● 摘要
红外热像检测是一种正在飞速发展中的新兴检测技术，由于自身所特有的优势，而在航空航天工业的应用中逐步显露出重要性。现代飞行器上各类金属、复合材料使用量增加，许多特殊结构部件大量出现，都给红外检测技术提出了新的课题。如何更准确地定性、定量检测出隐藏的异常区域，这对于提高飞行安全和降低维护成本有着重要的工程实际意义。要获得满意的检测结果，可以从前期物理模型和后端的数据处理这两个方面入手。在检测模型方面，除了分析理想条件下的导热方程外，更要研究贴近实际环境的边界条件下方程的解析解，分析其响应动态；在检测数据处理方面，有时、频域两类不同的方法，而频域相位法是一种非常有效的手段，但是相位与深度定量关系不直接，并且又因为栅栏效应使得特征频率定位不准，如此便会导致后期定量检测误差很大，所以亟需对经典的相位法进行改进。论文研究的主要工作是红外热像检测的原理模型及解析解分析、实验参数发生不同情况变化时的有限元模拟对比和改进频域脉冲相位法定量化损伤深度三个方面。具体内容可以归纳为如下几点：1. 推导和阐述热波理论在红外检测技术中的重要性，由此分别推导脉冲式和锁相式红外检测的热传导理论模型。首先从一维的理想边界条件入手，得到最简单的解析解，在此基础上，逐步提高模型的精确度，分别考虑高维导热模型、多层模型、热源激励的持续时间、激励的强度函数形式、环境的对流换热、辐射换热等影响因素的条件下推导出方程解析解，并分析相应因素对温度场分布的影响特点。在分析锁相式原理模型的过程中联系热波理论，推导出相位与深度之间的关系，从而为脉冲相位法提供理论基础。2. 在很多情况下，导热偏微分方程的解析解是很难求出的，另一方面，总结实验中各类参数（如几何参数、热激励参数和热物性参数等）的改变对检测效果的影响规律是十分必要的，所以运用数值分析方法，推导热传导方程的稳、暂态有限元方程形式。利用ANSYS有限元软件模拟复合材料层板这种各向异性的被测试件检测结果，并引入表面温度差和温度对比度两个特征参量来表征检测结果，分析它们与损伤区域的几何特征参数、热源激励参数之间的关系和规律。3. 检测数据处理是和检测质量紧密相关的一个环节，在时域中，大都采用从导热方程得到的某特征时间与损伤深度之间关系的表达式来处理，由于准确时间测量和热激励不均匀干扰是一个较大的问题，所以提出了脉冲相位法的频域处理手段。通过热波和热传导理论推导出相位和深度的关系式，分析频域处理方法的特点和问题，在这个基础上进一步引入了频谱细化技术，通过使用两种不同的细化方法，使得在处理短序列和长序列数据中发挥各自的优势，提高定量检测的准确度。同时，为了充分使用数据，提出高阶相位分析方法，运用数理统计理论挖掘测试数据中更多的信息。