面向层析测量的信号处理新理论、新算法及系统处理软件

信息时间：2024-07-02 信息来源：中国自动化学会

导读：2023年10月28日，由中国自动化学会主办的2023国家工业软件大会在浙江湖州盛大开幕。大会以“工业软件·智造未来”为主题，汇聚了25位国内外院士，1500余位代表，共同探讨工业软件领域前沿理论和技术创新应用问题，共同谋划我国工业软件未来发展之道。

谢胜利教授受邀在2023国家工业软件大会中作题为“面向层析测量的信号处理新理论、新算法及系统处理软件”的专题报告。报告介绍了谢胜利教授团队在国家自然科学基金-重大科学仪器专项、国家自然科学基金-重点项目、广东省重大科技计划等多个项目连续资助下，持续十余年攻关，先后提出了“稀疏干涉频谱分离”、“欠定盲分离相位解混”、“差分相位自适应计算”等信息处理新方法，研制了具有自主知识产权的高精度全场形貌形变层析测量软硬一体化系统及配套软件，从根本上克服了上述瓶颈，并在航空航天、精密仪器、材料研发等领域取得了成功应用。

面向层析测量的信号处理新理论、新算法及系统处理软件

随着科学技术的不断发展，对各个领域的高精度检测提出了更新、更高的要求。为了应对这一挑战，国务院发布了2021年和2035年的计量发展规划。这项规划旨在加速构建国家现代先进的测量体系，同时加强计量基础研究，并支持先进制造和智能提升。

一、研究背景与研究思路

高精度检测在树脂复合材料重大装备方面至关重要，主要涵盖三个主要方面：第一，实现对树脂复合材料的高精度全厂测量，确保其结构、尺寸、形状等符合质量标准和设计规范；第二，实现多表面成像技术，以获取复杂构件多个表面的细节和结构信息，便于全面分析评估；第三，具备高动态范围的力学特性表征能力，特别是在极端环境下对材料性能进行准确测定，如图1所示。树脂复合材料被广泛应用于航空航天等领域的承力构件，其高强度、耐高温和低密度等优点使其备受青睐，对它进行高精度检测是确保其质量、安全性和可靠性的关键。



图1 高精度检测技术要求

实际上，许多事故与复合材料检测不足有关，如图2所示。例如，2014年伦敦机场的波音787因复合材料发热导致熄火，2017年法航AF66因复合材料断裂导致引擎爆炸，以及2021年飞往加拿大的TP1477航班因复合材料方向舵断裂而发生险情。这些事件本质上反映了对复合材料微裂缝、层间断裂等力学失效机制的缺乏理解，同时也凸显了对相关有效表征测量方法的不足。



图2 复合材料检测导致的事故

复合材料典型的失效形式通常包括层级断裂，即微小裂纹扩展为宏观裂缝。然而，由于这种现象在力学理论模型上难以解释，很难通过理论来全面探讨。这也意味着对内部力学失效机制的准确测量受到限制。因此，迫切需要一种有效的无损检测手段，能够测量复合材料内部的三维应变场分布情况。

为了满足器件和材料的高性能检测要求，必须能够进行高精度的面型测量、多界面层析重构和内部形变动态检测。当前，光学相干层析技术是国际上最先进的方法之一，特别是在光学层析相干和干涉光谱的相位差方面。通过结合这些技术，可以实现复合材料内部的全场形变测量，监测固化过程，并进行亚微米级的内部层析检测。

光学相干层析技术的原理是将光照射到材料上，这些材料中的每一层都会反射光回来，如图3所示。通过捕捉这些反射光，并对其进行分析，可以了解材料的内部结构情况，发现微小缺陷。其模型利用照相机捕捉光照射材料后反射的图像。虽然看起来简单，但实际上是一个复杂的模型，它反映了内部频率、变形信息以及幅值等参数，还包括材料的反射率和层数，其中材料的层数是一个未知参数。



图3 光学相干层析技术OCT

光学相干层析技术经历了几代发展：第一代采用希尔伯特变换作为信息处理手段，但存在成像速度慢和敏感度低等问题；第二代在频域进行，使用时域光学相干层析技术，但仍然面临着层析分辨率受限、测量精度不高和成像信噪比低等难题。这些问题不仅仅局限于层析测量，而是通用问题。国际上解决这些问题的思路主要是从硬件层面着手，如采用超宽带光源替代传统的半导体扫频激光器以提高分辨率，但这会大幅增加硬件成本并限制其实际应用。另一种解决方法是利用光学空间滤波消除相干噪声，但会增加系统设计的复杂性，难以实现集成度。此外，高速二维光谱成像系统也被用于提高成像质量，但会导致数据量激增，存储和处理方面面临挑战。因此，国际上的研究者正在突破第二代频域光学相干层析技术的局限性，并寻求新的处理方法和技术。一些学者尝试在时域下优化层析信号以解决频域OCT的问题，但受到强噪声的限制而未能取得进展。 

