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導(dǎo)讀：2023年10月28日，由中國自動化學(xué)會主辦的2023國家工業(yè)軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業(yè)軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內(nèi)外院士，1500余位代表，共同探討工業(yè)軟件領(lǐng)域前沿理論和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用問題，共同謀劃我國工業(yè)軟件未來發(fā)展之道。
謝勝利教授受邀在2023國家工業(yè)軟件大會中作題為“面向?qū)游鰷y量的信號處理新理論、新算法及系統(tǒng)處理軟件”的專題報告。報告介紹了謝勝利教授團(tuán)隊在國家自然科學(xué)基金-重大科學(xué)儀器專項、國家自然科學(xué)基金-重點項目、廣東省重大科技計劃等多個項目連續(xù)資助下，持續(xù)十余年攻關(guān)，先后提出了“稀疏干涉頻譜分離”、“欠定盲分離相位解混”、“差分相位自適應(yīng)計算”等信息處理新方法，研制了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度全場形貌形變層析測量軟硬一體化系統(tǒng)及配套軟件，從根本上克服了上述瓶頸，并在航空航天、精密儀器、材料研發(fā)等領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。
面向?qū)游鰷y量的信號處理新理論、新算法及系統(tǒng)處理軟件
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對各個領(lǐng)域的高精度檢測提出了更新、更高的要求。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，國務(wù)院發(fā)布了2021年和2035年的計量發(fā)展規(guī)劃。這項規(guī)劃旨在加速構(gòu)建國家現(xiàn)代先進(jìn)的測量體系，同時加強計量基礎(chǔ)研究，并支持先進(jìn)制造和智能提升。
一、研究背景與研究思路
高精度檢測在樹脂復(fù)合材料重大裝備方面至關(guān)重要，主要涵蓋三個主要方面：第一，實現(xiàn)對樹脂復(fù)合材料的高精度全廠測量，確保其結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀等符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范；第二，實現(xiàn)多表面成像技術(shù)，以獲取復(fù)雜構(gòu)件多個表面的細(xì)節(jié)和結(jié)構(gòu)信息，便于全面分析評估；第三，具備高動態(tài)范圍的力學(xué)特性表征能力，特別是在極端環(huán)境下對材料性能進(jìn)行準(zhǔn)確測定，如圖1所示。樹脂復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的承力構(gòu)件，其高強度、耐高溫和低密度等優(yōu)點使其備受青睞，對它進(jìn)行高精度檢測是確保其質(zhì)量、安全性和可靠性的關(guān)鍵。
圖1 高精度檢測技術(shù)要求
實際上，許多事故與復(fù)合材料檢測不足有關(guān)，如圖2所示。例如，2014年倫敦機場的波音787因復(fù)合材料發(fā)熱導(dǎo)致熄火，2017年法航AF66因復(fù)合材料斷裂導(dǎo)致引擎爆炸，以及2021年飛往加拿大的TP1477航班因復(fù)合材料方向舵斷裂而發(fā)生險情。這些事件本質(zhì)上反映了對復(fù)合材料微裂縫、層間斷裂等力學(xué)失效機制的缺乏理解，同時也凸顯了對相關(guān)有效表征測量方法的不足。
圖2 復(fù)合材料檢測導(dǎo)致的事故
復(fù)合材料典型的失效形式通常包括層級斷裂，即微小裂紋擴展為宏觀裂縫。然而，由于這種現(xiàn)象在力學(xué)理論模型上難以解釋，很難通過理論來全面探討。這也意味著對內(nèi)部力學(xué)失效機制的準(zhǔn)確測量受到限制。因此，迫切需要一種有效的無損檢測手段，能夠測量復(fù)合材料內(nèi)部的三維應(yīng)變場分布情況。
