然后，基于热激发形式的发展历史，详细介绍了光激发红外热成像技术在FRP复合材料和热障涂层无损检测与评价中的研究现状和进展，重点介绍了FRP复合材料/热障涂层涂料。 热成像无损检测中的热学难题。 最后对FRP复合材料/热障涂层红外热像无损检测技术未来的发展趋势进行了总结和展望。
红外热波成像技术
任何高于绝对零的物体都会向周围环境发射电磁热辐射。 根据-定律，其大小不仅与材料类型、形貌和内部结构有关，还与波长和环境温度有关。 红外热波成像技术利用红外热像仪远程测量材料表面温度场，实现对材料结构特性和物理机械性能的无损检测和评价。 根据被测物体是否需要受到外部热激励，该技术可分为主动式和被动式。 其中，主动红外热波无损检测技术因其较高的热对比度和检测分辨率，近年来受到广泛关注。 主动红外热波检测技术利用外部热源对测试件进行热激发，同时利用红外热像仪记录其表面温度场的演变，并对获得的热波信号进行特征提取和分析来实现检测。 材料的表面损伤和内部缺陷。 根据外部激发热源的不同，该技术可分为光激发红外热成像、超声波红外热成像和涡流红外热成像。 图2总结了当前主动红外热波成像探测技术的主要分类依据和分类结果。
图2 主动红外热成像检测技术主要分类依据及结果
虽然红外热成像无损检测技术种类繁多，但由于被检测物体种类繁多、结构和物理性质复杂，在实际应用中需要选择相对合适、高效的主动红外热波技术。基于检测对象本身特征的方法。 成像无损检测方法达到对被测物体进行高分辨率、高精度、快速可靠检测和评价的目的。 光激发红外热成像是主动红外热成像中较为高效的无损检测方法。 由于其非接触、无损、检测时间短、检测面积大、易于实施等突出优点，在热障涂层结构和纤维中得到了广泛的应用。 增强复合材料在无损检测与评价领域备受关注。 在该方法中，当外部激发光源入射到测试件上时，基于光热转换效应产生的热波扩散并与内部界面或缺陷相互作用。 同时采用红外热像仪对试件表面进行远程记录。 瞬态热响应，即一系列红外热图像。 然后，采用先进的后处理算法对获取的热图像序列进行综合分析，实现试件的无损检测和定量表征。 图3所示为光激发热成像技术原理及目前常用的光激发红外热成像检测系统。
图3 光热无损检测原理及典型闪光灯激发热成像检测系统
此外，根据热激发形式的不同，红外热成像技术可分为红外脉冲热成像、红外锁相热成像和红外热波雷达成像。 这也是根据红外热成像发展历史最常用的分类方法。 一。 红外脉冲热成像技术检测效率较高，但其检测深度通常较浅，无法满足深层材料缺陷高分辨率检测的要求； 其检测结果容易受到表面加热不均匀、表面反射率和发射率不均匀的影响。 ，瞬时高能脉冲也很容易对材料表面造成热损伤。 为了克服红外脉冲热成像技术的局限性，红外锁定热成像技术应运而生。 但由于该技术只能在单一调制频率的热激励下检测与其热扩散长度对应深度的内部缺陷，因此不适用于FRP复合材料。 材料或热障涂层结构中不同深度或不同层压界面的缺陷需要选择不同的调制频率来激励测试件。 因此，该方法检测时间仍然较长，且容易出现漏检。 红外热波雷达是一种新兴的无损检测技术。 它具有红外脉冲热成像和红外锁相热成像技术无法比拟的突出优点，如分辨率高、探测效率高、探测深度大等，近年来备受关注。 专注于。 表1总结了红外脉冲热成像、红外锁相热成像和红外热波雷达成像三种技术的优缺点和应用范围。
表1 红外脉冲热成像、红外锁相热成像和红外热波雷达成像探测技术对比
FRP复合材料光激发红外热成像无损检测研究现状
红外脉冲热成像检测技术
红外脉冲热成像技术是发展最早、目前应用最广泛的红外热波无损检测技术。 该技术利用高能光源（如激光、卤素灯、闪光灯）对测试件进行极短时间（通常为几毫秒）的照射。 脉冲激励加热，由于内部界面或缺陷的热阻效应，会产生试件表面温度场的差异。 然后，利用红外热像仪同时记录这种温差，并借助先进的后处理算法，可以实现对试件内部界面或部件缺陷的无损检测和评估。 红外脉冲热波检测技术检测速度快，对于厚度较小的试件检测效果良好。 但其检测深度非常有限，不适合检测大厚度元件。 此外，该技术还容易受到表面加热不均匀和表面发射率不均匀的影响。 瞬时高能脉冲也很容易对试件表面造成热损伤。
