[发明专利]一种航空航天复合材料损伤可视化特征提取方法

说明书

本发明公开了一种航空航天复合材料损伤可视化特征提取方法，包括：提取每类缺陷的典型瞬态热响应；获得红外重构图像；获得低质红外重构图像；求取各个分割性能的权重系数以构建分割目标函数；获得实现各个分割性能的目标函数的权重系数；构建全像素红外图像分割目标函数，利用双层分割模型对重构得到全像素红外图像进行图像分割；在图像分割层实现红外全像素图像分割，得到试件缺陷的分割图像。本发明利用多目标优化理论进行红外重构图像中的缺陷分割，针对噪声问题和边缘模糊问题分别构造目标函数以提高分割的精度，保证了缺陷的高检测率，降低了误检率，有效提取出重构图像中的损伤缺陷区域，以便复杂缺陷的量化研究。

技术领域

本发明属于航空航天飞行器损伤检测与维修保障技术领域，更具体地说，本发明涉及一种航空航天复合材料损伤可视化特征提取方法。

背景技术

随着航空航天飞行器迫切的减重需求，具有优异力学性能的轻质结构材料，尤其是以高强/高模碳纤维复合材料、蜂窝结构材料等为代表的轻质复合材料，日益成为航空航天研究的热点。与此同时，具有特殊功能用途的复合材料，如隐身涂层材料、碳基防热材料等功能复合材料在航空航天领域的应用也更加广泛。然而，复合材料在生产制造、装配加工或实时使用过程中，由于工艺不当、反复循环应力和外部冲击等会导致严重的质量问题，如分层、脱粘、疏松、裂纹和冲击缺陷等。比如，飞机在起飞和降落过程中容易受到飞鸟的撞击，航天器在发射和在轨运行过程中遭受微小空间碎片的超高速撞击，从而导致航空航天飞行器复合材料表面产生各类损伤，比如穿孔、撞击坑、层裂、剥落等，使得飞行器表面复合材料结构发生破坏或者功能下降、失效。因此，为了避免航空航天复合材料构件在使用过程中由各类损伤缺陷而引起严重事故，对复合材料开展损伤缺陷检测和质量评价尤为关键。

红外热成像技术具有安全、直观、快速、高效、检测面积大、无接触等优点，在航天器在轨检测中发挥了重要作用，其基础原理是：基于傅里叶传热与红外辐射原理，当被检对象受到外部热激励时(太阳光照射或人工光源照射)，由于材料缺陷的存在导致热传导过程受到影响，并表现为被检对象表面瞬态温度响应的差异，通过红外热像仪采集表面温度场响应，从而了解被检对象表面和内部的缺陷状态。红外成像仪采集到的数据是由多帧红外热图像构成的红外热图像序列数据，其包含了被检区域内每个像素点的温度变化信息(瞬态热响应曲线)，通过对红外热图像序列数据进行分析和处理，获取缺陷的重构图像，从而实现对复合材料撞击损伤缺陷的可视化检测。

为了对损伤缺陷进行精确评估，就需要对缺陷的红外重构图像中目标缺陷区域与背景区域进行有效分离。区别于常规的自然可见光图像，红外图像具有较低的分辨率和模糊的边缘，尤其是在复杂的检测背景中，由于背景中存在其他热源或者是材料本身的热反射性强等原因，会导致背景区域重叠和混乱，降低目标与背景之间的对比度，严重干扰重构图像中的缺陷识别，并对缺陷区域精确提取和类型准确识别造成较大困难。为解决上述问题，需要通过图像分割算法对原始图像进行处理，将目标区域与背景区域有效分离，可见，正确分割缺陷成为目标识别过程中的关键步骤。在现有的研究中，通过利用FCM算法及其改进的算法对图像进行分割，但是这些分割问题往往面向的是一个损伤函数，即一个目标函数。一方面，如果在充分满足保留细节的前提下，缺陷的检测率虽有一定的提高，但是也保留了噪声，容易对缺陷识别造成误判，导致误检率的上升。另一方面，若只满足对图像进行整体去噪，由于微小碎片撞击导致的损伤缺陷尺寸小且数量多，这些同噪音近似的微小缺陷会一并随着去噪过程而去除，降低了缺陷的检测率和检测精度。因此，上述常规分割方法运用到本发明对象，即缺陷的红外重构图像中，由于不能权衡缺陷的误检率与检测率，分割效果不尽人意。特别是考虑到红外热图像反映的是试件的热辐射信息，容易受到环境、成像链路等影响，使得获得的缺陷红外重构图像背景噪声大。同时，由于缺陷区域与背景区域的表面热辐射能力的差异，使得缺陷的红外重构图像的边缘不够平滑、边缘区域划分不够清晰，也不利于图像分割。