引言

紅外熱像（infrared thermography）是目前運(yùn)用非常廣泛的一種快速高效的無損檢測技術(shù)，通過外部施加的熱或冷激勵(lì)使被測物體內(nèi)的異性結(jié)構(gòu)以表面溫度場變化的差異形式表現(xiàn)出來，從而達(dá)到缺陷部位的定性和定量分析。其成像原理是利用紅外探測儀將接受到的被測物體的紅外輻射映射成灰度值，再轉(zhuǎn)化為可視溫度分布圖（紅外熱像圖）。最早在二戰(zhàn)末期應(yīng)用于軍事偵察領(lǐng)域，因其本身具有快速高效、無需停運(yùn)、無需取樣、可進(jìn)行無污染、非接觸、大面積檢測、以及其直觀成像等優(yōu)點(diǎn)，而被作為復(fù)合材料的無損檢測技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)械、油氣、建筑等領(lǐng)域。

1 、紅外熱像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)以來，紅外熱像技術(shù)得到快速發(fā)展。20世紀(jì)90年代，美國無損檢測協(xié)會(huì)和材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)針對紅外熱成像技術(shù)指定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并在無損檢測手冊紅外與熱檢測分冊中描述了基于紅外熱像的無損檢測技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用。目前美國、俄羅斯、法國、德國、加拿大、澳大利亞等國已將紅外熱像技術(shù)廣泛運(yùn)用于航空航天復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部缺陷及膠接質(zhì)量的檢測、蒙皮鉚接質(zhì)量檢測等。近年來，紅外熱像技術(shù)與智能手機(jī)、無人機(jī)等設(shè)備充分結(jié)合，并在各個(gè)領(lǐng)域廣泛使用，如美國的Fluke和FLIR、德國Testo、國內(nèi)武漢高德、浙江大立等企業(yè)。

國內(nèi)的紅外熱像檢測技術(shù)比歐美、俄羅斯等發(fā)達(dá)國家起步較晚，但經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前也取得較為顯著的成果。中國特種設(shè)備研究院和武漢工程大學(xué)將紅外熱像技術(shù)運(yùn)用于壓力設(shè)備缺陷檢驗(yàn)，取得了一系列顯著的成果。西南交通大學(xué)、昆明物理研究所、北京航空材料研究院、北京理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等將紅外熱像技術(shù)運(yùn)用于航空航天夾層結(jié)構(gòu)件的缺陷檢測，取得了有效進(jìn)展。在石油化工領(lǐng)域，各位學(xué)者將紅外熱像技術(shù)用于高溫高壓容器和管道的缺陷、保溫層破損、以及內(nèi)部液體流動(dòng)情況的檢測，也取得了許多成果。

2 、紅外圖像預(yù)處理

紅外技術(shù)應(yīng)用的核心工作在于圖像的處理及利用，不僅在無損檢測領(lǐng)域，在軍事監(jiān)測、人臉識(shí)別等領(lǐng)域的應(yīng)用更加重要。紅外圖像的處理主要分為圖像預(yù)處理和圖像識(shí)別，預(yù)處理是開展后續(xù)工作的基礎(chǔ)，其主要分為圖像的非均勻性校正和圖像增強(qiáng)兩個(gè)方面。

2.1 圖像的非均勻性校正

由于材料、生產(chǎn)工藝等因素，紅外設(shè)備探測元存在響應(yīng)不一致的問題，因此導(dǎo)致紅外圖像的非均勻性，其嚴(yán)重影響了成像的質(zhì)量。目前非均勻性校正算法主要分為兩大類：一類基于標(biāo)定的校正算法，如兩點(diǎn)校正算法、多點(diǎn)校正算法、多項(xiàng)式擬合算法，具有算法簡單、精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛使用。另一類基于場景的校正算法，如時(shí)域高通濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、統(tǒng)計(jì)恒定法在克服紅外焦平面器件響應(yīng)偏移誤差方面存在優(yōu)勢，但相關(guān)硬件要求較高，且算法復(fù)雜耗時(shí)。

兩點(diǎn)校正法是開展最早、且最為成熟的算法之一，其原理簡單，計(jì)算量小，目前仍被廣泛使用。該校正算法是建立在兩個(gè)假設(shè)條件下：一是每個(gè)探測單元的響應(yīng)是線性的；二是探測單元的響應(yīng)具有時(shí)不變性，其原理如圖1所示。

圖1 兩點(diǎn)校正示意圖

但兩點(diǎn)校正法是假設(shè)探測單元的響應(yīng)是線性的，但實(shí)際情況卻更為復(fù)雜，因此在兩點(diǎn)校正法的基礎(chǔ)上提出了多點(diǎn)溫度校正算法。多點(diǎn)校正的實(shí)質(zhì)是在圖像上選取多個(gè)溫度點(diǎn)，就相鄰兩點(diǎn)之間進(jìn)行兩點(diǎn)校正，所適用的溫度范圍也就更廣。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國科學(xué)院大學(xué)等驗(yàn)證了多點(diǎn)溫度校正法實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，且有效提高非均勻性校正的精度。