一种基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法及系统与流程

本发明涉及无损检测，尤其是一种基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法及系统。

背景技术：

1、金属结构在长期服役过程中容易受到湿热环境、盐雾介质、工业污染物以及机械载荷等多种因素的共同作用而发生腐蚀，腐蚀会导致局部壁厚减薄、截面承载能力下降、应力集中加剧以及服役可靠性降低，严重时甚至可能引发结构失效和安全事故。因此，开展金属结构腐蚀缺陷的快速、准确和可靠检测，对于工程装备状态评估、寿命预测和安全维护具有重要意义。

2、目前，金属腐蚀检测中常用的无损检测方法主要包括目视检测、超声检测、涡流检测以及常规红外热成像检测等，脉冲红外热成像作为一种主动式热无损检测技术，具有非接触、检测速度快、可实现大面积成像以及适合现场快速筛查等优点，在脉冲热激励作用下，腐蚀减薄区域与完整区域由于局部厚度、热容量和热扩散路径不同，会表现出不同的瞬态热响应特征，因此，基于热响应差异对腐蚀区域进行识别和边界提取具有较好的物理基础，现有研究中，温度幅值分析、热对比度增强、热信号重构、二阶导数处理、频域相位分析以及阈值分割等方法已被广泛用于增强缺陷可见性和提高缺陷识别效果。

3、然而，现有方法在腐蚀边界准确提取方面仍存在一定不足，首先，腐蚀表面通常伴随锈蚀产物、粗糙纹理和发射率变化，使得基于温度幅值或热对比度的结果容易受到表面状态和环境噪声影响；其次，非均匀加热、背景温度波动和成像噪声会削弱腐蚀区域与完整区域之间的热响应差异，导致边界轮廓不连续或定位偏移；再次，部分方法需要依赖经验阈值、频域变换、复杂重构或多帧融合处理，其参数选择和计算过程较为复杂，不利于现场快速部署和在线处理，此外，传统评价指标更多关注缺陷区域是否可见或信号是否增强，而不能直接保证提取轮廓与真实腐蚀边界之间具有良好一致性，因此，有必要进一步建立一种物理意义明确、参数依赖较少、计算过程简洁且适合单帧快速处理的腐蚀边界提取方法，以提高脉冲红外热成像在金属结构腐蚀检测中的实用性和可靠性。

技术实现思路

1、因此，本发明所要解决的技术问题在于：解决金属结构腐蚀脉冲红外热成像检测过程中，腐蚀边界难以稳定、准确和快速识别的问题。

2、上述技术问题通过如下技术方案进行解决：本发明提出一种基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法，其包括以下步骤，

3、对待测构件表面施加脉冲热激励，并同步采集红外温度序列；

4、对所述红外温度序列进行对数变换，获取对数热响应序列；

5、沿时间方向计算所述对数热响应序列的一阶导数，得到导数场；

6、以待检测区域为统计对象，基于所述导数场中负导数响应的空间分布与强度，自动确定单帧观察时刻；

7、提取所述单帧观察时刻对应的单帧导数图像，并根据所述单帧导数图像中负导数带与近零响应区之间的零交叉特征，提取腐蚀减薄区域边界。

8、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法的一种优选实施方式中：自动确定单帧观察时刻的步骤包括：

9、对于每一个后脉冲冷却候选帧，依据帧导数场自适应估计噪声阈值，并定义负响应集合；

10、计算全检测区域内的负导数响应强度；

11、选取使所述负导数响应强度最大的候选帧作为单帧观察时刻。

12、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法的一种优选实施方式中：采用鲁棒统计方法自适应确定提取腐蚀边界所需的导数噪声阈值，具体为：

13、在检测区域内计算导数场的中位数，并基于所述中位数的中位数绝对偏差计算标准差；

14、根据所述标准差确定导数噪声阈值，所述导数噪声阈值为所述标准差的设定倍数。

15、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法的一种优选实施方式中：根据零交叉特征提取候选边界点后，还根据连通长度、面积或闭合性约束剔除伪边界；

16、其中，最小面积约束和最小长度约束基于空间分辨率和最小可检测腐蚀直径确定，或基于检测区域占比及导数图像像素量确定。

17、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法的一种优选实施方式中：对所述红外温度序列进行对数变换通过对温升信号叠加避免数值不稳定的小正数后取自然对数实现；

18、所述小正数按照红外热像仪温度噪声标准差与检测区域温升图像的百分位值的设定倍数中的最大值自适应确定。

19、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测方法的一种优选实施方式中：通过数据同步与存储单元统一控制时序，将热激励起始时刻定义为时间零点；

20、在脉冲前基准段、脉冲加热段和脉冲后冷却段连续采集带有时间戳的温度序列。

21、还提出一种基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测系统，其特征在于，包括：

22、脉冲热激励单元，用于向待测构件表面施加脉冲热激励；

23、红外热像采集单元，用于同步采集红外温度序列；

24、数据同步与存储单元，与所述脉冲热激励单元和红外热像采集单元连接，用于统一触发时序并存储红外温度序列；

25、处理器单元，与所述数据同步与存储单元连接，包括：

26、对数一阶导数计算模块，用于对红外温度序列进行对数变换并计算一阶导数场；

27、单帧时刻自动选择模块，用于以整幅待检测区域为统计对象，基于所述导数场中负导数响应的空间分布与强度，自动确定腐蚀热响应差异最显著的单帧观察时刻；

28、零交叉边界提取模块，用于提取单帧观察时刻的单帧导数图像中的零交叉特征以获取腐蚀边界。

29、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测系统的一种优选实施方式中：所述单帧时刻自动选择模块计算全检测区域内超过自适应噪声阈值的负导数响应强度的平均值，并选取所述负导数响应强度的平均值最大的候选帧作为单帧观察时刻。

30、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测系统的一种优选实施方式中：所述零交叉边界提取模块采用鲁棒统计方法，基于导数场的中位数绝对偏差自适应计算标准差，并据此确定导数噪声阈值。

31、在本发明所述基于脉冲红外热成像信号对数一阶导数的单帧腐蚀边界检测系统的一种优选实施方式中：所述数据同步与存储单元作为统一时序控制核心，在向脉冲热激励单元发送触发信号的同时向红外热像采集单元发送同步采集信号，将热激励起始时刻定义为时间零点，并将带有时间戳的红外温度序列发送至处理器单元。

32、本发明的有益效果在于：通过数据同步与存储单元统一时序，保障检测稳定性；对数一阶导数计算模块降低对绝对温度幅值的依赖，抑制发射率与加热不均干扰；单帧时刻自动选择模块避免人工选帧主观性，实现快速检测；零交叉边界提取模块使边界具热扩散物理含义，无需人工阈值。整体计算量低、鲁棒性强。