摘 要：以實驗室中厭氧反應(yīng)池土工膜結(jié)構(gòu)為研究對象，通過實驗研究的方法，使用基于太陽能熱波激勵的熱成像技術(shù)進行高密度聚乙烯（HDPE）土工膜結(jié)構(gòu)缺陷檢測的探索性研究。所提方法利用太陽能輻射作為熱波激勵，驗證了利用云層遮蔽導(dǎo)致的太陽能輻射短期波動進行紅外結(jié)構(gòu)監(jiān)測的可行性。此外，基于結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)變溫過程應(yīng)用紅外熱圖像序列降溫過程溫度變化累加對比的方法，以增強缺陷區(qū)域的溫度對比度。研究結(jié)果表明，利用太陽能輻射波動觀察到的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度響應(yīng)可用于確定土工膜結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。

關(guān)鍵詞：太陽能；紅外熱成像；圖像處理；損傷識別；土工膜

中圖分類號：TK513.5 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

土工膜作為污水處理廠厭氧反應(yīng)池中的浮蓋［1］，具有高強度、高耐磨性和高抗腐蝕性等特點，其中高密度聚乙烯（HDPE）土工膜被用作厭氧反應(yīng)池浮蓋的主要材料。如圖1所示，在厭氧反應(yīng)過程中，污水流過反應(yīng)池，通過厭氧反應(yīng)降解污水并產(chǎn)生沼氣。漂浮在污水上的土工膜結(jié)構(gòu)在此過程中起到收集甲烷和防止有毒有害氣體釋放到環(huán)境中的重要作用。開發(fā)一種有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法來評估這些大型浮蓋的結(jié)構(gòu)完整性對于污水處理廠可再生能源的持續(xù)生產(chǎn)十分重要。污水中的雜質(zhì)會隨時間的推移發(fā)展成被稱為浮渣的大體積固體垃圾塊，而浮渣的存在會導(dǎo)致土工膜結(jié)構(gòu)的局部變形，此外硬化的浮渣移動時可能會破壞土工膜結(jié)構(gòu)的底部，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生缺陷并失效，從而導(dǎo)致污水和沼氣的泄露［2］。局部失效后，更換土工膜結(jié)構(gòu)的成本十分昂貴。

對于戶外在線評估土工膜結(jié)構(gòu)健康狀況的主要挑戰(zhàn)是：1）監(jiān)測區(qū)域跨度大，用于戶外厭氧反應(yīng)池浮蓋的土工膜結(jié)構(gòu)的面積約為10000 m2；2）監(jiān)測儀器安裝和維護困難。當(dāng)前的監(jiān)測方法需要檢查員在土工膜結(jié)構(gòu)上行走并進行耗時的目視檢查。而非接觸式結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（structure health monitoring，SHM）技術(shù)可提高浮蓋檢查的效率和安全性。本文介紹一種利用太陽能輻射監(jiān)測高密度聚乙烯（HDPE）土工膜結(jié)構(gòu)缺陷的紅外熱成像方法。在一系列戶外實驗中，通過將監(jiān)測樣本放置于戶外環(huán)境條件下，利用太陽能熱波激勵使土工膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬態(tài)溫度響應(yīng)，達到無需人工熱源仍可進行大面積監(jiān)測的效果。利用云層遮蔽期間產(chǎn)生的太陽能輻射功率信號的波動，通過截取土工膜結(jié)構(gòu)在降溫過程中從溫度極大值點到溫度極小值點期間的多個紅外圖像序列，計算太陽能輻射功率變化過程中結(jié)構(gòu)溫度變化的差值。同時，通過多個變溫過程累積結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)域和結(jié)構(gòu)正常區(qū)域溫度變化值的對比，加強結(jié)構(gòu)缺陷特征提取效果。

