專利名稱：熱像檢驗(yàn)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本文所述的實(shí)施例涉及紅外成像，以及更具體來說，涉及瞬時(shí)熱像檢驗(yàn)。
背景技術(shù)：
熱像檢驗(yàn)(thermographic inspection)是通過對(duì)于對(duì)象表面的熱圖案的成像的 對(duì)象的無損測(cè)試。因?yàn)闊嵯駲z驗(yàn)所提供的各種優(yōu)點(diǎn)，熱像檢驗(yàn)往往勝過諸如超聲檢驗(yàn)和X射線照相檢驗(yàn)之類的其它無損測(cè)試技術(shù)。熱像檢驗(yàn)是非接觸無損的，允許接近表面的表面下檢測(cè)的檢測(cè)，允許大表面的檢驗(yàn)，并且提供聞速檢驗(yàn)。一種形式的熱像檢驗(yàn)是瞬時(shí)熱像。瞬時(shí)熱像涉及觀測(cè)測(cè)試中的對(duì)象在經(jīng)受諸如熱脈沖或散熱脈沖(a pulse of heat sink)之類的熱瞬變時(shí)的表面上的溫度分布，然后被允許返回到環(huán)境溫度。存在的任何缺陷在這個(gè)熱瞬變期間被檢測(cè)為表面溫度分布中的異常。瞬時(shí)熱像特別好地適合于復(fù)合材料的檢驗(yàn)。復(fù)合材料的較低熱導(dǎo)率引起較長(zhǎng)壽命的熱瞬變，因此使熱瞬變易于采用熱相機(jī)來檢測(cè)。一些已知熱像檢驗(yàn)技術(shù)是操作員相關(guān)的技術(shù)，涉及操作員觀看測(cè)試中的對(duì)象的熱視頻。然后，操作員觀測(cè)視頻關(guān)于因?qū)ο笾械娜毕荻鸬膶?duì)比度的變化。這類技術(shù)是技能密集的，并且要求許多人力。還存在自動(dòng)化熱像檢驗(yàn)技術(shù)。自動(dòng)化熱像檢驗(yàn)使用諸如高強(qiáng)度閃光燈之類的熱源來加熱測(cè)試中的對(duì)象的表面。然后，紅外相機(jī)拍攝被測(cè)對(duì)象的一系列熱圖像(thermal image)或熱像圖(thermogram)。圖像則經(jīng)過后處理，以便識(shí)別測(cè)試中的對(duì)象中的特征。已知的自動(dòng)化熱像檢驗(yàn)技術(shù)使用以恒定幀速率驅(qū)動(dòng)的紅外相機(jī)。換言之，紅外相機(jī)適合以固定時(shí)間間隔來捕捉熱圖像。但是，熱活動(dòng)以非線性速率發(fā)生。這引起在熱活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)的熱瞬變開始時(shí)捕捉過少熱圖像，而在熱活動(dòng)明顯較緩慢時(shí)的熱瞬變結(jié)束時(shí)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(chǔ)器、較快的總線的極大數(shù)據(jù)文件，并且隨后要求用于存儲(chǔ)和歸檔的大磁盤空間。這些較高計(jì)算要求增加熱像檢驗(yàn)系統(tǒng)的成本。一些技術(shù)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(chǔ)問題。但是，這類技術(shù)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(guān)聯(lián)的這些和其它缺點(diǎn)的熱像檢驗(yàn)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
描述一種用于熱像成像的方法。該方法在時(shí)間期間以非線性間隔來捕捉對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像，每個(gè)熱圖像與時(shí)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。該方法還包括處理多個(gè)熱圖像和時(shí)間數(shù)據(jù)，并且基于該處理來識(shí)別對(duì)象中的特征。描述一種用于熱像成像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括捕捉對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像的紅外成像裝置。該系統(tǒng)還包括在時(shí)間期間以非線性間隔來觸發(fā)紅外成像裝置的可變時(shí)基發(fā)生器。該系統(tǒng)還包括將時(shí)間數(shù)據(jù)與多個(gè)熱圖像的每個(gè)關(guān)聯(lián)的時(shí)間模塊。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)還可包括處理器，該處理器用于考慮與多個(gè)熱圖像的每個(gè)關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)來處理多個(gè)熱圖像，并且識(shí)別對(duì)象中的特征。在一些其它實(shí)施例中，該系統(tǒng)還可包括用于加熱對(duì)象表面的加熱器。


