航空復(fù)合材料缺陷檢測(cè)最新技術(shù)
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作者：鄭曉蒙
復(fù)合材料具有單一材料無法比擬的優(yōu)越性能，其發(fā)展和應(yīng)用為軍械航空裝備的優(yōu)化，尤其是在減輕質(zhì)量和提高可靠性方面，提供了極大的優(yōu)越條件。但由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其缺陷無法靠目視判斷，且缺陷分層，采用常用的無損檢測(cè)技術(shù)，如目視檢測(cè)、超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)等對(duì)其進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)都存在很大的局限性，從而給復(fù)合材料的無損檢測(cè)帶來了極大的挑戰(zhàn)。
紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)是近年來新興的通過圖像處理進(jìn)行缺陷識(shí)別和分析的無損檢測(cè)技術(shù)。其基本原理是通過主動(dòng)可控的熱激勵(lì)手段對(duì)被測(cè)物加熱，存在缺陷的被檢測(cè)材料由于內(nèi)部材質(zhì)差異在表面產(chǎn)生不同的溫度場(chǎng)分布，利用紅外熱像儀同步獲取加熱或散熱過程中的紅外熱圖，根據(jù)圖像的時(shí)間序列分析技術(shù)來判斷缺陷存在與否。比起傳統(tǒng)的無損檢測(cè)技術(shù)，紅外熱像無損檢測(cè)具有非接觸、檢測(cè)面積大、快速等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
用紅外熱像儀獲取復(fù)合材料紅外熱圖一方面受到復(fù)合材料構(gòu)件結(jié)構(gòu)以及材料各向異性的影響，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過程中由于光照、視角等環(huán)境因素引起圖像噪聲，使得所獲取的圖像背景存在明顯噪聲、目標(biāo)邊緣模糊、對(duì)比度較低等不足之處。故在對(duì)紅外熱圖進(jìn)行缺陷識(shí)別和分析之前，有必要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，以實(shí)現(xiàn)圖像1 紅外熱圖圖像獲取及預(yù)處理
本文選用一個(gè)碳纖維復(fù)合材料的軍械航空裝備——某型無人機(jī)機(jī)翼肋段零件作為實(shí)驗(yàn)試件，如圖1所示。其基體樹脂為低溫固化改性環(huán)氧樹脂體系，增強(qiáng)纖維是T300-3K-40B碳纖維，采用軋膜成型，真空袋封裝，熱壓罐固化工藝。試件上的人為缺陷是將試件水平放置后，采用質(zhì)量1 kg的球頭以一定的加速度垂直撞擊肋段而產(chǎn)生，以模擬無人機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在進(jìn)行飛機(jī)裝配時(shí)，工具墜落的實(shí)際情況。該缺陷貫穿分層，從試件背面目視分層區(qū)域長4—5 cm，寬2 cm左右。在圖中缺陷的右下位置是由實(shí)驗(yàn)人員貼在試件上的圓形標(biāo)簽，該標(biāo)簽用于圖像畸變的校正和缺陷定量分析的標(biāo)定。
實(shí)驗(yàn)采用超聲激勵(lì)作為主動(dòng)可控?zé)峒?lì)，對(duì)所選取的試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得的一組紅外熱序圖如圖2a）所示。該組圖為在一次實(shí)驗(yàn)過程中截取的六幅缺陷擴(kuò)散特征比較明顯的紅外熱象圖，右下角的高亮目標(biāo)為標(biāo)簽，其余目標(biāo)均為缺陷。圖中明顯存在較大的背景噪聲。
為了降低圖像的噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，有必要對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波處理。常用的濾波方式包括鄰域平均、高斯加權(quán)平均、選擇式掩膜平均、中值濾波等。經(jīng)過比較，在對(duì)圖像進(jìn)行灰值化處理之后，采用Sx5的模板窗口的選擇式掩膜平滑來實(shí)現(xiàn)降噪的目的，處理結(jié)果如圖2b）所示。與圖2a）相比，經(jīng)過預(yù)處理的圖像背景噪聲得到了一定程度的抑制。
2紅外熱像圖的缺陷拼接