FRP复合材料具有较强的各向异性和显着的内部界面效应，极易造成界面分层等缺陷，极大地影响FRP复合材料结构或设备的性能。 英国巴斯大学等。 研究了CFRP复合材料中裂纹状缺陷的边缘效应，提出了一种利用瞬态热成像测量缺陷尺寸的方法。 加拿大拉瓦尔大学等提出了一种将脉冲热成像和调制热成像相结合的红外脉冲相位热成像检测技术。 该技术基于傅里叶变换，可以获得能够无损表征CFRP复合材料的相图。 因此，它克服了脉冲热成像对表面加热均匀性的限制。 意大利学者等研究了红外脉冲热成像检测技术中热损失和三维热扩散对缺陷尺寸测量的影响。 为了克服脉冲热成像技术的局限性，加拿大拉瓦尔大学等随后提出了双脉冲激发热成像探测技术，并表明该技术可以进一步增强热对比度。 加拿大学者Meola等人利用脉冲热成像技术对GFRP复合材料进行低速冲击损伤的无损检测。 英国巴斯大学等也采用分析方法研究发现，脉冲热成像技术的缺陷检出限与缺陷径深比、激发能量和缺陷深度密切相关。 伊朗桂兰大学等还提出了一种利用局部参考像素向量处理脉冲热成像检测结果的瞬态响应相位提取方法，实现了CFRP复合材料的缺陷检测和深度预测。 此外，为了增强FRP复合材料的缺陷检测效果，还提出了许多集成先进特征提取方法的脉冲热成像检测技术，如主成分热成像、矩阵分解热成像、正交多项式分解热成像和低秩稀疏热成像等。主要部件热成像。
国内哈尔滨工业大学、电子科技大学、湖南大学、东南大学、火箭军工程大学、首都师范大学、南京诺维光电系统有限公司等科研单位也开展了红外脉冲FRP复合材料热成像无损检测技术。 做了大量的研究工作，取得了丰硕的研究成果。 首都师范大学研究了GFRP复合材料脉冲热成像检测热图像序列的分割和三维可视化，提出了一种基于局部极小值的图像分割算法。 北京航空航天大学对FRP复合材料次表面缺陷的红外脉冲热成像无损检测检测概率进行了深入研究，分析了阈值、特征信息提取算法等对检测的影响可能性。 此外，国内研究人员还提出了融合稀疏主成分分析、矩阵分解基础算法、流形学习和快速随机稀疏主成分分析等算法的红外脉冲热成像检测技术。
红外锁相热成像检测技术
红外锁相热成像技术是20世纪90年代初发展起来的一种新型数字无损检测技术。 该技术采用单频正弦调制热激励源来加热试件。 那么，试件内部也会产生周期性变化的温度场。 由于缺陷区域与无缺陷区域的表面温度场存在差异，可以利用锁相算法提取表面温度场的幅值和相位，最终实现表面损伤或内部的检测。材料的缺陷。 进行无损检测和评估。 红外锁相热成像检测技术的检测范围比红外脉冲热成像检测技术更大。 此外，可以通过降低激励频率来增加检测深度。
英国华威大学、意大利那不勒斯大学等研究人员较早采用红外锁相热成像技术对CFRP航空零部件进行缺陷检测，并证实该技术比瞬态热成像和超声C更适合-扫描无损检测技术。 CFRP航空零部件表面冲击损伤的快速无损检测。 研究了相同激发能量下红外脉冲热成像和红外锁定热成像对CFRP复合材料分层缺陷的检测能力。 确认红外锁定热成像技术也可用于厚玻璃纤维复合材料的无损检测，并对与缺陷几何形状和深度相关的检测极限问题进行了深入研究。 随后，等人。 研究发现，随着 GFRP 复合材料缺陷深度的增加，利用红外锁定热成像技术获得的相衬增加，而热衬度减小。 提出了一种结合光学锁相热成像和光学方脉冲剪切成像的 CFRP 复合材料冲击损伤的有效表征方法。