為了滿足器件和材料的高性能檢測要求，必須能夠進(jìn)行高精度的面型測量、多界面層析重構(gòu)和內(nèi)部形變動態(tài)檢測。當(dāng)前，光學(xué)相干層析技術(shù)是國際上最先進(jìn)的方法之一，特別是在光學(xué)層析相干和干涉光譜的相位差方面。通過結(jié)合這些技術(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的全場形變測量，監(jiān)測固化過程，并進(jìn)行亞微米級的內(nèi)部層析檢測。
光學(xué)相干層析技術(shù)的原理是將光照射到材料上，這些材料中的每一層都會反射光回來，如圖3所示。通過捕捉這些反射光，并對其進(jìn)行分析，可以了解材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，發(fā)現(xiàn)微小缺陷。其模型利用照相機捕捉光照射材料后反射的圖像。雖然看起來簡單，但實際上是一個復(fù)雜的模型，它反映了內(nèi)部頻率、變形信息以及幅值等參數(shù)，還包括材料的反射率和層數(shù)，其中材料的層數(shù)是一個未知參數(shù)。
圖3 光學(xué)相干層析技術(shù)OCT
光學(xué)相干層析技術(shù)經(jīng)歷了幾代發(fā)展：第一代采用希爾伯特變換作為信息處理手段，但存在成像速度慢和敏感度低等問題；第二代在頻域進(jìn)行，使用時域光學(xué)相干層析技術(shù)，但仍然面臨著層析分辨率受限、測量精度不高和成像信噪比低等難題。這些問題不僅僅局限于層析測量，而是通用問題。國際上解決這些問題的思路主要是從硬件層面著手，如采用超寬帶光源替代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體掃頻激光器以提高分辨率，但這會大幅增加硬件成本并限制其實際應(yīng)用。另一種解決方法是利用光學(xué)空間濾波消除相干噪聲，但會增加系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，難以實現(xiàn)集成度。此外，高速二維光譜成像系統(tǒng)也被用于提高成像質(zhì)量，但會導(dǎo)致數(shù)據(jù)量激增，存儲和處理方面面臨挑戰(zhàn)。因此，國際上的研究者正在突破第二代頻域光學(xué)相干層析技術(shù)的局限性，并尋求新的處理方法和技術(shù)。一些學(xué)者嘗試在時域下優(yōu)化層析信號以解決頻域OCT的問題，但受到強噪聲的限制而未能取得進(jìn)展。
二、理論算法與軟件開發(fā)
我們團(tuán)隊經(jīng)過多年艱苦努力和探索，針對層析分辨率受限、測量精度不高、成像信噪比低問題，提出了一套新的信息處理理論，并以此為指導(dǎo)開發(fā)了一系列新的檢測軟件。
在層析分辨率受限的挑戰(zhàn)下，高分辨率層析測量關(guān)鍵在于在有限帶寬下準(zhǔn)確分離不同變化頻率的波數(shù)域?qū)娱g干涉信號。使用傅里葉變換進(jìn)行層析測量時，若只要求一般精度，這并不會引起問題；但是若需要更高精度，傅里葉變換就顯得力不從心。由于受到傅里葉變換的窗函數(shù)卷積效應(yīng)影響，容易產(chǎn)生頻譜混疊問題，導(dǎo)致難以區(qū)分頻譜相近的干涉信號，從而限制了層析分辨率的提高。
在面對層析分辨率不足的問題時，我們發(fā)現(xiàn)由于窗函數(shù)卷積的影響，導(dǎo)致第二和第三層的干涉信號混合在一起，無法分辨，從而限制了層析分辨率，如圖4所示。為了解決這個問題，我們觀察到干涉頻譜稀疏度是衡量層析分辨率的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)干涉原理，干涉信號具有周期變化特征和系數(shù)特征，基于這些特性我們團(tuán)隊建立了一個模型，利用正多余弦變換基礎(chǔ)矩陣和待分離的干涉譜信號，構(gòu)建了一個稀疏的混疊層析干涉譜分離模型。該模型成功地克服了傅里葉變換卷積函數(shù)的問題，避免了使用傅里葉變換，并應(yīng)用FOCUSS算法模型解決了材料內(nèi)部的散射光墻影響。該算法成功地克服了傳統(tǒng)方法因散斑影響而導(dǎo)致的采樣困難，實現(xiàn)了高分辨率的成像。我們基于這一方法，開發(fā)了相應(yīng)的軟件和硬件，在不透明樹脂復(fù)合材料中成功實現(xiàn)了內(nèi)部位移場和應(yīng)變場的強穿透層析測量。
圖4 層析測量算法不足