處于不同層的缺陷在熱擴(kuò)散上存在的時(shí)間差，在熱序圖中通過目標(biāo)亮度和大小的變化體現(xiàn)出來，為了將各個(gè)缺陷的信息綜合起來并顯示在同一圖像中，采用圖像融合的方法對(duì)缺陷進(jìn)行時(shí)間域的拼接。同時(shí)，受到復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料的熱擴(kuò)散速度等因素的影響，實(shí)際上連接的缺陷在圖像上可能表現(xiàn)為分離的兩個(gè)缺陷，即使通過時(shí)間域的缺陷拼接也只能在視覺上對(duì)其進(jìn)行可拼接性的估計(jì)，于是需要在圖像的后期處理中通過分析和計(jì)算判斷其可拼接性，進(jìn)而進(jìn)行空間域的缺陷拼接。
2.1 缺陷的時(shí)間域拼接
本文通過圖像融合的方法來實(shí)現(xiàn)缺陷的時(shí)間域拼接。根據(jù)需要，本文采用直接融合方法和基于變換的融合。直接融合方法即將不同的圖像的像素灰度值做簡(jiǎn)單的計(jì)算后得到該點(diǎn)的像素，主要包括最大值融合、均值融合、加權(quán)融合等方法，得到如圖3所示結(jié)果。
2.2缺陷的空間域拼接
由于復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、紅外熱像圖的熱擴(kuò)散等原因，實(shí)際上連接的缺陷在圖像上可能表現(xiàn)為分離的兩個(gè)缺陷。從圖3來看，該缺陷在經(jīng)過時(shí)間域的拼接之后仍然在圖像上表現(xiàn)為分離的缺陷，但在視覺上可猜測(cè)其具有可拼接性。從而，將根據(jù)熱擴(kuò)散速度的分析其可拼接性，并進(jìn)行拼接。
缺陷可拼接性判斷的主要依據(jù)是，隨著時(shí)間的變化，被檢測(cè)材料的熱量慢慢擴(kuò)散，有缺陷的方向擴(kuò)散速度比沒有缺陷的方向快。具體方法如下：(1)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；(2)通過對(duì)比選擇最合適的兩幅連續(xù)組圖，計(jì)算缺陷的中心，如圖4a）；(3)將兩幅圖像作差，預(yù)計(jì)缺陷擴(kuò)散方向的個(gè)數(shù)，并通過對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕操作，按照預(yù)計(jì)的擴(kuò)散方向個(gè)數(shù)計(jì)算出缺陷的擴(kuò)散中心，如圖4b）；(4)以缺陷中心到擴(kuò)散中心的連線方向作為缺陷的擴(kuò)散方向，當(dāng)進(jìn)行判斷的兩個(gè)缺陷滿足擴(kuò)散方向和相對(duì)距離的條件時(shí)，認(rèn)為其可以進(jìn)行拼接。
判斷結(jié)果為兩缺陷可進(jìn)行拼接時(shí)，以兩缺陷中心的連線角度作為拼接角度來進(jìn)行缺陷拼接。如圖5a）所示，以缺陷的拼接方向的垂直方向作等距的分度線，統(tǒng)計(jì)分度線上的缺陷跨度，如圖Sb）所示。根據(jù)實(shí)際情況考慮，選擇第一個(gè)跨度值波形中經(jīng)過波峰后跨度值突然迅速減小的位置和第二個(gè)跨度值波形中快到波峰時(shí)跨度值增大速度迅速變慢的位置作為兩個(gè)將進(jìn)行拼接的缺陷的拼接點(diǎn)。連接相應(yīng)的拼接點(diǎn)構(gòu)成拼接區(qū)域并填充，可得到拼接后的圖像如圖Sc）所示。拼接后的圖像輪廓與實(shí)際的缺陷輪廓基本一致。
3紅外熱像圖的畸變矯正
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，特別是有源熱像無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，紅外熱像儀與試件總存在一個(gè)或大或小的視角，該視角給紅外熱圖帶來了幾何畸變；同時(shí)由于熱源的各點(diǎn)距離與熱像儀的距離不同，空氣給紅外熱輻射帶來的損耗不同，給圖像的亮度帶來了梯度誤差。
紅外熱像儀與復(fù)合材料試件上各點(diǎn)的角度和距離存在差異，使得紅外熱像儀所獲得的圖像存在幾何畸變。熱像圖的幾何畸變包括縱向畸變和橫向畸變，可分別通過縱向拉伸和橫向拉伸來進(jìn)行補(bǔ)償，其過程如圖6所示。
在經(jīng)過圖像融合后的圖像中，試件上的圓形標(biāo)簽在熱像圖中表現(xiàn)為一個(gè)不完整的橢圓，如圖7a）所示。由于紅外熱像儀的視角，標(biāo)簽和圖像產(chǎn)生了同樣的幾何畸變，故將標(biāo)簽恢復(fù)成圓形的同等變換可補(bǔ)償熱像圖的幾何畸變。利用橢圓長短軸的比例可獲得縱向拉伸比例以進(jìn)行縱向拉伸補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖7b）。可以觀察到圖7b）中標(biāo)簽長短軸已經(jīng)補(bǔ)償一致，但是標(biāo)簽仍然向左側(cè)傾斜，如圖7c）所示。由于在本例中紅外熱像儀以非垂直角度正對(duì)試件中線，所以中線左右兩邊橫向畸變對(duì)稱，現(xiàn)通過橫向拉伸進(jìn)行補(bǔ)償，即根據(jù)標(biāo)簽縱軸斜率為依據(jù)，將圖7c）中梯形部分內(nèi)的圖像進(jìn)行橫向拉伸補(bǔ)償，得到補(bǔ)償最終結(jié)果如圖7d）。觀察圖7d）可知，通過圖像補(bǔ)償，校正了由于紅外熱像儀視角引起的幾何畸變，使得缺陷接近原試件。