哈尔滨工业大学、浙江大学、东南大学等国内研究人员也针对FRP复合材料的红外锁定热成像检测开展了许多有价值的研究工作。 哈尔滨工业大学针对CFRP复合材料分层缺陷尺寸和深度以及热物理性能的无损检测和定量评价开展了系统的理论和实验研究，提出了多种先进的特征增强算法，以提高CFRP复合材料的分层缺陷尺寸和深度以及热物理性能。检测内部分层缺陷。 能见度。 浙江大学利用红外锁定热成像技术对CFRP复合材料中的分层缺陷进行无损检测，并利用深度学习有效去除测量过程中的传感器噪声、背景干扰等，显着提高了CFRP复合材料的无损检测和表征能力。 CFRP 复合材料中的亚表面缺陷。 准确性。 此外，东南大学提出了基于低秩张量填充的热成像检测技术红外通信缺点，解决CFRP复合材料分层红外锁相热成像无损检测中因低帧率带来的热成像数据缺乏和分辨率低的问题缺陷。 ，不仅能有效解决红外锁相热像数据高度缺失的问题，还能大幅提升常用红外热像仪的帧频。
红外热波雷达成像检测技术
近年来，红外热波雷达成像技术因其检测效率高、灵敏度高以及对材料的抗热损伤能力而受到越来越多的关注，并开始应用于FRP复合材料的无损检测和评估。材料。 红外热波雷达成像技术具有红外脉冲热成像技术和红外锁相热成像技术无法比拟的优势。 但由于长期以来尚未用于FRP复合材料的无损检测与评价，其仍具有一定的局限性。 例如，由于通常采用较低调制频率的激励源来检测更深范围的内部缺陷信息，导致热扩散长度增加，导致检测分辨率降低； 另外，为了提高检测信号的信噪比，通常通过增加热流激励强度来解决，但在检测重要的目标部件时，这种方法不适合防止对检测对象的热损伤。
加拿大多伦多大学和印度理工学院的教授首先将线性调频雷达探测技术引入到红外热成像探测技术中，提出了脉冲压缩热成像或热波雷达无损探测技术。 为了显着提高检测热波信号的信噪比和灵敏度，随后提出了热相干层析成像和截断相关光热相干层析成像技术。 截断相关光热相干断层扫描技术的具体原理如图4所示。 印度理工学院和塔帕尔工程技术大学的研究人员还比较了脉冲压缩热成像和红外脉冲热成像等其他检测技术在检测FRP复合材料亚表面缺陷方面的检测性能，并分析了各种技术的优势。 为了增强对FRP复合材料分层缺陷的检测，比利时根特大学最近也提出了具有离散频率相位调制波形的热波雷达技术，并证明该技术具有更高的深度分辨率。
图4 截断相关光热相干断层扫描检测技术原理： (a)截断相关光热相干断层扫描的数学实现； (b) 激光热成像系统框图
国内哈尔滨工业大学、东南大学、电子科技大学、湖南大学等科研人员也针对脉冲压缩热成像或热波雷达开展了大量的研究工作，并取得了重要的创新性研究成果。 哈尔滨工业大学较早将红外热波雷达成像技术拓展到CFRP复合材料铺装和分层缺陷的无损检测与评价，并对热波雷达检测技术的特征提取方法也进行了深入研究。 湖南大学和电子科技大学也分别采用感应式红外热像/热波雷达检测技术和参考脉冲压缩热像检测技术对CFRP复合材料分层缺陷进行检测，取得了较为满意的检测效果。 近期，东南大学还提出了正交频调相波形的热波雷达检测技术，可有效增强CFRP复合材料分层缺陷的检测效果。
红外热波成像热障涂层无损检测研究现状
热障涂层红外热波检测技术的研究始于20世纪80年代。 随着信息电子和计算机技术的快速发展，近年来在航空、先进装备等领域受到高度关注。 目前热障涂层红外热成像无损检测中，光激发红外热成像检测技术仍然是主要方法。 这还是得益于光激红外热成像技术非接触、速度快、检测面积大、检测结果直观。 具有突出的优点，非常适合热障涂层结构性能和健康状态的在线检测和表征。 根据激发热源生热机理的不同，除光激发红外热成像检测技术外，其他无损检测方法还包括：超声波热成像、振动热成像和涡流热成像等。
红外脉冲热成像检测技术
