Приложение Б. Методика сбора, обработки и анализа данных

Приложение Б. Методика сбора, обработки и анализа данных

Б.1. Общие положения

Б.1.1 Измерения проводят под движущейся обращающейся или испытательной нагрузками. Если напряжения, возникающие в области измерения от приложенной нагрузки, вызывают изменения температуры, превышающие термочувствительность камеры NETD, то, как правило, дополнительной обработки термограмм не требуется. В противном случае необходимо принимать меры по выделению полезного сигнала из сильно зашумленного исходного теплового сигнала. Для этого используются два способа:

- синхронизация тепловых измерений с данными тензометрических измерений деформаций, принимаемых за эталонные (опорные);

- самосинхронизация тепловых сигналов, полученных из исследуемой и эталонной (заведомо бездефектной) областей конструкции. Такие сигналы извлекаются из одного и того же набора термограмм и, соответственно, не требуют установки тензодатчиков.

Примечание - Для проведения качественной сравнительной диагностики достаточно использовать метод самосинхронизации тепловых сигналов, извлекаемых из одного и того же пакета термограмм, между собой. Для количественной диагностики применение синхронизации тепловых сигналов с сигналами тензодатчиков является предпочтительным.

Одними из эффективных методов являются методы, основанные на получении качественных опорных сигналов по одному пикселю (или небольшому количеству пикселей) и использовании их для выделения полезного инфракрасного сигнала из зашумленных данных путем корреляции сигналов или методом наименьших квадратов. Для получения малошумных опорных сигналов могут быть использованы сигналы тензоизмерительной системы (метод синхронизации измерений двух измерительных систем) или инфракрасные сигналы из областей, где такие сигналы могут быть получены с наименьшими помехами (метод самосинхронизации).

Б.1.2 При синхронной термографии тензодатчики для синхронизации измерений следует устанавливать так, чтобы получать информацию о воздействии проходящей нагрузки - на стенке балки, на которой проводятся измерения (желательно вблизи области контроля), на продольных ребрах жесткости ортотропных плит, на средних прогонах сталежелезобетонных конструкций или на поперечных балках при опирании на них плит проезжей части и т.п. Поскольку изменение теплового сигнала прямо пропорционально изменению напряжений (деформаций), то полученные тензограммы будут представлять опорный сигнал для выделения полезного теплового сигнала из записанного пакета термограмм.

Примеры возможного расположения оборудования при синхронизированном измерении приведены на рисунках Е.3 и Е.17.

Начальная синхронизация измерения изменения температур (пакета термограмм) и сигналов тензометрической системы может быть выполнена:

- аппаратно с помощью коммутационного блока тепловизора (рисунок Б.1) или аналогичного устройства (эти устройства могут поставляться производителем в комплекте с тепловизором или изготавливаются самостоятельно);

- программно путем совмещения по времени пиков тензо- и термограмм.

Рисунок Б.1 - Коммутационный блок тепловизора InfraTech VarioCAM

При аппаратной синхронизации на вход триггера коммутационного блока в некоторый момент времени оператор подает напряжение 5 В. В этот момент на термограмме программно ставится метка (делается запись в массив данных термограммы). Одновременно это же напряжение подается в тензосистему, которая также на тензограмме записывает метку. В дальнейшем оба массива информации с тензосистемы (тензограмма) и тепловизора (пакет термограмм) выравниваются (синхронизируются по времени) по этим меткам в программе обработки данных.

Более сложным приемом (и программно, и аппаратно) может быть автоматическая установка синхронизирующих меток в пакете термограмм по величине изменения сигнала с тензодатчика больше установленного порога (триггерной величины).

Б.1.3 Самосинхронизация инфракрасных сигналов производится только программно. Для этого на термограмме выбирается область, значения пикселей которой будут приниматься за эталонный сигнал. Выбор области эталонного сигнала на конструкции определяется синфазностью (или почти синфазностью) изменений термоупругого сигнала под нагрузкой в эталонной и исследуемой областях. Этого можно достичь, выбирая расположение эталонной области в одном сечении с областью исследования или близкой к нему. Пример корректного выбора опорной области показан на рисунке Б.2

Рисунок Б.2 - Пример выбора эталонной области: а) фотография; б) термограмма.