圖I是按照一個(gè)實(shí)施例的示例熱像檢驗(yàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖；圖2是按照一個(gè)實(shí)施例的、用于熱像檢驗(yàn)系統(tǒng)的示例時(shí)基函數(shù)；圖3是按照另一個(gè)實(shí)施例的、用于熱像檢驗(yàn)系統(tǒng)的示例時(shí)基函數(shù)；以及圖4是按照一個(gè)實(shí)施例的熱像分析的示例過程的流程圖。附圖標(biāo)記說明100熱像成像系統(tǒng)；102IR成像裝置；104幀緩沖器；106控制模塊；108可變時(shí)基發(fā) 生器；110時(shí)間模塊；112加熱器；114圖像處理器。
具體實(shí)施例方式本文展示熱像成像系統(tǒng)的實(shí)施例。該系統(tǒng)采用用于觸發(fā)紅外(IR)相機(jī)的非線性時(shí)基來實(shí)現(xiàn)以非線性速率的成像。在瞬時(shí)熱像測(cè)試中，例如，測(cè)試中的對(duì)象以預(yù)定義溫度來加熱。然后停止加熱，并且允許測(cè)試中的對(duì)象返回到環(huán)境溫度。在熱瞬變期間，測(cè)試中的對(duì)象的熱活動(dòng)以取決于非限制性地諸如測(cè)試中的對(duì)象的發(fā)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(fā)生。具體來說，熱活動(dòng)在熱瞬變開始時(shí)迅速發(fā)生，并且隨熱瞬變發(fā)展而減緩。因此，以非線性速率的成像可減少冗余圖像的數(shù)量，因而降低處理能力、緩沖存儲(chǔ)器和圖像文件大小的要求。該系統(tǒng)存儲(chǔ)與所捕捉圖像的每個(gè)關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)供進(jìn)一步處理。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)還包括用于檢測(cè)和識(shí)別測(cè)試中的對(duì)象中的特征的處理模塊。圖I示出按照各個(gè)實(shí)施例的示例熱像成像系統(tǒng)100的簡(jiǎn)化框圖。熱像成像系統(tǒng)100包括IR成像裝置102、幀緩沖器104和控制模塊106?？刂颇K106還包括可變時(shí)基發(fā)生器108和時(shí)間模塊110。熱像成像系統(tǒng)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(yàn)和分析的其它設(shè)備的部分。加熱器112可包括高強(qiáng)度放電管閃光單元、連續(xù)紅外燈、感應(yīng)加熱單元、超聲振動(dòng)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(jì)陣列。應(yīng)當(dāng)理解，還可使用其它IR傳感器。IR成像裝置102還可包括一個(gè)或多個(gè)IR透鏡，以便根據(jù)IR傳感器產(chǎn)生清晰圖像。IR透鏡可設(shè)計(jì)成僅使紅外譜的光線通過。幀緩沖器104暫時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)裝置或者通過網(wǎng)絡(luò)傳送到圖像處理終端。幀緩沖器104可以是高速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置?？刂颇K106控制IR成像裝置102和幀緩沖器104的操作?？刂颇K106包括可變時(shí)基發(fā)生器108和時(shí)間模塊110?？勺儠r(shí)基發(fā)生器108生成用于觸發(fā)IR成像裝置102的非線性時(shí)基信號(hào)。非線性時(shí)基信號(hào)以非線性時(shí)間間隔來觸發(fā)IR成像裝置102。換言之，可變時(shí)基發(fā)生器108使IR成像裝置102的幀速率隨時(shí)間而變化。在各個(gè)實(shí)現(xiàn)中，可變時(shí)基發(fā)生器108在熱瞬變開始的短時(shí)間間隔之后觸發(fā)IR成像裝置102，其中熱活動(dòng)中的顯著差在短時(shí)間間隔中發(fā)生。隨著熱瞬變發(fā)展，可變時(shí)基發(fā)生器108在較長(zhǎng)時(shí)間間隔之后觸發(fā)IR成像裝置102，因?yàn)橹豢梢砸蚤L(zhǎng)許多的時(shí)間間隔注意到熱活動(dòng)的差。因此，非線性時(shí)基信號(hào)的使用實(shí)現(xiàn)捕捉最佳數(shù)量的熱圖像并且減少冗余熱圖像的數(shù)量?？勺儠r(shí)基發(fā)生器108可生成連續(xù)變化時(shí)基信號(hào)，以便觸發(fā)IR成像裝置102。圖2示出隨時(shí)間連續(xù)改變的示例時(shí)基信號(hào)。備選地，可變時(shí)基發(fā)生器108可生成離散變化時(shí)基信號(hào)、如時(shí)間的階梯函數(shù)。圖3示出隨時(shí)間的階梯函數(shù)而改變的示例時(shí)基信號(hào)。