根據(jù)圖像融合結(jié)果圖進(jìn)行幾何畸變補(bǔ)償過程中得到的橫縱軸拉伸比例，對(duì)拼接圖像進(jìn)行幾何畸變矯正，矯正后的圖像如圖8所示。
另外，亮度的梯度誤差與空氣對(duì)紅外熱輻射的損耗有關(guān)。但是通過計(jì)算，在一般的無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)情況下，大氣對(duì)紅外輻射的吸收衰減和散射衰減可忽略不計(jì)；當(dāng)紅外熱像儀的焦點(diǎn)與試件中心的連線與垂直方向的角度很小時(shí)，紅外熱輻射在大氣中傳播時(shí)的損耗變化，被檢測(cè)材料的熱量慢慢擴(kuò)散，有缺陷的方向擴(kuò)散速度比沒有缺陷的方向快。具體方法如下：(1)對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理；(2)通過對(duì)比選擇最合適的兩幅連續(xù)組圖，計(jì)算缺陷的中心，如圖4a）；(3)將兩幅圖像作差，預(yù)計(jì)缺陷擴(kuò)散方向的個(gè)數(shù)，并通過對(duì)圖像進(jìn)行腐蝕操作，按照預(yù)計(jì)的擴(kuò)散方向個(gè)數(shù)計(jì)算出缺陷的擴(kuò)散中心，如圖4b）；(4)以缺陷中心到擴(kuò)散中心的連線方向作為缺陷的擴(kuò)散方向，當(dāng)進(jìn)行判斷的兩個(gè)缺陷滿足擴(kuò)散方向和相對(duì)距離的條件時(shí)，認(rèn)為其可以進(jìn)行拼接。
判斷結(jié)果為兩缺陷可進(jìn)行拼接時(shí)，以兩缺陷中心的連線角度作為拼接角度來進(jìn)行缺陷拼接。如圖5a）所示，以缺陷的拼接方向的垂直方向作等距的分度線，統(tǒng)計(jì)分度線上的缺陷跨度，如圖5b）所示。根據(jù)實(shí)際情況考慮，選擇第一個(gè)跨度值波形中經(jīng)過波峰后跨度值突然迅速減小的位置和第二個(gè)跨度值波形中快到波峰時(shí)跨度值增大速度迅速變慢的位置作為兩個(gè)將進(jìn)行拼接的缺陷的拼接點(diǎn)。連接相應(yīng)的拼接點(diǎn)構(gòu)成拼接區(qū)域并填充，可得到拼接后的圖像如圖Sc）所示。拼接后的圖像輪廓與實(shí)際的缺陷輪廓基本一致。
3紅外熱像圖的畸變矯正
在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，特別是有源熱像無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，紅外熱像儀與試件總存在一個(gè)或大或小的視角，該視角給紅外熱圖帶來了幾何畸變；同時(shí)由于熱源的各點(diǎn)距離與熱像儀的距離不同，空氣給紅外熱輻射帶來的損耗不同，給圖像的亮度帶來了梯度誤差。
紅外熱像儀與復(fù)合材料試件上各點(diǎn)的角度和距離存在差異，使得紅外熱像儀所獲得的圖像存在幾何畸變。熱像圖的幾何畸變包括縱向畸變和橫向畸變，可分別通過縱向拉伸和橫向拉伸來進(jìn)行補(bǔ)償，其過程如圖6所示。
在經(jīng)過圖像融合后的圖像中，試件上的圓形標(biāo)簽在熱像圖中表現(xiàn)為一個(gè)不完整的橢圓，如圖7a）所示。由于紅外熱像儀的視角，標(biāo)簽和圖像產(chǎn)生了同樣的幾何畸變，故將標(biāo)簽恢復(fù)成圓形的同等變換可補(bǔ)償熱像圖的幾何畸變。利用橢圓長短軸的比例可獲得縱向拉伸比例以進(jìn)行縱向拉伸補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖7b）�？梢杂^察到圖7b）中標(biāo)簽長短軸已經(jīng)補(bǔ)償一致，但是標(biāo)簽仍然向左側(cè)傾斜，如圖7c）所示。由于在本例中紅外熱像儀以非垂直角度正對(duì)試件中線，所以中線左右兩邊橫向畸變對(duì)稱，現(xiàn)通過橫向拉伸進(jìn)行補(bǔ)償，即根據(jù)標(biāo)簽縱軸斜率為依據(jù)，將圖7c）中梯形部分內(nèi)的圖像進(jìn)行橫向拉伸補(bǔ)償，得到補(bǔ)償最終結(jié)果如圖7d）。觀察圖7d）可知，通過圖像補(bǔ)償，校正了由于紅外熱像儀視角引起的幾何畸變，使得缺陷接近原試件。
