基于偏振红外成像的铝合金表面裂纹检测：偏振特征提取与增强方法的研究

《Infrared Physics & Technology》：Detection of surface cracks in aluminum alloys based on polarized infrared imaging: research on polarization feature extraction and enhancement methods

基于偏振红外成像的铝合金表面裂纹检测方法研究提出一种无需表面处理的新型裂纹检测技术，通过分析Stokes矢量建立偏振特征提取模型，实验表明在0°观测角下裂纹辐射强度对比度提升23倍，检测灵敏度达微米级，显著优于传统锁-in热成像和超声激励方法，为航天关键结构无损检测提供新方案。

　　

郭伟|徐月|高洪峰|张新宇|薛真

中国江苏省南通市南通大学机械工程学院，邮编226019

摘要

铝合金的高反射率和低发射率给使用传统红外热成像技术直接检测表面裂纹带来了重大挑战。本研究提出了一种创新方法，通过利用偏振理论来提高铝合金表面裂纹的检测能力。为此，基于偏振红外成像建立了一个偏振特征提取模型。实验结果表明，裂纹区域与无裂纹背景之间的红外辐射偏振特性存在显著差异。在0°观测角度下，对于一个长度为10毫米、宽度为30微米的预制裂纹，裂纹与背景之间的辐射强度对比度从0.0407（原始热图像）提高到了0.9666（重建的全偏振分量图像）。与锁相热成像或超声激励等现有检测技术相比，该方法无需表面预处理，并且在检测微米级裂纹时具有更高的信噪比和对比度。该方法的检测灵敏度达到了微米级别，显著提高了铝合金表面裂纹的识别能力。这项工作为关键航空航天结构的无损检测提供了一种通用解决方案。

引言

铝合金是航天器承重结构中的关键材料，但由于加工应力、极端环境和疲劳作用，它们容易产生表面裂纹。如果这些裂纹未能及时被发现，可能会导致不可逆的后果。红外热成像由于其非接触式优势和高效性，在裂纹检测方面显示出巨大潜力。然而，传统的红外热成像技术由于铝合金的高反射率和低发射率而难以有效检测缺陷[1]。最近，结合偏振成像的红外检测技术成为了一个研究热点，因为它能够增强目标信号并抑制背景干扰。偏振信息能够表征目标表面的微观特征和辐射特性，为区分背景噪声和裂纹缺陷提供了新方法。然而，大多数现有研究仅依赖于反射特性或辐射特性的分析，缺乏系统比较来量化偏振成像相对于这些传统技术在检测裸露金属表面裂纹方面的优势，尤其是在实际应用场景中。

近年来，红外偏振成像作为一种有前景的增强方法，已被用于检测金属表面的缺陷。郭等人[2]通过将偏振度与热扩散参数相结合，实现了对涂层下金属状态的高精度识别，展示了偏振信息在检测复杂表面方面的潜力。段等人[3]提出了一种基于偏振的反射抑制方法，显著提高了高反射金属表面目标的可检测性。Sahar和Ulrike[4]的系统性综述进一步强调了偏振成像作为结构健康监测关键工具的重要性。Patryk等人[5]比较了多种无损检测技术的性能，并强调了偏振成像的固有优势，如无需表面预处理以及高信噪比。然而，对于高反射裸露金属表面上微米级开放裂纹的偏振辐射特性，尤其是在多角度观测条件下的研究仍显不足。

铝合金作为航天器承重结构中的关键材料，在制造过程中容易产生表面裂纹。然而，由于高反射率和低发射率，传统红外热成像技术难以直接检测此类缺陷[6]。为了解决这个问题，研究人员开发了多种改进方法。例如，可以通过表面涂漆或粗糙化处理来提高发射率，但这些预处理可能会改变材料的表面状态并影响检测结果的真实性。Fedala等人[7]使用了锁相热成像，而郭和Vavilov[8]则利用超声激励来放大缺陷信号。然而，这些方法在检测封闭裂纹时灵敏度不足，且容易受到环境噪声的影响。Shaw等人[9]提出的偏振成像技术在军事和遥感应用中表现出抑制背景的优势，但其应用于金属表面裂纹检测时仍仅限于单一反射或辐射分析。值得注意的是，多角度观测条件下偏振特性的变化尚未得到充分研究。