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，可變時(shí)基發(fā)生器108的時(shí)基函數(shù)可設(shè)計(jì)成與熱活動(dòng)的速率配套(complement)。在另一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，可變時(shí)基發(fā)生器108的時(shí)基函數(shù)可設(shè)計(jì)成與圖像處理器114的圖像處理操作配套。例如，時(shí)基函數(shù)可設(shè)計(jì)成與用于所捕捉熱圖像系列的時(shí)間平滑的高斯函數(shù)配套?？勺儠r(shí)基發(fā)生器108例如可使用工作在飽和區(qū)的諸如MOSFET之類的平方律裝置、指數(shù)時(shí)基的電容器、運(yùn)算放大器等，作為模擬電路來實(shí)現(xiàn)。備選地，可變時(shí)基發(fā)生器108可例如使用微處理器、諸如現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列之類的可編程邏輯裝置等，作為數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)中，微處理器可采用時(shí)基計(jì)算函數(shù)來編程，以便生成可變時(shí)基信號(hào)。
在一些低復(fù)雜度熱成像系統(tǒng)中，可變時(shí)基發(fā)生器108可硬編碼或硬連線為熱成像系統(tǒng)100。這種實(shí)現(xiàn)可適合于低成本熱成像系統(tǒng)和便攜熱成像系統(tǒng)。備選地，可變時(shí)基發(fā)生器108可以是可編程或者可配置時(shí)基發(fā)生器。可編程可變時(shí)基發(fā)生器的一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)可接受時(shí)基函數(shù)的用戶輸入。在另一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)中，可編程可變時(shí)基發(fā)生器上可在其上在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了多個(gè)時(shí)基函數(shù)。可編程可變時(shí)基發(fā)生器可接受對(duì)多個(gè)時(shí)基函數(shù)之一的用戶選擇。多個(gè)時(shí)基函數(shù)的每個(gè)可與特定類型的待測(cè)試對(duì)象關(guān)聯(lián)或者用于特定材料或特定物理維。這種系統(tǒng)可接受選擇特定類型的待測(cè)試對(duì)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(dāng)?shù)臅r(shí)基函數(shù)?？刂颇K106還包括時(shí)間模塊110。時(shí)間模塊110生成所捕捉熱圖像的每個(gè)的時(shí)間數(shù)據(jù)。例如，時(shí)間數(shù)據(jù)可以是精確到毫秒的準(zhǔn)確時(shí)間戳。時(shí)間數(shù)據(jù)則可用于處理熱圖像。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，時(shí)間模塊110將所生成時(shí)間數(shù)據(jù)與適當(dāng)熱圖像關(guān)聯(lián)地存儲(chǔ)在幀緩沖器104中?？刂颇K106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(shí)間數(shù)據(jù)從加時(shí)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(chǔ)的熱圖像，以便識(shí)別測(cè)試中的對(duì)象中的特征。圖像處理器114可將任何適當(dāng)算法用于處理熱圖像。但是，圖像處理器114這時(shí)可直接使用與熱圖像關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)來識(shí)別特征，而不是使用轉(zhuǎn)換為熱圖像捕捉的所估計(jì)時(shí)間的幀號(hào)的常規(guī)技術(shù)。圖4是示出按照一個(gè)實(shí)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(cè)試中的對(duì)象的表面。加熱器112可通過使用例如高強(qiáng)度放電管閃光或者連續(xù)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(cè)試中的對(duì)象的其它部分經(jīng)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(yīng)加熱或者超聲振動(dòng)加熱來實(shí)現(xiàn)。在瞬時(shí)熱像的情況下，加熱在表面達(dá)到預(yù)定義溫度之后停止。在步驟404，IR成像裝置102在時(shí)間期間捕捉表面的多個(gè)熱圖像。由可變時(shí)基發(fā)生器108所觸發(fā)的IR成像裝置102以非線性時(shí)間間隔來捕捉表面的多個(gè)熱圖像。此外，每個(gè)熱圖像與時(shí)間模塊110所生成的時(shí)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。多個(gè)熱圖像及關(guān)聯(lián)時(shí)間數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)在幀緩沖器104中。
