极端制造｜频率复用-光热相干层析：引领红外无损检测技术从2D迈向3D成像

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作者

朱鹏飞, 王荣邦, Koneswaran Sivagurunathan, Stefano Sfarra, Fabrizio Sarasini, Clemente Ibarra-Castanedo, Xavier Maldague, 张海, Andreas Mandelis

机构

Laval University, 哈尔滨工业大学, University of Toronto, University of L’Aquila, Sapienza University of Rome

Citation

Zhu P F, Wang R B, Sivagurunathan K, Sfarra S, Sarasini F, Ibarra-Castanedo C, Maldague X, Zhang H, Mandelis A. 2025. Frequency multiplexed photothermal correlation tomography for non-destructive evaluation of manufactured materials. Int. J. Extrem. Manuf.7035601.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ada837

撰稿 | 文章作者

文章报道了一种能够实现三维层析的光热成像技术——频率复用-光热相关层析（FM-PCT）。该技术改变了传统红外热成像技术中有限的二维成像模式，并解决了光热相干层析技术中成像速度慢、视场小、分辨低等难题。

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文章导读

红外热成像是一种非侵入性、非接触式技术，在工程制造、生物医学、文化遗产保护等领域取得了重大进展。然而，二维成像模式无法整合深度信息，极大地阻碍了其发展。截断相干层析技术通过激发线性调频脉冲，将热光子能量局部化，从而显著提升轴向分辨率。然而，该技术无法应用于一般的单脉冲激发或线激光扫描中。

为克服这些挑战，哈尔滨工业大学张海教授、多伦多大学Andreas Mandelis教授等联合设计了一种基于傅里叶级数分解的频率延迟增量系统，该系统能够将任意非单频激励信号离散为不同频率的正弦波，并与热弛豫信号进行截断相关处理。携带深度编码的热波信号会沿频域w进行演化从而生成层析图像（由于热扩散长度满足

其中α为热扩散率）。该技术摒弃了传统复杂的线性调频方法和高帧率（约370 Hz）的长波红外相机，采用更为简便的闪光脉冲或激光线扫描激励以及低帧率（约50 Hz）的中波红外相机。这一改进不仅显著降低了设备成本，还大幅提升了检测效率。

作者认为，FM-PCT技术是首个具有工程实用价值的光热层析技术。得益于热波对不连续界面的高度敏感性，该技术甚至表现出与微尺度X射线CT技术相当的检测效果。

图1（a）FM-PCT技术示意图；（b）内部含圆孔缺陷的不锈钢板检测；（c）受到冲击损伤的碳纤维复合材料板检测；（d）受到冲击损伤的碳纤维增韧复合材料板检测。

Video 1含方形孔洞的不锈钢板检测（对比现有的光热层析技术：动态热层析DTT以及截断相关-光热相干层析eTC-PCT）。

Video 2受到冲击损失的复合材料板检测（对比现有的光热层析技术：动态热层析DTT以及截断相关-光热相干层析eTC-PCT）。

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作者与团队简介

张海

哈尔滨工业大学

张海教授，国家级青年人才，哈尔滨工业大学长聘教授，加拿大拉瓦尔大学兼职教授，国家重点研发计划项目负责人，哈工大“青年科学家工作室”学术带头人，红外和太赫兹成像领域专家。目前担任《Infrared Physics & Technology》《Measurement》《Quantitative InfraRed Thermography Journal》等SCI期刊副主编，世界无损检测大会（20th WCNDT 2024）等国际学术会议的科学委员会委员（Scientific Committee）。

Andreas Mandelis

多伦多大学

Andreas Mandelis教授，多伦多大学机械与工业工程系教授和研究员，加拿大皇家科学院、工程院院士，APS, SPIE, AAAS以及ASME Fellow，多伦多大学先进扩散波和光声技术中心(CADIPT)、以及先进非破坏性和非侵入性诊断技术研究所(IANDIT)主任；国际公认热光子学专家，被认为是扩散波、光热和光声科学及相关技术领域的先驱。

Xavier Maldague

拉瓦尔大学

Xavier Maldague教授，拉瓦尔大学电气与计算机工程系教授，加拿大工程研究院院士，ASNT, AvH, ISNT, 以及CINDE Fellow，比利时安特卫普大学红外热成像荣誉博士。其两本著作现已成为美国无损检测学会(ASNT)知识体系的一部分，同时，他也是多本ASNT出版物的主编。自2017年起，他领导加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC）资助的CREATE “oN DuTy!” 项目，联合四所大学及多家工业合作伙伴，推动无损检测领域的发展。他曾多次组织国际红外视觉会议，并积极参与CINDE、SPIE Thermosense、QIRT理事会等多个国际组织的工作，同时担任QIRT理事会主任。

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关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区，TOP期刊。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 编辑：梁煜 审核：范珂艳 关利超

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