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原文传递基于数字剪切散斑的CFRP加固混凝土结构缺陷检测研究

论文题名：	基于数字剪切散斑的CFRP加固混凝土结构缺陷检测研究
关键词：	数字剪切散斑干涉;条纹滤波;相位解包裹;碳纤维加固;无损检测
摘要：	碳纤维增强复合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP）因优异的力学性能逐渐成为建筑桥梁领域常用的修复和加固材料，其加固工艺好坏和粘结面的健康状况也成为了国内外重点关注的研究方向。数字剪切散斑干涉术是一种发展迅速且应用广泛的光学无损检测技术，具有精度高、隔振性、非接触和全场检测等优点，它能够直接检测物体的位移梯度，使结构性缺陷由于应变集中而显示出明显的“蝴蝶”斑状剪切散斑干涉条纹。为拓宽数字剪切散斑干涉术的应用范围和实现CFRP加固混凝土结构的内部隐形缺陷检测，本文对数字剪切散斑干涉术的关键技术展开研究，并搭建了剪切散斑干涉检测系统用于检测加固混凝土结构的内部隐形缺陷。　　本文通过对数字剪切散斑干涉术光学原理、相位提取、条纹处理、滤波、解相位等方法及缺陷无损检测原理的研究分析，提出了基于数字剪切散斑干涉术的CFRP加固混凝土结构无损检测方案。论文以建筑桥梁领域加固混凝土结构为研究对象，针对CFRP加固混凝土结构内部脱粘缺陷会严重影响其加固性能，又缺乏快速有效的结构粘结面无损检测技术的问题，设计开发了能够实现CFRP加固混凝土结构内部隐形缺陷可视化的高精度检测系统，对建筑桥梁领域CFRP加固的结构缺陷检测和控制方面有较大的理论和现实意义。　　在研究数字剪切散斑干涉术的过程中，首先，研究分析了数字剪切散斑干涉术的光路和光学原理。在研究线性条纹处理模式的基础上提出了最小平方距离互相关运算，该算法的处理模式可以进一步提高条纹对比度。在分析对比常用相位提取技术的基础上，设计了加固混凝土结构的内部隐形缺陷总体检测方案。　　其次，针对影响测量精度的剪切散斑干涉条纹图像的滤波关键技术进行了研究。针对加窗傅里叶滤波方法实时性不高的问题，提出一种基于Kaiser-Hamming窗口的傅里叶快速滤波方法，去掉了多余的非正交基函数。该方法滤波后条纹的光滑度、细节保护程度和保真度与加窗傅里叶滤波相差不大，但对于真实条纹滤波速度提高了12倍，提高了条纹滤波的实时性。　　再次，对剪切散斑干涉包裹相位图的相位解包裹技术开展研究，在研究二维解包裹模型的基础上，通过对比实验详细对比分析了几种典型的相位解包裹算法，归纳并给出了几种算法的特性指标，研究发现：最小二乘法和正交递归法解包裹操作速度相对更快，正交递归法和多聚类法得到的解包裹相位图精度相对更高，正交递归法和多聚类法的抗噪性能相对更好。　　然后，对单幅条纹相位提取技术进行了深入研究。针对传统傅里叶变换提取法不适用于闭合条纹的局限性，提出了改进的极坐标系傅里叶变换相位提取法。该方法通过坐标转换的方式，成功提取了闭合条纹相位。同时，为滤波时最大限度的保留条纹边缘，提出了一种基于自适应可靠因子的联合双边散斑条纹滤波方法。该方法构建了更可靠的自适应像素值相似度因子，从而获取更可靠的引导信息和更好的滤波效果，对本文模拟条纹滤波后峰值信噪比提高了1.0~4.2dB，结构相似度和边缘保持指数最高，相位的均方误差最小。　　最终，结合实验搭建了迈克尔逊式剪切散斑干涉检测系统，并设计了散斑图像采集与处理软件，本文通过实验对多块碳纤维加固混凝土构件的内部隐形缺陷进行检测，并成功的检测出了不同大小深度、不同分布位置的脱粘缺陷，取得了良好的效果，证明了本文所提出的检测方案和系统的可行性。
作者：	何柱材
专业：	交通运输工程
导师：	王会峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2022