在步驟406，圖像處理器114處理多個(gè)熱圖像和時(shí)間數(shù)據(jù)。在一個(gè)示例實(shí)現(xiàn)中，圖像處理器114通過在那個(gè)時(shí)間點(diǎn)從像素強(qiáng)度中減去那個(gè)熱圖像的所有像素的平均強(qiáng)度，來確定各像素的對(duì)比度。然后，使用與熱圖像關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)，對(duì)各像素繪制相對(duì)時(shí)間的對(duì)比度。在步驟408，圖像處理器114基于該處理來識(shí)別對(duì)象中的特征。圖像處理器114可基于與對(duì)比圖表的峰值關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)來估計(jì)特征的深度。在特征的厚度沒有迫使熱量在特征周圍流動(dòng)(又稱作“穿過熱(through heat)”特征)的情況下,這種識(shí)別特別有用。但是，當(dāng)熱量的擴(kuò)散速率在特征周圍比穿過特征要快時(shí)(又稱作“側(cè)向熱(lateral heat) ”特征)，對(duì)比度峰值從對(duì)比圖表中不明顯。在這種情況下,處理器114在步驟406計(jì)算對(duì)比圖表的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，以便確定對(duì)比度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)峰值。隨后，在步驟408，處理器114可基于與對(duì)比度的時(shí)間導(dǎo)數(shù)峰值關(guān)聯(lián)的時(shí)間數(shù)據(jù)來識(shí)別“橫向熱”特征的深度。
雖然在本文所述的實(shí)施例中描述了具體實(shí)現(xiàn)，但是這類實(shí)現(xiàn)是示范性的，而不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是范圍的限制。還設(shè)想實(shí)現(xiàn)的其它變化，并且范圍由所附權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括 在時(shí)間期間以非線性間隔來捕捉(404)對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像，所述熱圖像的每個(gè)與時(shí)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)； 處理(406)所述多個(gè)熱圖像和所述時(shí)間數(shù)據(jù)；以及 基于所述處理來識(shí)別(408)所述對(duì)象中的特征。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔是時(shí)間的階梯函數(shù)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔是時(shí)間的平方律函數(shù)。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔基于所述對(duì)象的材料的熱發(fā)射率的函數(shù)來定義。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述非線性間隔基于所述多個(gè)熱圖像的處理中使用的圖像處理功能來定義。
6.一種系統(tǒng)(100),包括 紅外成像裝置(102)，捕捉對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像； 可變時(shí)基發(fā)生器(108)，在時(shí)間期間以非線性間隔來觸發(fā)所述紅外成像裝置(102);以及 時(shí)間模塊(110)，將時(shí)間數(shù)據(jù)與所述多個(gè)熱圖像的每個(gè)關(guān)聯(lián)。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括處理器(114)，所述處理器(114)考慮所述多個(gè)熱圖像的每個(gè)的所述時(shí)間數(shù)據(jù)來處理所述多個(gè)熱圖像，并且識(shí)別所述對(duì)象中的特征。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，還包括加熱所述對(duì)象表面的加熱器(112)。