1 基本原理

紅外熱成像作為一種非接觸的監(jiān)測方式，可用于監(jiān)測大面積結(jié)構(gòu)的溫度響應(yīng)，同時具有監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的功能［3］。紅外熱成像監(jiān)測是一種基于物體發(fā)出的紅外能量，由紅外傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感方式。斯特凡波茲曼定律指出，絕對零度以上的所有物體都可對周圍環(huán)境輻射能量。描述黑體單位面積在單位時間輻射的總能量的關(guān)系式如式（1）所示?？煽闯?，物體表面輻射的能量與輻射物體表面絕對溫度的4次方呈正比。

[PA=eσT4] （1）

式中：[P]——物體單位表面積輻射的功率，Ｗ；[A]——表面積，m2；[e]——物體表面的發(fā)射率；[σ]——斯特凡波茲曼常數(shù)；[T]——物體的絕對溫度，K。

基于是否需要外部熱波激勵，熱成像技術(shù)可分為主動或被動熱成像。主動熱成像方法需要來自物體外部熱源的熱波激勵。在主動熱成像監(jiān)測中，可在結(jié)構(gòu)表面施加瞬時熱波激勵（脈沖熱成像）或者周期性熱波激勵（主動鎖相熱成像），結(jié)構(gòu)缺陷可通過對比結(jié)構(gòu)損壞區(qū)域和未損壞區(qū)域在瞬態(tài)變溫過程中產(chǎn)生的溫度梯度表征。結(jié)構(gòu)表面的溫度差異是由于瞬態(tài)變溫過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的熱導(dǎo)率與周圍區(qū)域熱導(dǎo)率的差異引起的。如圖2所示，在主動熱成像中，當(dāng)結(jié)構(gòu)存在非穿透性下表面缺陷時，在外部熱波輻射被施加在樣品的表面后，熱波通過熱傳導(dǎo)進入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)熱波傳遞至結(jié)構(gòu)內(nèi)部或結(jié)構(gòu)下表面缺陷位置時，存在缺陷部分的間隙會造成熱阻偏大，從而中斷熱波的傳播，導(dǎo)致熱波被儲存在缺陷存在的上表面區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的結(jié)構(gòu)表面將比周圍區(qū)域顯示更高的溫度［4］，因此結(jié)構(gòu)存在缺陷的區(qū)域?qū)?yīng)的上表面在紅外圖像中呈現(xiàn)為較高的溫度。紅外熱成像結(jié)構(gòu)檢測可基于此原理，通過拍攝結(jié)構(gòu)上表面的溫度分布來預(yù)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部或下部存在的缺陷。

主動熱成像中材料表面溫度[T]隨時間[t] 的演變可表示為：

[T（t）=QρcL1+2n=1∞exp-n2π2L2αt] （2）

式中：[Q]——施加在材料表面的熱能，J；[ρ]——材料的密度，[kg/m3;][C]——比熱容，[J/（kg?oC）;][L]——材料的厚度，[m]；[α]——熱擴散率，[m2/s。]

在理想的熱成像條件下，外輻射停止后，材料表面溫度會降至[QρCL]。如果組件中存在缺陷，則有效厚度[L]變小，從而導(dǎo)致熱圖像中缺陷區(qū)域的溫度升高。在被動熱成像中，被監(jiān)測對象自身溫度與周圍環(huán)境溫度存在差異且無需外部熱源激勵。此方法多用于監(jiān)測自發(fā)產(chǎn)熱對象的結(jié)構(gòu)缺陷，例如無外部熱源的鍋爐和燃氣管道［5］。目前，主動紅外熱成像監(jiān)測大多是借助人工熱源進行的，對于戶外大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，由于傳統(tǒng)的人工熱源難以對整個結(jié)構(gòu)提供均勻且持續(xù)的熱波激勵，因此大多采用被動監(jiān)測的方式。然而由于戶外結(jié)構(gòu)無法自發(fā)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)磨損區(qū)域與周圍區(qū)域溫度對比過低，無法提取損傷特征。此外，對于利用太陽能熱波等自然條件下產(chǎn)生的外部熱波激勵進行的瞬態(tài)熱成像監(jiān)測同樣缺乏討論。