为了将我们的贡献置于当前研究背景中，我们系统地将我们的方法与现有技术进行了比较：与锁相热成像或超声激励热成像不同，我们的方法在30微米开放裂纹的情况下实现了0.9666的对比度；该方法无需表面预处理即可保持样品的原始状态；虽然大多数偏振研究集中在涂层基底或反射抑制上，但我们针对的是裸露的高反射铝合金，利用裂纹辐射与背景辐射之间的偏振角度差异作为增强物理基础。因此，这项工作提出了一种基于差分辐射偏振学的非接触式、无需预处理的微米级裂纹检测策略。

所提出方法的新颖之处在于它能够通过偏振特征分解实现铝合金表面微裂纹的高灵敏度、非接触式检测，且无需任何表面预处理[10]、[11]、[12]。未来的工作将重点开发优化的观测角度模型，以提高检测效率和通用性，从而为关键航天结构的无损检测提供更可靠的技术支持[13]。为了解决上述挑战，本研究系统地研究了铝合金表面裂纹的红外辐射偏振特性及其与反射信号的分离机制，使用了红外偏振成像技术。通过开发红外偏振成像系统、进行斯托克斯矢量分析、全方向偏振分量提取和完整的偏振分解，本研究揭示了裂纹目标区域与背景区域之间的偏振特性差异。此外，还建立了基于偏振特征优化的图像重建过程。结果验证了通过适当选择偏振和观测角度，可以有效地放大裂纹辐射信号并抑制表面反射干扰，为铝合金表面裂纹的高精度检测提供了新方法。

部分摘录

基尔霍夫定律和热辐射定律

物体在波长λ处的辐射功率表示为Eλ（W·m?2·μm?1），相同温度和波长下的黑体辐射功率表示为E0λ。如果Eλ/E0λ在所有波长上保持恒定——表明辐射与波长无关——则该物体被视为灰体。大多数工程材料在热辐射光谱范围内可近似为灰体。灰体的总辐射功率E（W·m?2）可以表示为$E=E_0\times C/C_0$，其中C（<< />

红外辐射偏振成像系统的设置

实验装置如图3.1所示，包括一个长波红外相机（NEC 300 RD；非冷却焦平面探测器；320×240像素；光谱范围：8–14 μm；NETD < 50 mK；积分时间：16 ms；帧率：30 Hz；镜头焦距：25 mm；视场：25° × 19°）和一个ZnSe线栅偏振器（直径：50 mm；清晰孔径：35 mm；工作范围：2–19 μm；透射率 > 60%；消光比：300:1） $11$。该相机使用黑体源进行了辐射校准

偏振特征分析

需要注意的是，第3.2节中提到的两个圆形伪影在斯托克斯矢量和偏振图像中也可以看到（例如，图4.1a-c）。然而，它们的偏振特征与裂纹的偏振特征明显不同，并且在后续的偏振分量重建中被有效抑制。图4.1展示了固定观测角度下的斯托克斯矢量分量（S0、S1、S2）以及相应的偏振度和偏振角图像。

结论

进行了初步实验以验证所提出方法的可重复性。在同一裂纹上的多个区域进行局部偏振时间序列分析，结果显示偏振特性一致，且整个裂纹在重建图像中清晰可见。这证实了该方法不依赖于单次观测结果，具有较高的区域适应性和稳定性。

基于偏振红外成像技术，

未引用的参考文献

[18]、[19]、[20]。

CRediT作者贡献声明

郭伟：资金获取、正式分析。徐月：项目管理、概念构思。高洪峰：概念构思。张新宇：软件开发。薛真：可视化处理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFC3908100）的财政支持。作者感谢这些基金会的委员会。