Затем выполняется пространственное осреднение эталонного сигнала по выбранной области размером n х n пикселей в каждый момент времени (для каждой термограммы из пакета термограмм). Размер n эталонной области определяется пробными расчетами, начиная с наименьшего значения 3 х 3, и увеличивается до тех пор, пока разница осредненных сигналов не станет пренебрежимо малой. Полученный график изменения средних значений температур по времени принимается за эталонный (опорный) сигнал.

Дальнейшее использование эталонных сигналов синхронной и самосинхронной термографии происходит по одинаковому алгоритму, указанному в п. Б.3.

Б.1.4 Данные измерений, полученные с инфракрасной камеры (тепловизора) не могут быть отправлены на обработку напрямую, поскольку в них присутствует большое количество шумов различной природы. Поэтому, прежде чем приступать непосредственно к обработке результатов, необходимо устранить шумы.

Б.2 Удаление шумов

Шумы, присутствующие в термоупругом сигнале, можно разделить на несколько видов, каждый из которых имеет различную природу и требует специальных методов обработки:

- пространственный шум, возникающий вследствие перемещения друг относительно друга наблюдаемой конструкции и камеры;

- временной шум, появляющийся из-за особенностей работы электронных компонентов;

- эффект калибровки камеры.

Б.2.1 Выравнивание смещения области измерения в последовательности кадров

Для избавления от эффектов взаимного перемещения камеры и исследуемой конструкции необходимо, чтобы эти взаимные перемещения были достаточно малы. Этого можно достигнуть, закрепив ИК-камеру (тепловизор) от перемещений относительно конструкции с помощью штатива или струбцин.

Для компенсации смещения кадров применяют метод взаимной корреляции (кросс-корреляции). Для этого на первом кадре съемки выбирают участок изображения (шаблон) размером (mt х nt), который включает объект сцены, содержащий элементы с ярко выраженным температурным контрастом (например, ребро жесткости или специально установленный маркер), и которые не изменяют своего положения по отношению к исследуемой конструкции на протяжении всей записи.

В каждом последующем k-ом кадре назначается участок термоизображения размером (), больший шаблона по размеру на 20 % (в зависимости от величины предполагаемого движения объекта) (рисунок Б.3).

Для каждого кадра в пределах участка , начиная с его верхней левой точки (, ), шаблон перемещается на величину (, ), пока не обойдет весь контрольный участок. Как правило, величина смещения составляет 1 пиксель.

Рисунок Б.3 - Принцип кросс-корреляции термоизображений (на рисунке показано термоизображение балки пролетного строения моста в оттенках серого)

В каждом k-ом кадре для каждого положения шаблона ( , ) вычисляются коэффициенты нормализованной взаимной корреляции .

(Б.1)

где - значение температуры пикселя (x, y) в контрольной области k-ого кадра;

- среднее значение температуры пикселей контрольной области кого кадра, закрываемой шаблоном в положении (u, v);

- значение температуры в пикселе шаблона с координатами ;

- среднее значение температур пикселей шаблона.

По наибольшей величине коэффициента значения , принимают за смещение изображения и производят соответствующую коррекцию температур пикселей. При этом участки изображения вдоль краев каждого кадра размером 10 - 15 пикселей в дальнейшем анализе не используются, поскольку для них в процессе коррекции информация теряется.

Полностью процедура выглядит следующим образом:

- на первом кадре съемки выбирается участок изображения, куда попадает ярко выраженный объект, который не изменяет своего положения по отношению к исследуемой конструкции на протяжении всей записи;

- для каждого последующего кадра вычисляются значения коэффициенты корреляции (Б.1);

- координаты искомого фрагмента изображения находятся по максимальному значению (arg max) матрицы как.

,

(Б.2)

по которым определяется смещение текущего кадра относительно первого и выполняется компенсация.

Здесь важны два момента - необходимо иметь четко выраженную границу (ребро) - узкую длинную полосу, температура которой резко отличается от остального изображения на протяжении всей съемки. И правильно выбрать шаблон - установить его размер, включив в него ребра (желательно перекрещивающиеся). Кроме того, важным является выбор размера контрольного участка кадра (, ) - если принять его слишком большим (например, равным всему полю теплового кадра 320 х 240 или 640 х 480), то можно получить ложные результаты. И то же самое получится, если принять его слишком маленьким (например, больше шаблона менее чем на 10%). Последнее особенно существенно при больших перемещениях камеры или объекта.