对于热障涂层的红外脉冲热成像无损检测，国外专家学者较早开展了相关研究，并取得了不少研究成果。 西洛等人。 采用红外脉冲热成像技术对热障涂层进行无损检测。 研究表明，当光学穿透深度远小于加热面积且加热面积远大于涂层实际厚度时，该技术可以有效表征热障涂层和表面涂层的热物理性能。 厚度。 刘等人。 提出了一种稳态热流激发热成像技术，可以无损检测热障涂层内部裂纹和厚度不均匀性，可以检测直径远小于1 mm的裂纹。 采用红外脉冲热成像技术对热障涂层厚度和脱粘缺陷进行无损检测，并结合先进的后处理方法，提高时空域分辨率和信噪比。 他等人。 采用红外脉冲热成像技术结合机器学习和相位特征提取方法，系统研究了热障涂层结构中表面涂层厚度变化、脱粘缺陷以及涂层过厚与粘附/脱粘缺陷之间的关系。 区分问题。 随后，为了无损评估热障涂层的老化程度和完整性，Bison等人利用红外脉冲热成像技术检测热障涂层在平面和深度方向的热扩散率和孔隙率。 此外，利用红外脉冲热成像检测技术还可以监测热障涂层的损伤演化过程和寿命评估，而热障涂层结合界面的粗糙形貌、深度和基体强度也对其有重要影响。损伤演化。 还研究了热障涂层表面不均匀性和红外透过率对其光热无损检测的影响。 最近，等人。 采用激光激发红外脉冲热成像技术无损检测表面涂层厚度变化。 采用红外脉冲热成像技术和太赫兹时域光谱技术同时测量不均匀涂层厚度，在估算热障涂层厚度时获得平均相对误差小于10.3%。
虽然我国在热障涂层红外脉冲热成像无损检测方面的研究起步较晚，但北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学、陆军装甲兵学院、北京航空材料研究院等单位的研究人员仍取得了重要成果。 研究成果。 北京航空航天大学采用红外脉冲热成像技术，采用有限元数值模拟和热成像检测实验方法，分析了热障涂层存在脱粘缺陷和厚度不均时的表面温度场，以及厚度和热障涂层的疲劳。 对其特点进行了深入研究。 北京航空材料研究所采用闪光激发红外脉冲热成像技术，不仅可以检测直径小于0.5毫米的脱粘缺陷，还可以识别肉眼无法观察到的微裂纹。 海军工程大学采用有限体积法研究了脉冲热激励下热障涂层发生脱粘缺陷时表面温度场相位差的变化，并利用-算法定量表征了涂层厚度和脱粘缺陷位置。 哈尔滨工业大学将红外脉冲热成像技术与模拟退火、马尔可夫-主成分分析-神经网络等方法相结合，实现热障涂层厚度不均、脱粘缺陷深度和直径的有效定量测定。 近日，哈商大学还提出了基于同态滤波-分水岭-Canny算子混合算法的长脉冲热成像检测技术，不仅可以有效识别热障涂层脱粘缺陷的边缘，而且增强了缺陷特征提取影响。 陆军装甲学院利用脉冲红外热成像检测技术对热障涂层厚度和脱粘缺陷进行了更加系统的研究，并表明热图重建和先进的后处理算法可以有效提高表面涂层厚度表征和脱粘的准确性。 粘性缺陷的检测效果。 近来，热障涂层激光扫描热成像技术的无损检测与评估研究也开始出现。 北京理工大学和南京理工大学利用线激光扫描热成像技术检测热障涂层脱粘缺陷并对20~150μm厚涂层进行高精度无损检测和评估。 为了检测热障涂层表面的微小裂纹，北京理工大学还研发了激光多模式扫描热成像检测技术，将线激光快速扫描模式与点激光精细扫描模式相结合，实现了表面面积仅9.5微米宽。 有效检测微小裂纹。
红外锁相热成像检测技术
与热障涂层红外脉冲热像无损检测研究不同，国内专家学者较早开展热障涂层红外锁定热像无损检测研究，而国外还很少。对此进行研究。 例如，韩国国立大学和Kim利用红外脉冲热成像技术和红外锁定热成像技术对热障涂层表面涂层厚度不均进行无损检测和评估，并进行了有限元数值模拟和评估。热成像测试实验分析各种技术的优点。
国内哈尔滨工业大学、火箭军工程大学等积极探索基于红外锁定热成像技术的热障涂层无损检测与评价研究。 火箭军工程大学采用红外锁相热成像技术对涂层厚度进行检测，并表明该技术可以实现涂层厚度的快速检测，检测精度可达95%。 哈尔滨工业大学采用红外锁相热成像检测技术和热波信号相关提取算法对热障涂层脱粘缺陷进行检测红外通信缺点，研究了光源功率、分析周期数和激发频率对检测结果的影响。 随后，哈尔滨工业大学利用激光激发红外锁定热成像技术，高精度量化了SiC涂层碳/碳复合材料薄涂层厚度分布的均匀性。 上海交通大学还提出了基于多阈值分割和堆叠受限玻尔兹曼机算法的红外热成像无损检测技术，用于热障涂层内部裂纹缺陷的快速无损检测和评估。
