得益于其卓越的机械性能,复合材料在各个领域内得到了广泛的应用。然而在复合材料的生产、运输和使用过程中难免会受到随机因素的影响,导致材料的失效,严重时甚至引发重大安全事故。因此,对复合材料构件的健康状态进行合理有效的检测和评估意义重大。红外热波无损检测技术,作为一种非接触式检测技术,具有适用范围广,方便直观等诸多特点,在近三十年内得到了快速的发展,并广泛应用于航空航天、军工、新材料、核电系统等各个领域。红外热波检测技术实质上是将受热波激励的复合材料内部的状态信息通过表面温度场分布的方式表现出来,并通过红外探测器进行记录,在时间维度上展开成热图序列,进而利用合理的热像序列数据分析手段,反演出缺陷的信息。所以非常适合对复合材料进行检测与分析。综合以上分析,本文结合复合材料的特点,针对复合材料红外热波无损检测中的图像处理与缺陷定量分析问题展开研究。在模型抽象与数据预处理方面,针对一般的复合材料平板试件建立了热波传导模型,为后续研究奠定数理基础。结合红外热波图像序列的特点,在图像预处理阶段,同时在时间维度和空间维度上进行了考虑,结合热像信号重建技术,提出了基于信赖域的背景去除算法,完成了离群数据和不均匀热像背景的去除;为了综合不同深度的缺陷信息,利用指数基映射的主成分分析技术对缺陷信号进行了提取,进一步将热波图像的缺陷信噪比提高到14.54。在图像分割方面,为实现缺陷的快速分割,采用了二维Tsallis交叉熵阈值分割法,并将混沌映射的蝙蝠算法融入其中,提高了算法的分割效率。针对缺陷的精确分割问题,提出了一种新的水平集能量泛函分割模型,该模型结合了模糊聚类、Shannon熵和点扩散函数的特点,显著提高了算法的分割精度与鲁棒性。在缺陷的定量研究方面,基于精确分割的结果,对缺陷进行了定量研究。在缺陷面积与位置估计问题上,采用离散格林公式,同时对缺陷的中心坐标和像素面积进行了计算。针对缺陷的深度定量估计问题,提出了基于虚拟热源的模型方程法,在柱面坐标系下将传统的一维热波传导方程扩展至二维,从而对之前的模型进行了修正,以准确地反演出缺陷的深度信息。实验结果表明本文所提模型可将缺陷的深度估计误差控制在9%以内。