專利名稱：熱像檢驗的系統和方法
技術領域：
一般來說，本文所述的實施例涉及紅外成像，以及更具體來說，涉及瞬時熱像檢驗。
背景技術：
熱像檢驗(thermographic inspection)是通過對于對象表面的熱圖案的成像的 對象的無損測試。因為熱像檢驗所提供的各種優點，熱像檢驗往往勝過諸如超聲檢驗和X射線照相檢驗之類的其它無損測試技術。熱像檢驗是非接觸無損的，允許接近表面的表面下檢測的檢測，允許大表面的檢驗，并且提供聞速檢驗。一種形式的熱像檢驗是瞬時熱像。瞬時熱像涉及觀測測試中的對象在經受諸如熱脈沖或散熱脈沖(a pulse of heat sink)之類的熱瞬變時的表面上的溫度分布，然后被允許返回到環境溫度。存在的任何缺陷在這個熱瞬變期間被檢測為表面溫度分布中的異常。瞬時熱像特別好地適合于復合材料的檢驗。復合材料的較低熱導率引起較長壽命的熱瞬變，因此使熱瞬變易于采用熱相機來檢測。一些已知熱像檢驗技術是操作員相關的技術，涉及操作員觀看測試中的對象的熱視頻。然后，操作員觀測視頻關于因對象中的缺陷而引起的對比度的變化。這類技術是技能密集的，并且要求許多人力。還存在自動化熱像檢驗技術。自動化熱像檢驗使用諸如高強度閃光燈之類的熱源來加熱測試中的對象的表面。然后，紅外相機拍攝被測對象的一系列熱圖像(thermal image)或熱像圖(thermogram)。圖像則經過后處理，以便識別測試中的對象中的特征。已知的自動化熱像檢驗技術使用以恒定幀速率驅動的紅外相機。換言之，紅外相機適合以固定時間間隔來捕捉熱圖像。但是，熱活動以非線性速率發生。這引起在熱活動強烈時的熱瞬變開始時捕捉過少熱圖像，而在熱活動明顯較緩慢時的熱瞬變結束時捕捉過多熱圖像(其中較大比例為冗余圖像)。這引起要求大緩沖存儲器、較快的總線的極大數據文件，并且隨后要求用于存儲和歸檔的大磁盤空間。這些較高計算要求增加熱像檢驗系統的成本。一些技術可通過從所捕捉圖像的大集合中提取熱圖像來部分解決存儲問題。但是，這類技術仍然要求大緩沖器和快速總線，以便利于高速圖像捕捉。因此，需要一種解決與已知解決方案關聯的這些和其它缺點的熱像檢驗系統。
發明內容
描述一種用于熱像成像的方法。該方法在時間期間以非線性間隔來捕捉對象表面的多個熱圖像，每個熱圖像與時間數據關聯。該方法還包括處理多個熱圖像和時間數據，并且基于該處理來識別對象中的特征。描述一種用于熱像成像的系統。該系統包括捕捉對象表面的多個熱圖像的紅外成像裝置。該系統還包括在時間期間以非線性間隔來觸發紅外成像裝置的可變時基發生器。該系統還包括將時間數據與多個熱圖像的每個關聯的時間模塊。在一些實施例中，該系統還可包括處理器，該處理器用于考慮與多個熱圖像的每個關聯的時間數據來處理多個熱圖像，并且識別對象中的特征。在一些其它實施例中，該系統還可包括用于加熱對象表面的加熱器。
圖I是按照一個實施例的示例熱像檢驗系統的簡化框圖；圖2是按照一個實施例的、用于熱像檢驗系統的示例時基函數；圖3是按照另一個實施例的、用于熱像檢驗系統的示例時基函數；以及圖4是按照一個實施例的熱像分析的示例過程的流程圖。附圖標記說明100熱像成像系統；102IR成像裝置；104幀緩沖器；106控制模塊；108可變時基發 生器；110時間模塊；112加熱器；114圖像處理器。