9.如權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，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(gè)。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可變時(shí)基發(fā)生器(108)包括階梯函數(shù)發(fā)生器。
11.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可變時(shí)基發(fā)生器(108)包括平方律函數(shù)發(fā)生器。
12.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可變時(shí)基發(fā)生器(108)包括可編程函數(shù)發(fā)生器，其中包括 接受材料選擇的輸入； 存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)多個(gè)時(shí)基函數(shù)，所述多個(gè)時(shí)基函數(shù)的每個(gè)對(duì)應(yīng)于特定材料的熱發(fā)射率；以及 選擇器，基于所述輸入來選擇所述多個(gè)時(shí)基函數(shù)的適當(dāng)?shù)臅r(shí)基函數(shù)。
13.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述可變時(shí)基發(fā)生器(108)包括硬連線函數(shù)發(fā)生器。
14.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述紅外成像裝置(102)包括焦平面陣列傳感器。
15.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述時(shí)間模塊(110)將時(shí)間戳與所述多個(gè)熱圖像的每個(gè)關(guān)聯(lián)。
16.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括編碼有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的非暫時(shí)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令在被運(yùn)行時(shí)使一個(gè)或多個(gè)處理器 觸發(fā)紅外成像裝置(102)，以便在時(shí)間期間以非線性間隔來捕捉(404)對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像，所述熱圖像的每個(gè)與時(shí)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；接收所述多個(gè)熱圖像和所述時(shí)間數(shù)據(jù)； 處理(406)所述多個(gè)熱圖像和所述時(shí)間數(shù)據(jù)；以及 基于所述處理來識(shí)別(408)所述對(duì)象中的特征。
17.如權(quán)利要求16所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，還包括使所述一個(gè)或多個(gè)處理器執(zhí)行下列步驟的計(jì)算機(jī)可執(zhí)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(gè)時(shí)基函數(shù)的適當(dāng)?shù)臅r(shí)基函數(shù)；以及 基于所述所選時(shí)基函數(shù)來觸發(fā)所述紅外成像裝置(102)。
18.如權(quán)利要求16所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述非線性間隔包括時(shí)間的階梯函數(shù)或者時(shí)間的平方律函數(shù)。
19.如權(quán)利要求16所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述非線性間隔基于所述對(duì)象的材料的熱發(fā)射率的函數(shù)來定義。
20.如權(quán)利要求16所述的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其中，所述非線性間隔基于所述多個(gè)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(shí)間期間以非線性間隔來捕捉(404)對(duì)象表面的多個(gè)熱圖像，熱圖像的每個(gè)與時(shí)間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。然后，該方法處理(406)多個(gè)熱圖像和時(shí)間數(shù)據(jù)，并且基于該處理來識(shí)別(408)對(duì)象中的特征。
文檔編號(hào)G01N25/72GK102778477SQ20121014330
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者B·E·奈特, D·R·霍華德, H·I·林格馬赫 申請(qǐng)人:通用電氣公司