導讀：2023年10月28日，由中國自動化學會主辦的2023國家工業軟件大會在浙江湖州盛大開幕。大會以“工業軟件·智造未來”為主題，匯聚了25位國內外院士，1500余位代表，共同探討工業軟件領域前沿理論和技術創新應用問題，共同謀劃我國工業軟件未來發展之道。
謝勝利教授受邀在2023國家工業軟件大會中作題為“面向層析測量的信號處理新理論、新算法及系統處理軟件”的專題報告。報告介紹了謝勝利教授團隊在國家自然科學基金-重大科學儀器專項、國家自然科學基金-重點項目、廣東省重大科技計劃等多個項目連續資助下，持續十余年攻關，先后提出了“稀疏干涉頻譜分離”、“欠定盲分離相位解混”、“差分相位自適應計算”等信息處理新方法，研制了具有自主知識產權的高精度全場形貌形變層析測量軟硬一體化系統及配套軟件，從根本上克服了上述瓶頸，并在航空航天、精密儀器、材料研發等領域取得了成功應用。
面向層析測量的信號處理新理論、新算法及系統處理軟件
隨著科學技術的不斷發展，對各個領域的高精度檢測提出了更新、更高的要求。為了應對這一挑戰，國務院發布了2021年和2035年的計量發展規劃。這項規劃旨在加速構建國家現代先進的測量體系，同時加強計量基礎研究，并支持先進制造和智能提升。
一、研究背景與研究思路
高精度檢測在樹脂復合材料重大裝備方面至關重要，主要涵蓋三個主要方面：第一，實現對樹脂復合材料的高精度全廠測量，確保其結構、尺寸、形狀等符合質量標準和設計規范；第二，實現多表面成像技術，以獲取復雜構件多個表面的細節和結構信息，便于全面分析評估；第三，具備高動態范圍的力學特性表征能力，特別是在極端環境下對材料性能進行準確測定，如圖1所示。樹脂復合材料被廣泛應用于航空航天等領域的承力構件，其高強度、耐高溫和低密度等優點使其備受青睞，對它進行高精度檢測是確保其質量、安全性和可靠性的關鍵。
圖1 高精度檢測技術要求
實際上，許多事故與復合材料檢測不足有關，如圖2所示。例如，2014年倫敦機場的波音787因復合材料發熱導致熄火，2017年法航AF66因復合材料斷裂導致引擎爆炸，以及2021年飛往加拿大的TP1477航班因復合材料方向舵斷裂而發生險情。這些事件本質上反映了對復合材料微裂縫、層間斷裂等力學失效機制的缺乏理解，同時也凸顯了對相關有效表征測量方法的不足。
圖2 復合材料檢測導致的事故
復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，由于這種現象在力學理論模型上難以解釋，很難通過理論來全面探討。這也意味著對內部力學失效機制的準確測量受到限制。因此，迫切需要一種有效的無損檢測手段，能夠測量復合材料內部的三維應變場分布情況。
為了滿足器件和材料的高性能檢測要求，必須能夠進行高精度的面型測量、多界面層析重構和內部形變動態檢測。當前，光學相干層析技術是國際上最先進的方法之一，特別是在光學層析相干和干涉光譜的相位差方面。通過結合這些技術，可以實現復合材料內部的全場形變測量，監測固化過程，并進行亞微米級的內部層析檢測。
光學相干層析技術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，并對其進行分析，可以了解材料的內部結構情況，發現微小缺陷。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，但實際上是一個復雜的模型，它反映了內部頻率、變形信息以及幅值等參數，還包括材料的反射率和層數，其中材料的層數是一個未知參數。
圖3 光學相干層析技術OCT
光學相干層析技術經歷了幾代發展：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；第二代在頻域進行，使用時域光學相干層析技術，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的半導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用。另一種解決方法是利用光學空間濾波消除相干噪聲，但會增加系統設計的復雜性，難以實現集成度。此外，高速二維光譜成像系統也被用于提高成像質量，但會導致數據量激增，存儲和處理方面面臨挑戰。因此，國際上的研究者正在突破第二代頻域光學相干層析技術的局限性，并尋求新的處理方法和技術。一些學者嘗試在時域下優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展。
二、理論算法與軟件開發