具體實施例方式本文展示熱像成像系統的實施例。該系統采用用于觸發紅外(IR)相機的非線性時基來實現以非線性速率的成像。在瞬時熱像測試中，例如，測試中的對象以預定義溫度來加熱。然后停止加熱，并且允許測試中的對象返回到環境溫度。在熱瞬變期間，測試中的對象的熱活動以取決于非限制性地諸如測試中的對象的發射率、吸收率、反射率和溫度之類的各種因素的非線性速率發生。具體來說，熱活動在熱瞬變開始時迅速發生，并且隨熱瞬變發展而減緩。因此，以非線性速率的成像可減少冗余圖像的數量，因而降低處理能力、緩沖存儲器和圖像文件大小的要求。該系統存儲與所捕捉圖像的每個關聯的時間數據供進一步處理。在一些實施例中，該系統還包括用于檢測和識別測試中的對象中的特征的處理模塊。圖I示出按照各個實施例的示例熱像成像系統100的簡化框圖。熱像成像系統100包括IR成像裝置102、幀緩沖器104和控制模塊106。控制模塊106還包括可變時基發生器108和時間模塊110。熱像成像系統100可包括加熱器112和圖像處理器114。但是，加熱器112和圖像處理器114可以是用于熱像檢驗和分析的其它設備的部分。加熱器112可包括高強度放電管閃光單元、連續紅外燈、感應加熱單元、超聲振動加熱器等。IR成像裝置102可包括IR傳感器，例如但不限于焦平面陣列IR傳感器。IR傳感器可以是例如氧化礬微輻射熱計陣列。應當理解，還可使用其它IR傳感器。IR成像裝置102還可包括一個或多個IR透鏡，以便根據IR傳感器產生清晰圖像。IR透鏡可設計成僅使紅外譜的光線通過。幀緩沖器104暫時存儲由IR成像裝置102所捕捉的熱圖像，直到熱圖像能夠傳遞到非易失性存儲裝置或者通過網絡傳送到圖像處理終端。幀緩沖器104可以是高速半導體存儲器裝置。控制模塊106控制IR成像裝置102和幀緩沖器104的操作。控制模塊106包括可變時基發生器108和時間模塊110。可變時基發生器108生成用于觸發IR成像裝置102的非線性時基信號。非線性時基信號以非線性時間間隔來觸發IR成像裝置102。換言之，可變時基發生器108使IR成像裝置102的幀速率隨時間而變化。在各個實現中，可變時基發生器108在熱瞬變開始的短時間間隔之后觸發IR成像裝置102，其中熱活動中的顯著差在短時間間隔中發生。隨著熱瞬變發展，可變時基發生器108在較長時間間隔之后觸發IR成像裝置102，因為只可以以長許多的時間間隔注意到熱活動的差。因此，非線性時基信號的使用實現捕捉最佳數量的熱圖像并且減少冗余熱圖像的數量。可變時基發生器108可生成連續變化時基信號，以便觸發IR成像裝置102。圖2示出隨時間連續改變的示例時基信號。備選地，可變時基發生器108可生成離散變化時基信號、如時間的階梯函數。圖3示出隨時間的階梯函數而改變的示例時基信號。在一個實現中，可變時基發生器108的時基函數可設計成與熱活動的速率配套(complement)。在另一個實現中，可變時基發生器108的時基函數可設計成與圖像處理器114的圖像處理操作配套。例如，時基函數可設計成與用于所捕捉熱圖像系列的時間平滑的高斯函數配套。可變時基發生器108例如可使用工作在飽和區的諸如MOSFET之類的平方律裝置、指數時基的電容器、運算放大器等，作為模擬電路來實現。備選地，可變時基發生器108可例如使用微處理器、諸如現場可編程門陣列之類的可編程邏輯裝置等，作為數字電路來實現。在一個示例實現中，微處理器可采用時基計算函數來編程，以便生成可變時基信號。
