热波雷达红外成像新技术的研究与应用

This project is to study a new non-destructive testing technique developed in foreign countries in recent years. It is named "Thermal-wave radar" infrared imaging. This technique based on the scanning laser spot as the infrared thermal wave source, and the pulse compression techniques applied in radar imaging, is able to perform the non-contact testing and imaging with high resolution for metal, polymer, and semiconductor samples embedded with defects. Compared to traditional infrared imaging systems, it is portable and has lower cost, higher axial resolution and larger depth detection range. Thus, it is able to form an image with higher resolution for smaller defects with deeper depth. This project is to understand more thoroughly the theory of "thermal-wave radar" and the interaction between the modulated laser source and the sample through a three-dimensional "ghost point" heat conduction simulation. At the same time, this project will try to find the optimal imaging conditions to obtain the best imaging result under certain circumstances. In the last stage, this project is going to develop an image processing technique to perform defect feature extraction. Based on thorough research for this technique, it is expected to build the first portable thermal-wave radar imaging equipment in China to conduct the non-destructive tests to rails. If successful, it will contribute to the safety and stability of the railway operation. In summary, this project is to fill in the gap between China and foreign countries about the research and applications of the "Thermal-wave radar" technique in three aspects of theoretical analysis, three dimensional simulations and experiments.

本项目拟研究国外近年来一项最新的无损检测技术-"热波雷达"红外成像技术。此技术以扫描激光为红外热波激励源，结合了雷达的脉冲压缩技术，能对金属、聚合物、半导体为材料的试件进行非接触式的缺陷精密检测及成像。此项技术较传统的红外成像系统成本低、便携、同时具有更高的空间分辨率及更大的缺陷深度检测范围，对更微小及更深处的缺陷形成更清晰的图像。本项目拟通过对有不同缺陷的样品进行三维"鬼点"热传导仿真，更深入理解热波雷达技术的原理及调制光源和试件相互作用的机理，并找出最优化成像条件，以达到最好的成像效果，并希望通过图像处理技术对缺陷进行特征提取。通过对这项技术的深入的研究，希望能成功搭建国内首台便携的热波雷达热成像仪，并用于铁轨检测，对我国的铁路的安全稳定运营作出贡献。总之，本项目将从理论分析、三维仿真及实验三个方面对热波雷达技术深入研究，以填补国内在这项无损检测技术上的研究及应用空白。

本项目紧跟国外近年来的最新的无损检测技术-"热波雷达"红外成像技术，同时获得了创新性研究成果。此技术以扫描激光为红外热波激励源，结合了雷达的脉冲压缩技术和其他激励调制技术，对金属、聚合物等材料的试件进行了非接触式的缺陷精密检测及成像。较传统的红外成像系统，其成本低、便携，同时具有更高的空间分辨率及更大的缺陷深度检测范围，对更微小及更深处的缺陷形成了更清晰的图像。首先，项目对激光热波雷达的成像机理进行了深入的研究，改进了传统热像仪成像的相关处理技术，使成像深度提升了2-3倍；利用频域的处理方法还加快了图像处理的速度。其次，对三维“鬼点”模型的改进使得模型能够对不同试件、各种缺陷及分层试件等情况进行仿真。仿真结果验证了热波雷达技术的优越性。此外，仿真通过分析激励和温度分布之间的关系，找出了成像深度、对比度和激光调制频率、能量等参数间的关系，即最优成像条件；根据空间分辨率、信噪比、动态检测范围（尤其是成像深度）等方面的性能指标比较了不同的激励技术。虽然数字调频、相位编码的调制方法简单，频域的方法计算速度快，但成像效果不如模拟线性调频方法，不能利用相关技术将能量集中，提高信噪比。根据模糊原理，项目进一步利用模糊函数表征了各种技术的测量深度、精度和杂波抑制方面的能力。其中非线性调频脉冲信号较线性调频脉冲信号的模糊函数图的距离分辨率有较大提高。项目还设计了热波雷达激励信号的波形，使之自适应地与热波雷达目标的环境相匹配，进一步地提高了信噪比。项目的重要研究成果是实现了激光热波雷达实验平台的构建及实验。项目首先实现了对近红外光纤耦合的半导体激光器的模拟及数字两种调制及检测电路。实验结果显示，数字调制及检测电路较模拟法电路减少了相位正交误差。其中，激光的频率调制采用了数字频率合成技术（DDS）；滤波特性的设计保证了其有较大的镜频抑制比。此外，实验平台增加了发射聚焦部分、红外传感器检测部分。实验平台结构紧凑，可进一步用于现场检测。项目还利用红外热像仪对实现的红外热波雷达成像系统进行了实验验证。最后，利用图像处理的方法去除了激光光源背景及噪声，增强了缺陷信息的对比度；并且利用各种缺陷提取技术甄别缺陷；还利用视域和频域的方法对缺陷进行了3D重建。总之，本项目从理论分析、三维仿真及实验三个方面对热波雷达技术进行了深入研究，基本实现了预期成果，填补了国内在这项无损检测技术上的研究及应用空白。