红外热波雷达成像检测技术
红外热波雷达成像作为新兴的无损检测技术，具有信噪比高、检测范围大等突出优点，更有利于热障内表面脱粘缺陷的高精度无损检测涂料。 目前，关于热障涂层红外热波雷达成像无损检测与评价的报道较少。 目前国内只有哈尔滨工业大学和东南大学开展了红外热波雷达成像热障涂层无损检测的相关研究。 关于热成像检测的理论和实验研究工作。 技术研究所使用红外热浪雷达成像技术来检测热屏障涂层中的剥离缺陷。 该技术使用线性频率调制信号来调节光源强度，并引入互相关和线性频率调制相锁定的提取算法。 研究表明，该技术可以有效地检测热屏障涂层中的脱粘缺陷。 基于绿色功能方法，东南大学对热屏障涂层的光热传播理论进行了深入研究，并提出了一种先进的非线性频率调制波形脉冲压缩热成像检测技术，该技术可以实现热屏障涂层的地下脱离。 高信噪比和对粘性缺陷的大检测深度的高分辨率检测。
结论
本文介绍了在FRP复合材料和热屏障涂层的非破坏性测试中，红外热成像技术的研究状况和进度。 通过文献研究和分析相关研究结果，可以发现，由于FRP复合材料和热屏障涂层的复杂结构，使传统的非破坏性测试技术无法实现有效且可靠的非破坏性测试和评估。 作为一种新兴的非破坏性测试技术，红外热浪雷达成像技术为高精度非破坏性测试和评估FRP复合材料和热屏障涂料的评估提供了新的机会，这是由于其出色的优势，例如高分辨率，大检测深度，大检测深度，，大检测深度，，大型检测深度，大。和直观检测结果。 。
此外，在研究红外热成像的FRP复合材料和热屏障涂层的非破坏性测试期间，作者还发现，红外热成像非破坏性测试技术的发展仍然面临着一些主要的瓶颈和约束，这也促进红外热成像测试。 技术必须朝着多元化，智能，整合和多源信息集成的方向发展，显示以下发展趋势：
1）多样化
传统的非破坏性测试方法和新的非破坏性测试技术（例如红外热成像）具有自己的优势，缺点和应用范围。 随着检测对象的多元化和检测要求的多样化，所需的检测方法还显示了多元化发展的趋势。 ，特别反映在：①热激发源已经从卤素灯，超声和电磁形成到其他形式的热激发，例如半导体激光器，分阶段的阵列超声。 ②随着计算机和电子信息技术的快速开发，传统的红外脉冲热成像和红外相锁的热成像正在向新兴的高级激发波形压缩热成像或热波雷达雷达雷达检测技术发展。
2）智能
近年来，人工智能技术的快速发展在基于深度学习模型的红外目标识别和跟踪方法方面取得了巨大进展，这无疑为进一步开发红外热成像非破坏性测试技术提供了良好的开发机会。 深度学习方法的高识别率使其在红外目标特征识别，红外图像分割和分类中具有出色的性能，甚至在准确性和实时性能方面超过了传统的检测方法。 人工智能赋予红外热成像检测技术，该技术有望取代手动判断并促进红外热成像在智能检测方向上的非破坏性测试技术的发展。
3）整合
红外热成像检测系统通常需要模块，例如激发热源，红外热成像摄像头，光路调节设备和固定装置。 它们的尺寸较大，结构更复杂，仍然需要手动或自动仪器采样。 为了满足实际的非破坏性测试应用中的原位测量和低能消耗的需求，红外热成像检测技术需要逐渐沿小型整合的方向发展，并最终在非 - 破坏性测试地点。
4）多源信息的综合开发
与单个热成像数据相比，多源和多模式的热成像数据可以提供更多的关键信息。 此外，就信息表示和表达而言，多源和多模式红外热成像数据也增加了非破坏性检查结果的鲁棒性。 。 因此，当检查要求很高时，通常有必要使用互补的优势和多种检查方法的组合。 通过融合和整合多源和多模式的热成像数据，我们最终可以提供高质量，高效，安全和可靠的非破坏性检查解决方案。 计划。 因此，红外热成像技术还需要沿多源信息融合的方向发展。
这项研究得到了国家密钥研发计划（），国家自然科学基金会（），江苏省密钥研发计划（工业远见和核心技术）的资助和支持。技术计划项目（）。
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