二、理论算法与软件开发

我们团队经过多年艰苦努力和探索，针对层析分辨率受限、测量精度不高、成像信噪比低问题，提出了一套新的信息处理理论，并以此为指导开发了一系列新的检测软件。

在层析分辨率受限的挑战下，高分辨率层析测量关键在于在有限带宽下准确分离不同变化频率的波数域层间干涉信号。使用傅里叶变换进行层析测量时，若只要求一般精度，这并不会引起问题；但是若需要更高精度，傅里叶变换就显得力不从心。由于受到傅里叶变换的窗函数卷积效应影响，容易产生频谱混叠问题，导致难以区分频谱相近的干涉信号，从而限制了层析分辨率的提高。

在面对层析分辨率不足的问题时，我们发现由于窗函数卷积的影响，导致第二和第三层的干涉信号混合在一起，无法分辨，从而限制了层析分辨率，如图4所示。为了解决这个问题，我们观察到干涉频谱稀疏度是衡量层析分辨率的关键参数。根据干涉原理，干涉信号具有周期变化特征和系数特征，基于这些特性我们团队建立了一个模型，利用正多余弦变换基础矩阵和待分离的干涉谱信号，构建了一个稀疏的混叠层析干涉谱分离模型。该模型成功地克服了傅里叶变换卷积函数的问题，避免了使用傅里叶变换，并应用FOCUSS算法模型解决了材料内部的散射光墙影响。该算法成功地克服了传统方法因散斑影响而导致的采样困难，实现了高分辨率的成像。我们基于这一方法，开发了相应的软件和硬件，在不透明树脂复合材料中成功实现了内部位移场和应变场的强穿透层析测量。



图4 层析测量算法不足

对于多层结构的光学器件，使用傅里叶变换方法处理时可能会出现混叠和不清晰的问题。然而，采用时频联合域OCT稀疏优化方法可以成功克服频率OCT傅里叶变换的卷积效应。这种方法使得层析分辨率提高了5倍，达到了1微米的水平。最终成果表明，我们的方法能够有效地改善多层结构器件的成像质量，实现更高的分辨率。

面对混叠的干涉光谱，如何准确提取层析信号的相位场是一个挑战，如图5所示。传统方法中，傅里叶变换存在窗函数卷积导致的相位串扰问题，使得界面干涉相位无法准确分离。我们提出了一套新的解决方案，首先将混合的干涉光谱转化成矩阵形式，明确区分材料内部结构信息和变形信息，并利用盲分离模型，在波数域中求解干涉相位，避免了傅里叶变换带来的相位干扰。此方法充分考虑了材料内部特性，通过稀疏的欠定盲分离分发方法，成功克服了传统方法中相位串扰的问题，实现了高精度的相位场测量。



图5 相位测量算法不足

在获取高信噪比的应变场方面，我们着重解决了从具有空间相关特性的散斑噪声中准确计算相位场梯度分布的问题，如图6所示。这一过程实现了高信噪比的应变场重构，有效获取了材料的变形信息，包括提取高分辨率的频率信息、获取高精度的相位信息，并通过对差分相位进行梯度计算，进一步揭示了材料的力学特征和内部缺陷，最终得到了材料层析的内部应变场。



图6 应变成像算法不足

当计算差分相位时，如果形变过大会导致散斑的退相关，造成随机相位无法被抵消，从而产生差分相位噪声。针对这一问题我们提出了解卷积相位补偿方法。这一方法通过构建相位噪声能量相似度函数，打破了传统的图像灰度值相似度匹配框架。我们首次发现并利用了这一现象，基于相位原点分布图，成功建立了空间散斑相关噪声与像素及位置之间的映射关系。

三、应用推广及行业促进 

在航空材料检测方面，四川仨川利用本项目技术对某型号飞行器防热结构等在力、热载荷作用下开展了现场变形测量，成功获得了关键区域的应变场和位移场实测数据，试验结果对该型号的安全可靠评价起到了重要参考作用。成都鲁晨新利用本项目技术，对某型号复合材料进行了力学载荷下的形变监测，为该型号材料在航天和航空飞行器中的设计和应用提供了重要参考作用。

在卫星遥感领域，北京微纳星空使用本项目研发技术，为长征二号丙运载火箭搭载的某型号卫星光学遥感系统透镜组进行了高精度曲率测量，为卫星遥感系统的成功研发和可靠生产提供了有效的检测依据，如图7所示。国星宇航和中华通信等公司也利用本项目成果为自主研发的遥感卫星的透镜组检测提供了丰富可靠的依据。



图7 卫星遥感领域应用

在精密光学领域，广州晶华利用本项目研发技术对高端天文望远镜透镜组提供可靠检测依据，天文望远镜出口量占全国38%，产品远销国内外近100个国家。在其他民用领域也得到广泛应用，如广电运通、深圳科比特、佛山华环珠宝等将本项目研发技术成功应用于高端金融机具、无人机智能巡检、宝石检验，如图8所示。



图8 其他民用领域应用

*本文根据作者在2023国家工业软件大会上所作报告速记整理而成