對于污水處理池中的土工膜結(jié)構(gòu)，采用人工熱波激勵的主動熱成像無法同時均勻地加熱整個結(jié)構(gòu)；此外，由于厭氧池中產(chǎn)生的富含甲烷的沼氣產(chǎn)生了易燃環(huán)境，在土工膜結(jié)構(gòu)附近使用接觸類電子設(shè)備和加熱裝置將受到限制。傳統(tǒng)的主動熱成像在大型結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需要大量的熱量來確保熱波持續(xù)流入結(jié)構(gòu)，因此對土工膜結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的主動紅外成像結(jié)構(gòu)監(jiān)測方案是不可行的。本文研究利用在太陽能輻射受到云層遮蔽時土工膜結(jié)構(gòu)表面接受到的太陽能輻射短時間內(nèi)產(chǎn)生的波動對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生瞬態(tài)變溫的效應(yīng)來增強紅外監(jiān)測的結(jié)果，達到類似于采用人工熱源激勵的紅外監(jiān)測效果。

傳統(tǒng)的戶外被動紅外監(jiān)測為基于單幀紅外圖像中溫度的對比來表征缺陷，且缺陷特征的可靠度取決于缺陷區(qū)域和正常區(qū)域的差值，此方法得到的差值較小，不利于提取缺陷特征。本文描述的基于太陽能輻射功率波動的紅外監(jiān)測可分析太陽能輻射功率波動期間所有的紅外圖像幀，通過定位太陽能輻射功率的極大值和極小值確定所監(jiān)測結(jié)構(gòu)溫度下降期間的紅外圖像序列，并通過與第一幀圖像作差或者相鄰圖像幀作差的方法，得到相加的溫度差值。因此，本文所用方法得到的結(jié)構(gòu)缺陷區(qū)域和正常區(qū)域溫度的差值遠遠大于傳統(tǒng)被動紅外成像方法得到的差值，有益于提取結(jié)構(gòu)缺陷。此外，當(dāng)發(fā)生多次云層遮蔽事件時，多個紅外圖像序列產(chǎn)生的差值還可相加，進一步提高缺陷區(qū)域和正常區(qū)域溫度的對比。

2 實 驗

本文通過日射強度計記錄云層遮蔽期間太陽能輻照度的變化，并通過紅外熱像儀記錄土工膜結(jié)構(gòu)表面的瞬態(tài)溫度變化。實驗過程中模擬厭氧反應(yīng)池上土工膜結(jié)構(gòu)與沼氣接觸的場景，將土工膜結(jié)構(gòu)放置于空氣上方進行測試。

HDPE土工膜結(jié)構(gòu)的紅外發(fā)射率光譜表明其適用于紅外熱成像監(jiān)測［6］。在實驗室探索階段，為排除其他不必要因素，主要分析土工模結(jié)構(gòu)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷時的溫度響應(yīng)，本文搭建模擬厭氧反應(yīng)池的簡化模型。圖3所示為本文采用的實驗裝置，其應(yīng)用了與厭氧反應(yīng)池相同的土工膜材料，并在土工膜結(jié)構(gòu)下方模擬與現(xiàn)實中厭氧反應(yīng)池內(nèi)部相似的物質(zhì)分布。如圖3a所示，首先將HDPE土工膜結(jié)構(gòu)（長1 m×寬1 m×厚2 mm）夾在鋁制試驗臺上。為監(jiān)測施加在試樣表面的太陽能輻射功率，將Apogee SP-110日射強度計［7］安裝在測試的 HDPE土工膜結(jié)構(gòu)表面。將A615 FLIR 紅外熱像儀［8］（分辨率為640×480）放置在土工膜結(jié)構(gòu)旁，以記錄土工膜結(jié)構(gòu)的表面溫度。該套實驗設(shè)備可連續(xù)監(jiān)測云層遮蔽期間太陽能的輻射波動，然后將太陽能輻射波動期間土工膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的瞬態(tài)變溫響應(yīng)通過紅外圖像進行監(jiān)測。