我們團隊經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，并以此為指導開發了一系列新的檢測軟件。
在層析分辨率受限的挑戰下，高分辨率層析測量關鍵在于在有限帶寬下準確分離不同變化頻率的波數域層間干涉信號。使用傅里葉變換進行層析測量時，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卷積效應影響，容易產生頻譜混疊問題，導致難以區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，我們發現由于窗函數卷積的影響，導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鍵參數。根據干涉原理，干涉信號具有周期變化特征和系數特征，基于這些特性我們團隊建立了一個模型，利用正多余弦變換基礎矩陣和待分離的干涉譜信號，構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的問題，避免了使用傅里葉變換，并應用FOCUSS算法模型解決了材料內部的散射光墻影響。該算法成功地克服了傳統方法因散斑影響而導致的采樣困難，實現了高分辨率的成像。我們基于這一方法，開發了相應的軟件和硬件，在不透明樹脂復合材料中成功實現了內部位移場和應變場的強穿透層析測量。
圖4 層析測量算法不足
對于多層結構的光學器件，使用傅里葉變換方法處理時可能會出現混疊和不清晰的問題。然而，采用時頻聯合域OCT稀疏優化方法可以成功克服頻率OCT傅里葉變換的卷積效應。這種方法使得層析分辨率提高了5倍，達到了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構器件的成像質量，實現更高的分辨率。
面對混疊的干涉光譜，如何準確提取層析信號的相位場是一個挑戰，如圖5所示。傳統方法中，傅里葉變換存在窗函數卷積導致的相位串擾問題，使得界面干涉相位無法準確分離。我們提出了一套新的解決方案，首先將混合的干涉光譜轉化成矩陣形式，明確區分材料內部結構信息和變形信息，并利用盲分離模型，在波數域中求解干涉相位，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部特性，通過稀疏的欠定盲分離分發方法，成功克服了傳統方法中相位串擾的問題，實現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變場方面，我們著重解決了從具有空間相關特性的散斑噪聲中準確計算相位場梯度分布的問題，如圖6所示。這一過程實現了高信噪比的應變場重構，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行梯度計算，進一步揭示了材料的力學特征和內部缺陷，最終得到了材料層析的內部應變場。
圖6 應變成像算法不足
當計算差分相位時，如果形變過大會導致散斑的退相關，造成隨機相位無法被抵消，從而產生差分相位噪聲。針對這一問題我們提出了解卷積相位補償方法。這一方法通過構建相位噪聲能量相似度函數，打破了傳統的圖像灰度值相似度匹配框架。我們首次發現并利用了這一現象，基于相位原點分布圖，成功建立了空間散斑相關噪聲與像素及位置之間的映射關系。
三、應用推廣及行業促進
在航空材料檢測方面，四川仨川利用本項目技術對某型號飛行器防熱結構等在力、熱載荷作用下開展了現場變形測量，成功獲得了關鍵區域的應變場和位移場實測數據，試驗結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，對某型號復合材料進行了力學載荷下的形變監測，為該型號材料在航天和航空飛行器中的設計和應用提供了重要參考作用。
在衛星遙感領域，北京微納星空使用本項目研發技術，為長征二號丙運載火箭搭載的某型號衛星光學遙感系統透鏡組進行了高精度曲率測量，為衛星遙感系統的成功研發和可靠生產提供了有效的檢測依據，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的遙感衛星的透鏡組檢測提供了豐富可靠的依據。
圖7 衛星遙感領域應用
在精密光學領域，廣州晶華利用本項目研發技術對高端天文望遠鏡透鏡組提供可靠檢測依據，天文望遠鏡出口量占全國38%，產品遠銷國內外近100個國家。在其他民用領域也得到廣泛應用，如廣電運通、深圳科比特、佛山華環珠寶等將本項目研發技術成功應用于高端金融機具、無人機智能巡檢、寶石檢驗，如圖8所示。
圖8 其他民用領域應用
*本文根據作者在2023國家工業軟件大會上所作報告速記整理而成