根據(jù)圖像融合結(jié)果圖進(jìn)行幾何畸變補(bǔ)償過程中得到的橫縱軸拉伸比例，對(duì)拼接圖像進(jìn)行幾何畸變矯正，矯正后的圖像如圖8所示。
另外，亮度的梯度誤差與空氣對(duì)紅外熱輻射的損耗有關(guān)。但是通過計(jì)算，在一般的無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)情況下，大氣對(duì)紅外輻射的吸收衰減和散射衰減可忽略不計(jì)；當(dāng)紅外熱像儀的焦點(diǎn)與試件中心的連線與垂直方向的角度很小時(shí)，紅外熱輻射在大氣中傳播時(shí)的損耗不同帶來的誤差可不計(jì)。
4紅外熱像圖的標(biāo)定以及缺陷定量分析
由第三部分的分析可得出，畸變可通過縱向拉伸和橫向拉伸來矯正；同時(shí)，對(duì)比標(biāo)簽的實(shí)際尺寸以及校正后圖像上的尺寸，以對(duì)圖像進(jìn)行標(biāo)定。
針對(duì)矯正后的圖像，可通過定量分析計(jì)算出缺陷的長、寬和面積。缺陷的圖像計(jì)算面積是目標(biāo)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，但由于缺陷的形狀不規(guī)則，實(shí)際面積無法精確計(jì)算。長為缺陷中距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)點(diǎn)的距離，寬為與長垂直的方向上最寬的點(diǎn)。表1為定量分析的結(jié)果，與實(shí)際測(cè)量的缺陷尺寸相比，長度的計(jì)算精度達(dá)到94.12%，寬度的極端精度達(dá)到99. 83%。
由以上結(jié)果可以看出，本次實(shí)驗(yàn)得出的熱圖經(jīng)過以上方法進(jìn)行拼接和畸變校正，吻合度比較高，符合復(fù)合材料修復(fù)的基本要求。為了驗(yàn)證本方法在某型無人機(jī)零件修復(fù)工作上的普遍有效性，以相同的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)某型無人機(jī)的四組不同零件（均為機(jī)翼的不同肋段）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行圖像處理，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。表1與表2相結(jié)合，則有一共五組實(shí)驗(yàn)。與實(shí)際測(cè)量的缺陷尺寸相比，長度的計(jì)算平均精度達(dá)到97. 58%，均方根為2.05830/0；寬度的平均精度達(dá)到97. 120/0．均方根為2.2353%。
5結(jié)論
軍械航空復(fù)合材料具有單一材料無法比擬的優(yōu)越性能，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺陷分層且檢測(cè)困難，導(dǎo)致難以對(duì)其缺陷進(jìn)行有效檢查、定位和分析。本文以超聲紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)沖擊損傷的軍械航空復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果為樣本，進(jìn)行了完整的缺陷分析，包括圖像預(yù)處理、缺陷拼接、圖像的標(biāo)定和矯正，以及定量計(jì)算。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)缺陷進(jìn)行了定量分析，并以同樣方法進(jìn)行了反復(fù)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得到了較為理想的結(jié)果。為紅外熱像無損檢測(cè)技術(shù)定量分析研究，尤其是缺陷拼接技術(shù)提供了新的方法。
6摘要：
以受到?jīng)_擊損傷的軍械航空復(fù)合材料試件在超聲紅外熱像無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)下一組時(shí)間序列熱圖為對(duì)象，研究了圖像特點(diǎn)及漸變過程。針對(duì)軍械航空復(fù)合材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、缺陷特點(diǎn)以及圖像的實(shí)際特征，在經(jīng)過圖像降噪預(yù)處理之后，采用圖像融合的方法實(shí)現(xiàn)時(shí)間域的缺陷拼接，繼而通過分析缺陷的熱擴(kuò)散特點(diǎn)判斷缺陷的空間域可拼接性并進(jìn)行拼接，解決了軍械航空復(fù)合材料上的缺陷在紅外熱圖中不連貫的問題。從定量分析的缺陷長、寬精度來看，所采用的缺陷拼接方法在針對(duì)沖擊損傷的復(fù)合材料試件缺陷分析中有效。
