基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测方法及系统

本发明涉及金属表面缺陷无损检测，具体为基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测方法及系统。

背景技术：

1、金属曲面部件在航空航天、能源装备等领域应用广泛，其表面及亚表面微痕缺陷的原位检测对保障结构完整性具有关键作用。现有的曲面缺陷检测技术多采用二维成像或单点测距的方式，难以同时捕捉缺陷引起的多维度光学响应变化，在非规则曲面上对微痕的识别精度受限。全域均匀扫描的方式未考虑曲面不同位置几何形态差异对入射光和反射光传播路径的影响，导致局部区域信号畸变，浅表层微痕缺陷的响应特征容易被表面宏观形貌所淹没。

2、现有技术中，基于三角测量或结构光的曲面检测方法对反射信号的分析维度较为单一，通常仅利用强度或单一相位信息进行缺陷判断。这种单维度特征表征方式无法完整刻画缺陷对光场造成的复杂调制效应，使得在复杂曲率背景下区分微痕与表面纹理、噪声时出现较高的虚警。同时，常规检测方法在信号处理阶段未能将光学响应信息与曲面的本征几何属性进行深度融合，检测结果受曲面形状引起的系统性偏差影响显著，对跨越不同曲率区域的微痕缺陷缺乏一致性的描述能力。

3、针对上述问题，需要解决如何在曲面形态自适应条件下实现多维度光学响应信息的协同表征，以及如何将异常光学响应从曲面本征几何背景中分离并转化为可定位的缺陷几何特征。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测方法及系统，以在曲面形态自适应条件下实现多维度光学响应信息的协同表征，并将异常光学响应从曲面本征几何背景中分离并转化为可定位的缺陷几何特征。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测方法，包括：

3、获取待测金属曲面的三维点云模型，根据所述三维点云模型中的曲率分布对所述待测金属曲面进行检测区域划分，得到多个检测子区域；

4、通过激光测距阵列向每个所述检测子区域发射频率编码的调制激光束，并采集每个所述检测子区域对应的反射激光时域信号；

5、对每个所述检测子区域对应的反射激光时域信号进行解调处理，得到每个所述检测子区域对应的相位延迟矩阵和幅值衰减矩阵；

6、根据每个所述检测子区域对应的相位延迟矩阵和幅值衰减矩阵，构建每个所述检测子区域对应的激光响应张量场；

7、将每个所述检测子区域对应的激光响应张量场与所述三维点云模型中对应位置的曲率法向量进行映射配准，得到每个所述检测子区域对应的张量偏差场；

8、从每个所述检测子区域对应的张量偏差场中提取零梯度闭合环线，根据所述零梯度闭合环线的几何参数确定每个所述检测子区域的微痕候选位置。

9、该方法将曲面宏观形貌特征与激光调制的微观响应进行深度融合，能够从复杂曲面的反射信号中剥离曲率本底干扰，灵敏地捕捉由表面及亚表面微痕引起的多维度激光异常，实现对金属曲面微缺陷的高精度原位检测。

10、优选的，获取待测金属曲面的三维点云模型并进行检测区域划分的过程为：计算所述三维点云模型中每个点的高斯曲率和平均曲率，根据所述高斯曲率和所述平均曲率的比值确定每个点的曲面类型标签；将具有相同曲面类型标签且空间相邻的点聚类为初始曲面片区；当所述初始曲面片区的表面积大于最小检测单元面积时，将所述初始曲面片区标记为一个所述检测子区域。这样得到的各检测子区域具有内部曲率一致、边界清晰的特点，便于针对不同曲面形态施加适应性激光激发策略。

11、优选的，通过激光测距阵列向每个所述检测子区域发射频率编码的调制激光束并采集反射激光时域信号的过程为：根据每个所述检测子区域的曲面法向量方向确定所述激光测距阵列中各个激光探头的入射倾角；按照所述入射倾角控制各个激光探头依次向对应的所述检测子区域发射具有不同载波频率的调制激光束；同步采集各个激光探头接收到的回波信号，将所述回波信号按照载波频率进行分离，得到每个所述检测子区域对应的反射激光时域信号。该方式利用频分复用和入射倾角自适应控制，有效避免了多通道信号串扰和曲面遮挡对回波质量的影响，保证了后续解调的准确性。

12、对反射激光时域信号进行解调处理的优选方式为：将每个所述检测子区域对应的反射激光时域信号与对应的发射调制激光束的参考信号进行混频处理，提取混频后的低频分量；对所述低频分量进行正交解调，得到每个采样点对应的相位延迟量和幅值衰减量；按照所述检测子区域内的采样点空间排列顺序，将所述相位延迟量填充为所述相位延迟矩阵，将所述幅值衰减量填充为所述幅值衰减矩阵。该解调方案能够从时域信号中高分辨率地分离出相位和幅值扰动，为后续张量构建提供准确的基础数据。

13、构建激光响应张量场的优选方式为：对所述相位延迟矩阵进行空间梯度运算，得到相位梯度张量；对所述幅值衰减矩阵进行空间梯度运算，得到幅值梯度张量；将所述相位梯度张量与所述幅值梯度张量进行张量积运算，得到所述激光响应张量场的二阶协变张量分量。所形成的激光响应张量场将相位和幅值在空间梯度上的耦合信息统一在一个张量框架下，对微痕引起的局部各向异性异常具有高敏感性。