在一些低復雜度熱成像系統中，可變時基發生器108可硬編碼或硬連線為熱成像系統100。這種實現可適合于低成本熱成像系統和便攜熱成像系統。備選地，可變時基發生器108可以是可編程或者可配置時基發生器。可編程可變時基發生器的一個示例實現可接受時基函數的用戶輸入。在另一個示例實現中，可編程可變時基發生器上可在其上在存儲器中存儲了多個時基函數。可編程可變時基發生器可接受對多個時基函數之一的用戶選擇。多個時基函數的每個可與特定類型的待測試對象關聯或者用于特定材料或特定物理維。這種系統可接受選擇特定類型的待測試對象、或者特定材料或特定物理維或者它們的組合的輸入，并且基于該輸入來選擇適當的時基函數。控制模塊106還包括時間模塊110。時間模塊110生成所捕捉熱圖像的每個的時間數據。例如，時間數據可以是精確到毫秒的準確時間戳。時間數據則可用于處理熱圖像。在一個實現中，時間模塊110將所生成時間數據與適當熱圖像關聯地存儲在幀緩沖器104中。控制模塊106可配置成使IR成像裝置102所捕捉的熱圖像傳遞到幀緩沖器104中與將時間數據從加時間戳模塊110傳遞到幀緩沖器104精確地同步。然后，圖像處理器114處理幀緩沖器104中存儲的熱圖像，以便識別測試中的對象中的特征。圖像處理器114可將任何適當算法用于處理熱圖像。但是，圖像處理器114這時可直接使用與熱圖像關聯的時間數據來識別特征，而不是使用轉換為熱圖像捕捉的所估計時間的幀號的常規技術。圖4是示出按照一個實施例的熱成像的示例過程的流程圖。在步驟402，加熱器112加熱測試中的對象的表面。加熱器112可通過使用例如高強度放電管閃光或者連續熱波的紅外能量“照射”表面，來直接加熱表面。備選地，加熱器112可通過使測試中的對象的其它部分經受能量，因而引起表面的加熱，來間接地加熱表面。這種間接加熱可使用例如感應加熱或者超聲振動加熱來實現。在瞬時熱像的情況下，加熱在表面達到預定義溫度之后停止。在步驟404，IR成像裝置102在時間期間捕捉表面的多個熱圖像。由可變時基發生器108所觸發的IR成像裝置102以非線性時間間隔來捕捉表面的多個熱圖像。此外，每個熱圖像與時間模塊110所生成的時間數據關聯。多個熱圖像及關聯時間數據可存儲在幀緩沖器104中。
在步驟406，圖像處理器114處理多個熱圖像和時間數據。在一個示例實現中，圖像處理器114通過在那個時間點從像素強度中減去那個熱圖像的所有像素的平均強度，來確定各像素的對比度。然后，使用與熱圖像關聯的時間數據，對各像素繪制相對時間的對比度。在步驟408，圖像處理器114基于該處理來識別對象中的特征。圖像處理器114可基于與對比圖表的峰值關聯的時間數據來估計特征的深度。在特征的厚度沒有迫使熱量在特征周圍流動(又稱作“穿過熱(through heat)”特征)的情況下,這種識別特別有用。但是，當熱量的擴散速率在特征周圍比穿過特征要快時(又稱作“側向熱(lateral heat) ”特征)，對比度峰值從對比圖表中不明顯。在這種情況下,處理器114在步驟406計算對比圖表的時間導數，以便確定對比度的時間導數峰值。隨后，在步驟408，處理器114可基于與對比度的時間導數峰值關聯的時間數據來識別“橫向熱”特征的深度。
雖然在本文所述的實施例中描述了具體實現，但是這類實現是示范性的，而不應當被認為是范圍的限制。還設想實現的其它變化，并且范圍由所附權利要求來限定。
權利要求
1.一種方法，包括 在時間期間以非線性間隔來捕捉(404)對象表面的多個熱圖像，所述熱圖像的每個與時間數據關聯； 處理(406)所述多個熱圖像和所述時間數據；以及 基于所述處理來識別(408)所述對象中的特征。
2.如權利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔是時間的階梯函數。
3.如權利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔是時間的平方律函數。