首先將實驗裝置放置于室外13 min進行初步測試（見圖3b）。在測試期間，為對比熱波激勵和試樣溫度響應(yīng)，日射強度計和熱成像儀均以3 Hz的頻率記錄。圖4為日射強度計記錄的太陽輻照度信號與熱像儀記錄的樣本溫度信號。為研究云層遮蔽期間對土工膜結(jié)構(gòu)溫度的影響，實驗于多云環(huán)境條件下進行，由日射強度計記錄3次太陽輻射波動得出，在實驗期間共經(jīng)歷4 次云層遮蔽。由圖4可知，在每次云層遮蔽期間，土工膜結(jié)構(gòu)表面接受到的太陽輻射功率均在短時間內(nèi)明顯降低，同時土工膜結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生明顯降溫。實驗過程中，120～220 s之間發(fā)生的云層遮蔽在圖4中標(biāo)出。當(dāng)日射強度計監(jiān)測到云層遮蔽時，土工膜結(jié)構(gòu)于120 s開始降溫。在云層遮蔽發(fā)生幾秒鐘后，土工膜結(jié)構(gòu)降溫十分明顯。根據(jù)日射強度計的數(shù)據(jù)，太陽輻照度在220 s后由于云層移動，施加在土工膜結(jié)構(gòu)表面的輻射功率再次升高，在此期間土工膜結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度響應(yīng)由熱像儀記錄下來。從圖4可發(fā)現(xiàn)，云層遮蔽期間由于太陽輻射功率波動可導(dǎo)致土工膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生約5 ℃的溫度波動。

3 基于太陽能熱波輻射的熱成像結(jié)構(gòu)監(jiān)測

3.1 與空氣接觸的土工膜結(jié)構(gòu)非穿透性下表面缺陷監(jiān)測

傳統(tǒng)的戶外紅外監(jiān)測一般基于單幀紅外圖像的溫度對比進行分析，此方法具有偶然性，且易受環(huán)境溫度和光照輻射的干擾，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果不可靠。文獻［9-10］探索了風(fēng)電葉片在戶外陽光下的紅外監(jiān)測，利用單幀紅外圖像展示了結(jié)構(gòu)外表面的損傷，得出在自然條件下采集到的紅外圖像幀易受拍攝時段影響的結(jié)論。本文利用云層遮蔽過程中引起的結(jié)構(gòu)冷卻效應(yīng)，通過分析圖像序列可增強缺陷位置與周圍區(qū)域的溫度對比，從而增強識別土工膜結(jié)構(gòu)存在的非穿透性下表面缺陷和穿透性裂紋缺陷的能力，解決單幀紅外圖像不可靠的問題。

此外，通過對比瞬態(tài)變溫過程中不同幀熱圖像像素點溫度變化的累加值提高溫度對比可提高監(jiān)測效果。將兩種計算方式（式（1）和式（2））應(yīng)用于土工膜結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)變溫過程。假設(shè)在實驗過程中發(fā)生多次云層遮蔽。[ΔT1]為瞬態(tài)變溫過程中熱像儀記錄的第n幀圖像像素點溫度與第一幀圖像像素點溫度的差值累加值。[ΔT2]為瞬態(tài)降溫過程中熱像儀記錄的第n幀圖像像素點溫度與第n+1幀圖像像素點溫度的差值累加值，此計算方法可在多個瞬態(tài)升溫和降溫過程中累加溫度差值。其中[Tjix，y]為第j次云層遮蔽中第 i 幀紅外圖像像素（x，y）的溫度值。因處理后的圖像為紅外圖像序列差值絕對值的累加值，無實際意義，所以在處理后的圖像中不展示。