Б.2.2 Компенсация скачков и тренда записанного сигнала

Электронные элементы тепловизионных камер могут вносить погрешности в записываемый сигнал в виде резких скачков (рисунок Б.4) и плавного тренда, не связанные с изучаемым явлением.

Примечание - Тренд сигнала присутствует во всех электронных измерительных системах любого назначения.

Рисунок Б.4 - Изображение температурного сигнала

Компенсация скачков.

Скачки, связанные с шумом аппаратуры, отражаются одновременно во всех пикселях матрицы и имеют амплитуду, существенно превышающую среднюю амплитуду записываемого сигнала.

Удаление скачков выполняют для каждого кадра и в следующем порядке:

- из значений температур каждого пикселя текущего кадра вычитают значения температур соответствующих пикселей первого кадра фильма :

,

(Б.3)

- выбирают 80 базовых пикселей, произвольно, но равномерно распределенных по термограмме (кадру);

- вычисляют средние значения разности температур по областям размером 9 х 9 пикселей вокруг каждого базового пикселя с координатами (i, j);

- полученные таким образом значения осредняют по всем 80 базовым пикселям (определяют одну среднюю величину разности температур для каждого кадра):

;

(Б.4)

- для каждого пикселя из полных значений температур вычитают полученную среднюю величину разности температур:

.

(Б.5)

Примечание - Количество базовых пикселе в кадре 80 и размер области осреднения 9 х 9 для каждого базового пикселя подобраны опытным путем на основе обработки большого количества записей. Однако при необходимости эти величины могут быть изменены для достижения лучшего качества измерений.

Удаление температурного тренда сигнала.

Тренд сигнала удаляют после компенсации скачков. Поскольку тренд сигнала может быть выражен не по всей записи, а лишь на отдельных участках, то обработку записи выполняют по группам кадров.

Удаление тренда выполняется методом наименьших квадратов (МНК). Для этого запись разбивают на группы по 50 кадров. Выбор группы выполняют по величине среднеквадратичного отклонения температуры в пределах группы. Для дальнейшей обработки оставляют только те группы, где среднее отклонение температур по группе превышает 0,005, иначе - группа исключается из рассмотрения.

Для каждой группы кадров с помощью МНК по записанным данным вычисляют значения коэффициентов a и b линейного уравнения .

Затем тренд удаляют из сигнала

.

(Б.6)

Примечание - Количество кадров 50 подобрано опытным путем на основе обработки большого количества записей. Однако при необходимости эта величина может быть изменена для достижения лучшего качества измерений.

Пример сигналов с трендом и после удаления тренда, а также термограмм без удаления тренда и после удаления тренда показаны на рисунке Б.5.

Рисунок Б.5 - Результаты обработки термограмм:

а) без удаления тренда сигнала; б) после удаления тренда сигнала

Б.3 Обработка результатов измерений

Б.3.1 При выполнении измерений методом самосинхронизированной термографии дефектные области определяют путем сравнения температурных данных по каждому пикселю последовательности записанных термограмм с некоторой эталонной (опорной) областью, выбранной из той же последовательности и для которой известно отсутствие в ней повреждений (рисунок Б.5).

Б.3.2 ИК-сигнал в каждом пикселе последовательности термограмм приближается к сигналу пикселей эталонной (опорной) области методом наименьших квадратов (МНК).

Для применения метода наименьших квадратов необходимо предварительно в дополнение к пункту Б.2 подготовить эталонный ИК-сигнал в каждом пикселе ИК-изображения путем его пространственного осреднения.

После обработки сигналов с помощью МНК сигнал дефектной области будет иметь наибольшее отклонение от эталонного сигнала.

Пространственное осреднение сигнала состоит в том, что для итоговой обработки принимается не исходное значение сигнала к i-том пикселе, а его значение, осредненное по n прилегающим к нему пикселям. Количество прилегающих пикселей, принимаемое для осреднения, определяется пробными расчетами.

Подбор количества прилегающих пикселей осуществляется следующим образом:

- сначала принимают минимальную площадь осреднения размером 3х3 пикселя и выполняют обработку пакета термограмм;

- полученный результат анализируют на предмет наличия дефекта;

- если дефект не выявляется, или слабо различим, то площадь осреднения увеличивают до тех пор, пока последующее изображение не начнёт значительно отличаться (в лучшую сторону) от предыдущего.