4.如權利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔基于所述對象的材料的熱發射率的函數來定義。
5.如權利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔基于所述多個熱圖像的處理中使用的圖像處理功能來定義。
6.一種系統(100),包括 紅外成像裝置(102)，捕捉對象表面的多個熱圖像； 可變時基發生器(108)，在時間期間以非線性間隔來觸發所述紅外成像裝置(102);以及 時間模塊(110)，將時間數據與所述多個熱圖像的每個關聯。
7.如權利要求6所述的系統，還包括處理器(114)，所述處理器(114)考慮所述多個熱圖像的每個的所述時間數據來處理所述多個熱圖像，并且識別所述對象中的特征。
8.如權利要求6所述的系統，還包括加熱所述對象表面的加熱器(112)。
9.如權利要求8所述的系統，其中，所述加熱器(112)包括閃光燈、石英燈、微波管或激光源中的一個。
10.如權利要求6所述的系統，其中，所述可變時基發生器(108)包括階梯函數發生器。
11.如權利要求6所述的系統，其中，所述可變時基發生器(108)包括平方律函數發生器。
12.如權利要求6所述的系統，其中，所述可變時基發生器(108)包括可編程函數發生器，其中包括 接受材料選擇的輸入； 存儲器單元，存儲多個時基函數，所述多個時基函數的每個對應于特定材料的熱發射率；以及 選擇器，基于所述輸入來選擇所述多個時基函數的適當的時基函數。
13.如權利要求6所述的系統，其中，所述可變時基發生器(108)包括硬連線函數發生器。
14.如權利要求6所述的系統，其中，所述紅外成像裝置(102)包括焦平面陣列傳感器。
15.如權利要求6所述的系統，其中，所述時間模塊(110)將時間戳與所述多個熱圖像的每個關聯。
16.一種計算機程序產品，包括編碼有計算機可執行指令的非暫時計算機可讀介質，其中所述計算機可執行指令在被運行時使一個或多個處理器 觸發紅外成像裝置(102)，以便在時間期間以非線性間隔來捕捉(404)對象表面的多個熱圖像，所述熱圖像的每個與時間數據關聯；接收所述多個熱圖像和所述時間數據； 處理(406)所述多個熱圖像和所述時間數據；以及 基于所述處理來識別(408)所述對象中的特征。
17.如權利要求16所述的計算機程序產品，還包括使所述一個或多個處理器執行下列步驟的計算機可執行指令 接受材料選擇輸入； 基于所述材料選擇輸入來選擇多個時基函數的適當的時基函數；以及 基于所述所選時基函數來觸發所述紅外成像裝置(102)。
18.如權利要求16所述的計算機程序產品，其中，所述非線性間隔包括時間的階梯函數或者時間的平方律函數。
19.如權利要求16所述的計算機程序產品，其中，所述非線性間隔基于所述對象的材料的熱發射率的函數來定義。
20.如權利要求16所述的計算機程序產品，其中，所述非線性間隔基于所述多個熱圖像的處理中使用的圖像處理功能來定義。
全文摘要
描述一種用于熱像成像的方法(400)。方法(400)在時間期間以非線性間隔來捕捉(404)對象表面的多個熱圖像，熱圖像的每個與時間數據關聯。然后，該方法處理(406)多個熱圖像和時間數據，并且基于該處理來識別(408)對象中的特征。
文檔編號G01N25/72GK102778477SQ20121014330
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月27日 優先權日2011年4月27日
發明者B·E·奈特, D·R·霍華德, H·I·林格馬赫 申請人:通用電氣公司