[ΔT1=j=1mi=1njTj（i）（x，y）-Tj（1）（x，y）] （3）

[ΔT2=j=1mi=1njTj（i）（x，y）-Tj（i+1）（x，y）] （4）

在實驗數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)日射強度計記錄的太陽輻照度數(shù)據(jù)選取瞬態(tài)變溫開始和結(jié)束的參考點。將由于云層遮蔽導(dǎo)致太陽輻照度在局部最高的時間點做為瞬態(tài)降溫的開始點，并將由于云層移動導(dǎo)致太陽輻照度再次升高的時間點做為瞬態(tài)降溫的結(jié)束點。通過實驗研究基于太陽能熱波激勵的類主動熱成像在實驗室條件下的監(jiān)測效果。在此部分研究中，將評估監(jiān)測與空氣接觸的土工膜結(jié)構(gòu)是否存在非穿透性下表面缺陷及穿透性裂紋缺陷。

如圖5所示，實驗采用長0.5 m×寬1 m×厚2 mm的HDPE土工膜樣本進行分析，并在土工膜結(jié)構(gòu)下表面人為設(shè)計不同尺寸的缺陷，缺陷尺寸如表1所示。因在實際應(yīng)用中土工膜結(jié)構(gòu)下表面的缺陷大多是由浮渣移動造成的劃傷，所以在實驗中的人造缺陷均設(shè)計為條狀缺陷。如圖6所示，實驗于多云環(huán)境條件下進行，土工膜結(jié)構(gòu)受太陽能輻射33 min期間，日射強度計記錄了多次云層遮蔽，相應(yīng)的土工膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了多次瞬態(tài)熱響應(yīng)，針對最明顯的一次瞬態(tài)變溫進行分析。在這次云層遮蔽過程中，所拍攝的熱圖像序列可用式（3）和式（4）進行計算，處理后的圖像如圖7所示。圖7a表明，通過式（3），各紅外圖像幀與第一幀溫度差值的累加值繪制出的圖像中，缺陷1～8特征均較為清晰。圖7b展示了使用式（4）處理后的圖像。在相鄰紅外圖像幀溫度差值的累加值繪制出的圖像中，缺陷1～4特征較為清晰，缺陷5～8特征不明顯，且土工膜上的其他細小裂痕同時被監(jiān)測，對土工膜結(jié)構(gòu)的缺陷特征產(chǎn)生了干擾。同樣明顯的是，用式（3）處理所得圖像結(jié)果噪聲較低，并清楚地顯示了缺陷的輪廓。因此，圖7a和圖7b得到的缺陷特征不同，式（3）和式（4）對缺陷的表征效果也不相同。實驗結(jié)果表明，在短時間云層覆蓋期間發(fā)生的土工膜結(jié)構(gòu)瞬態(tài)變溫過程足以捕捉到HDPE土工膜結(jié)構(gòu)下部的缺陷。

3.2 與空氣接觸的土工膜結(jié)構(gòu)穿透性裂紋缺陷監(jiān)測

當(dāng)材料表面形成穿透性裂紋缺陷時土工膜結(jié)構(gòu)會發(fā)生細小的穿透性裂紋損傷。監(jiān)測土工膜結(jié)構(gòu)上這些穿透性裂紋缺陷有助于保持整個覆蓋的結(jié)構(gòu)完整性，為結(jié)構(gòu)失效提供早期預(yù)警。當(dāng)土工膜結(jié)構(gòu)表面由于失效產(chǎn)生穿透性裂紋缺陷時，傳統(tǒng)的檢測方式無法檢測出細小的穿透性裂紋缺陷，且肉眼無法觀測到此類微損傷，此時可利用太陽能熱波激勵，通過瞬態(tài)溫度響應(yīng)對比得到缺陷區(qū)域。

圖8為位于長0.5 m×寬0.5 m×厚2 mm的HDPE土工膜結(jié)構(gòu)上人為設(shè)計的4種不同長度的穿透性裂紋缺陷，其長度如表2所示。實驗設(shè)置與圖3 相同，將土工膜結(jié)構(gòu)暴露于室外環(huán)境10 min。在此期間記錄3次云層覆蓋。圖9為實驗