Примечание - На основании выполненных многочисленных обработок различного вида усталостных повреждений можно констатировать, что если при размере эталонной области 25х25 пикселей и более температурные аномалии не выделяются, значит можно говорить об отсутствии дефектов в области измерения.

Например, на рисунке Б.6,в показано итоговое изображение, которое было получено с использованием эталонного сигнала, сгенерированного с площади 3х3. В данном случае выявить наличие дефекта затруднительно. При использовании осреднения с площади 9х9 (рисунок Б.6,г) можно разглядеть пятно, но оно еще не достаточно явное. При площади осреднения 15х15 пикселей идентификация саморазогрева становится очевидной. Увеличение площади осреднения необходимо производить до тех пор, пока различие в результатах не станет незначительным. Изображение на рисунке Б.6,е получено при использовании площади осреднения 25х25 пикселей. Очевидно, что оно не уступает по качеству изображению, полученному с применением площади осреднения 15х15 пикселей. В таком случае использование площади осреднения 15х15 пикселей позволит получить эталонный сигнал, пригодный для его дальнейшего применения.

Окончательное решение о максимальном количестве пикселей для осреднения принимает оператор.

Рисунок Б.6 - Результаты инфракрасной съёмки: а) исходная термограмма; б) фотография трещины; в) обработанное изображение при осреднении по площади 3х3 пикселей; г) обработанное изображение при осреднении по площади 9х9 пикселей; д) обработанное изображение при осреднении по площади 15х15 пикселей; е) обработанное изображение при осреднении по площади 25х25 пикселей

На рисунке Б.7 представлены графики сигналов в соответствии с рисунком Б.5. На приведённых графиках отчётливо прослеживается "очищение" сигнала от шума, при этом, осреднение по площади 15х15 и по площади 25х25 даёт практически одинаковый результат.

Рисунок Б.6 - Изображение температурных сигналов: а) при осреднении по площади 3х3 пикселей; б) при осреднении по площади 9х9 пикселей; в) при осреднении по площади 15х15 пикселей; г) при осреднении по площади 25х25 пикселей

Если в поле зрения тепловизора попадают несколько элементов снимаемого объекта, расположенные под углом друг к другу (например, стенка и пояс балки), то площадь осреднения должна приниматься по элементу, угол визирования на который является наименьшим, и находится в пределах этого элемента.

Б.3.3 Коэффициенты метода наименьших квадратов а и b получают минимизацией суммы квадратов разностей между исходным ИК-сигналом в i-том пикселе y _ni, и некоторым эталонным ИК-сигналом f _n, взятым из заведомо бездефектной области и предварительно очищенный от шумов согласно пункту Б.2 и осредненным согласно рекомендациям п. Б.3.2, по уравнениям:

;

(Б.7)

.

где n - номер кадра (отсчета) последовательных ИК-изображений;

N - это полное количество кадров в записи;

- опорный (бездефектный) ИК-сигнал, очищенный от шумов согласно алгоритмам, указанным в п. Б.2.

О наличии дефектов свидетельствуют экстремальные значения коэффициентов и . То есть для сигнала непосредственно в дефектной точке коэффициент будет максимальным, а коэффициент - минимальным. Поскольку значения и обозначают точное совпадение точки с эталонной, то эти значения должны быть исключены из анализа на экстремум.

Б.3.4 При использовании метода самосинхронизированной термографии эталонный ИК-сигнал должен быть выбран из бездефектной зоны, расположенной максимально близко к сечению с вершиной трещины. Поскольку заранее точное положение вершины трещины не известно, то необходимо рассматривать несколько сечений для выбора эталонного сигнала. При совпадении положения сечения с эталонным сигналом с сечением, содержащим вершину трещины, величины коэффициентов примут свои экстремальные значения (максимум для и минимум для ) из всего набора сигналов.

Б.3.5 При использовании метода синхронизации ИК-сигналов с сигналами тензометрической системы, эталонным сигналом является сигнал с тензодатчика, поэтому тензодатчики следует располагать как можно ближе к исследуемому сечению.

Как правило, абсолютно точного совпадения эталонного и контрольного сечений для определения положения вершины трещины не требуется.