14、将激光响应张量场与曲率法向量进行映射配准并得到张量偏差场的优选方案为：从所述三维点云模型中提取每个所述检测子区域内各个采样点的主曲率方向和副曲率方向，构成曲率法向量对；将每个采样点处的所述激光响应张量场的特征向量与所述曲率法向量对进行点积对齐，得到每个采样点的张量旋转角；根据所述张量旋转角对所述激光响应张量场进行旋转变换，将旋转变换后的激光响应张量场与所述曲率法向量对作差，得到所述张量偏差场。通过将激光响应与曲面局部曲率特征进行张量级配准并做差，消除了曲面固有弯曲引入的系统偏差，使得张量偏差场仅保留由微痕缺陷贡献的异常分量。

15、从张量偏差场中提取零梯度闭合环线并确定微痕候选位置的优选方式为：搜索所述张量偏差场中偏差张量的三个主不变量同时为零的零值点，将相邻的零值点连接形成初始零值线；对所述初始零值线进行闭合性检验，筛选出闭合的零值线作为所述零梯度闭合环线；计算每条所述零梯度闭合环线的环线面积和环线离心率，将环线面积和环线离心率同时位于预设阈值区间的零梯度闭合环线的重心位置确定为所述微痕候选位置。利用不变量的零值条件与闭合环线的几何形态双重约束，能够有效抑制随机噪声和边界效应引起的虚假响应，提高微痕定位的鲁棒性和准确性。

16、作为本发明的一个技术方案，在构建每个所述检测子区域对应的激光响应张量场之后，还包括：获取每个所述检测子区域对应的激光响应张量场的本征值谱分布；根据所述本征值谱分布的谱峰位置偏移量确定每个所述检测子区域的激光穿透深度因子；将所述激光穿透深度因子作为加权系数，对所述检测子区域的所述张量偏差场进行深度归一化校正。经过深度归一化校正后，不同深度微痕引起的偏差响应被归算至统一量级，避免深层缺陷因信号衰减而漏检，提升了检测深度一致性。

17、作为本发明的另一个技术方案，在确定每个所述检测子区域的微痕候选位置之后，还包括：获取每个所述微痕候选位置对应的零梯度闭合环线的环线法向量；将所述环线法向量与所述三维点云模型中对应位置的曲率法向量进行夹角对比，根据夹角值将所述微痕候选位置区分为表面划痕候选和亚表面裂纹候选。该区分过程在不增加额外探测步骤的条件下，仅利用已提取的张量几何信息即可实现缺陷类型的预判别，扩展了原位检测的信息维度。

18、本发明还提供一种基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于激光调制的金属曲面微痕缺陷原位检测方法的步骤。该系统将曲面三维感知、频率编码激光收发、多维度解调、张量场分析与几何推理集成于一体，能够对飞行器蒙皮、发动机叶片等具有复杂曲面的金属构件进行自动化、高灵敏度的原位微痕检测，兼顾检测效率与微缺陷识别精度。

19、在上述技术方案中，本发明提供的技术效果和优点：

20、根据三维点云模型中的曲率分布对待测金属曲面进行检测区域划分，使得各检测子区域内部具有相对一致的几何形态。配合频率编码的调制激光束，每个检测子区域根据其曲面法向量方向确定激光探头的入射倾角，由激光测距阵列以不同的载波频率发射调制激光束。将曲面几何属性直接纳入检测前端的光束指向控制，各区域的光学激励条件与局部曲面形态相匹配，克服了全域均匀扫描在曲面不同位置因入射角偏离法线方向而造成的反射信号强度不一致问题。频率编码方式使得多个检测子区域或同一区域内多个采样点的回波信号能够同步采集，通过载波频率分离获得各自独立的反射激光时域信号，在保证检测速度的同时维持了空间分辨能力。

21、对每个检测子区域对应的反射激光时域信号进行解调处理，得到相位延迟矩阵和幅值衰减矩阵，并以此构建激光响应张量场。该张量场将相位梯度张量与幅值梯度张量进行张量积运算，融合了相位和幅值两个维度的空间变化信息，形成二阶协变张量分量。随后将激光响应张量场与三维点云模型中对应位置的曲率法向量进行映射配准，通过提取每个采样点的主曲率方向和副曲率方向构成曲率法向量对，计算激光响应张量场的特征向量与曲率法向量对的张量旋转角，据此对激光响应张量场实施旋转变换后与曲率法向量对作差，生成张量偏差场。配准与作差操作剥离了曲面本征几何弯曲对激光响应的背景性贡献，残余的偏差张量场集中反映了由微痕缺陷引起的局部异常光学响应。从张量偏差场中搜索偏差张量的三个主不变量同时为零的零值点并连接形成零梯度闭合环线，根据环线的几何参数确定微痕候选位置。零梯度闭合环线的提取机制将微痕缺陷的识别转化为对偏差场内部几何拓扑结构的解析，环线面积和环线离心率约束了缺陷的尺寸范围和形态特征，实现了从多维光学异常到缺陷几何边界的直接关联。