過程中土工膜結(jié)構(gòu)的溫度和太陽輻照度變化。如圖9所示，每次土工膜結(jié)構(gòu)表面的瞬態(tài)降溫過程同樣由太陽輻照度的局部最大值和最小值所在的時間點定義。圖9中第一次云層遮蔽的具體數(shù)據(jù)如圖10所示，可發(fā)現(xiàn)在云層遮蔽期間，土工膜結(jié)構(gòu)的溫度在太陽輻照度降低的80 s內(nèi)最多可下降4.5 ℃，此過程與傳統(tǒng)的主動紅外成像施加熱波激勵后的降溫過程十分相似。

根據(jù)式（3）和式（4）分析3次云層遮蔽中的土工膜結(jié)構(gòu)溫度演變，圖11為兩種計算方式產(chǎn)生的[ΔT1]（式（3））和[ΔT2]（式（4））溫度差異的對比圖像?？煽闯?，兩種方法均可看出穿透性裂紋缺陷的區(qū)域與周圍區(qū)域的溫度變化差異。此外，這兩種計算方法均可識別不同長度的缺陷，并降低了周圍的溫度噪聲。結(jié)果表明，云層覆蓋會累加足夠的溫度變化差異來展示這些穿透性裂紋缺陷。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于太陽能熱波激勵的熱成像技術(shù)，用于檢測污水處理廠中大型土工膜結(jié)構(gòu)的非穿透性下表面缺陷和穿透性裂紋缺陷。該技術(shù)利用由云層遮蔽引起的施加在HDPE 土工膜結(jié)構(gòu)表面的太陽輻射變化，分析降溫過程中土工膜結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度衰減?？蓪σ鹜凉つそY(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率變化的缺陷進行熱成像監(jiān)測。實驗結(jié)果表明：

1） 借助自然環(huán)境條件中發(fā)生的太陽輻射波動的類主動熱成像能夠捕捉土工膜結(jié)構(gòu)的缺陷。云層遮蔽引起的瞬態(tài)降溫事件足以預(yù)測HDPE土工膜結(jié)構(gòu)的缺陷。

2） 云層遮蔽期間拍攝的熱圖像序列經(jīng)過處理可累加溫度對比。多次云層遮蔽可增強熱成監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷的能力。

在未來的工作中，可用于結(jié)構(gòu)缺陷檢測的太陽輻射功率變化值和變化時間需要進一步探索。此外，還將研究材料中缺陷厚度與溫度演變之間的定量關(guān)系?；谔柲芗畹募t外監(jiān)測方法有待對污水處理池中的土工膜結(jié)構(gòu)進行在線監(jiān)測驗證。本文介紹的檢測方法可提供一種經(jīng)濟的在線監(jiān)測手段來維持大型膜狀結(jié)構(gòu)的完整性并延長土工膜結(jié)構(gòu)的使用壽命。

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（Key Laboratory of Power Station Energy Transfer Conversion and System of Ministry of Education，

North China Electric Power University， Beijing 102206， China）

Abstract：Taking the geomembrane floating cover of the anaerobic lagoons in the sewage treatment plant as the research object， through the method of experimental investigation， the thermal imaging technology based on solar thermal wave excitation is adopted to detect the crack defects on the high-density polyethylene （HDPE） geomembrane samples. The proposed method utilizes the naturally occurring heat source （solar radiation） as the thermal wave excitation and verifies the feasibility of exploiting short-term fluctuations in solar radiation thermal wave excitation caused by cloud shading for infrared structure health monitoring. In addition， the transient temperature change process is used to compare the infrared thermal image sequence to enhance the temperature contrast of the defect area. The experiment results suggest that the transient temperature response of structures observed using fluctuations in solar radiation can be used to identify crack defects on the geomembrane. This study provides a reliable detection method for improving the reliability of large-area infrared structural health monitoring without the aid of artificial heat sources outdoors.

Keywords：solar energy； geomembrane； infrared thermography； geomembrane； sewage treatment