對于多層結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，使用傅里葉變換方法處理時可能會出現(xiàn)混疊和不清晰的問題。然而，采用時頻聯(lián)合域OCT稀疏優(yōu)化方法可以成功克服頻率OCT傅里葉變換的卷積效應(yīng)。這種方法使得層析分辨率提高了5倍，達(dá)到了1微米的水平。最終成果表明，我們的方法能夠有效地改善多層結(jié)構(gòu)器件的成像質(zhì)量，實現(xiàn)更高的分辨率。
面對混疊的干涉光譜，如何準(zhǔn)確提取層析信號的相位場是一個挑戰(zhàn)，如圖5所示。傳統(tǒng)方法中，傅里葉變換存在窗函數(shù)卷積導(dǎo)致的相位串?dāng)_問題，使得界面干涉相位無法準(zhǔn)確分離。我們提出了一套新的解決方案，首先將混合的干涉光譜轉(zhuǎn)化成矩陣形式，明確區(qū)分材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和變形信息，并利用盲分離模型，在波數(shù)域中求解干涉相位，避免了傅里葉變換帶來的相位干擾。此方法充分考慮了材料內(nèi)部特性，通過稀疏的欠定盲分離分發(fā)方法，成功克服了傳統(tǒng)方法中相位串?dāng)_的問題，實現(xiàn)了高精度的相位場測量。
圖5 相位測量算法不足
在獲取高信噪比的應(yīng)變場方面，我們著重解決了從具有空間相關(guān)特性的散斑噪聲中準(zhǔn)確計算相位場梯度分布的問題，如圖6所示。這一過程實現(xiàn)了高信噪比的應(yīng)變場重構(gòu)，有效獲取了材料的變形信息，包括提取高分辨率的頻率信息、獲取高精度的相位信息，并通過對差分相位進(jìn)行梯度計算，進(jìn)一步揭示了材料的力學(xué)特征和內(nèi)部缺陷，最終得到了材料層析的內(nèi)部應(yīng)變場。
圖6 應(yīng)變成像算法不足
當(dāng)計算差分相位時，如果形變過大會導(dǎo)致散斑的退相關(guān)，造成隨機相位無法被抵消，從而產(chǎn)生差分相位噪聲。針對這一問題我們提出了解卷積相位補償方法。這一方法通過構(gòu)建相位噪聲能量相似度函數(shù)，打破了傳統(tǒng)的圖像灰度值相似度匹配框架。我們首次發(fā)現(xiàn)并利用了這一現(xiàn)象，基于相位原點分布圖，成功建立了空間散斑相關(guān)噪聲與像素及位置之間的映射關(guān)系。
三、應(yīng)用推廣及行業(yè)促進(jìn)
在航空材料檢測方面，四川仨川利用本項目技術(shù)對某型號飛行器防熱結(jié)構(gòu)等在力、熱載荷作用下開展了現(xiàn)場變形測量，成功獲得了關(guān)鍵區(qū)域的應(yīng)變場和位移場實測數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果對該型號的安全可靠評價起到了重要參考作用。成都魯晨新利用本項目技術(shù)，對某型號復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)載荷下的形變監(jiān)測，為該型號材料在航天和航空飛行器中的設(shè)計和應(yīng)用提供了重要參考作用。
在衛(wèi)星遙感領(lǐng)域，北京微納星空使用本項目研發(fā)技術(shù)，為長征二號丙運載火箭搭載的某型號衛(wèi)星光學(xué)遙感系統(tǒng)透鏡組進(jìn)行了高精度曲率測量，為衛(wèi)星遙感系統(tǒng)的成功研發(fā)和可靠生產(chǎn)提供了有效的檢測依據(jù)，如圖7所示。國星宇航和中華通信等公司也利用本項目成果為自主研發(fā)的遙感衛(wèi)星的透鏡組檢測提供了豐富可靠的依據(jù)。
圖7 衛(wèi)星遙感領(lǐng)域應(yīng)用
在精密光學(xué)領(lǐng)域，廣州晶華利用本項目研發(fā)技術(shù)對高端天文望遠(yuǎn)鏡透鏡組提供可靠檢測依據(jù)，天文望遠(yuǎn)鏡出口量占全國38%，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷國內(nèi)外近100個國家。在其他民用領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用，如廣電運通、深圳科比特、佛山華環(huán)珠寶等將本項目研發(fā)技術(shù)成功應(yīng)用于高端金融機具、無人機智能巡檢、寶石檢驗，如圖8所示。
圖8 其他民用領(lǐng)域應(yīng)用
*本文根據(jù)作者在2023國家工業(yè)軟件大會上所作報告速記整理而成
