GFRP材料損失缺陷的微波反射定量檢測*

回沛林， 李 勇， 王若男， 方 陽， 陳振茂， 武永卓

(1.西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價(jià)工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710049; 2.無損檢測技術(shù)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建技術(shù)師范學(xué)院,福建 福清 350300；3.億科檢測認(rèn)證有限公司,江蘇 昆山 215331)

0 引 言

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)，也稱玻璃鋼，是一種質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、電/熱絕緣性能好、耐瞬時(shí)超高溫性能好且易著色的復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用于航天、航空、能源、化工等重要工程領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中。然而，在制備和服役過程中，GFRP易受到側(cè)向沖擊形成局部材料損失缺陷[1]，該缺陷是造成GFRP結(jié)構(gòu)失效的典型成因之一，嚴(yán)重影響GFRP結(jié)構(gòu)完整性[2]。因此，GFRP局部材料損失缺陷的高效無損定量檢測對保證結(jié)構(gòu)服役安全、避免重大事故十分必要。目前，GFRP無損檢測技術(shù)包括超聲檢測[3]、聲發(fā)射檢測、紅外檢測[4]、射線檢測等[5]。但上述檢測技術(shù)在GFRP局部材料損失的實(shí)際檢測中存在一定的局限性，即超聲檢測需要耦合劑，檢測速度較慢，結(jié)果易受工件表面狀態(tài)的影響[6]；聲發(fā)射檢測結(jié)果易受機(jī)電噪聲干擾[7]；由于GFRP導(dǎo)熱性能較差，紅外檢測的精度較低[8]；射線檢測存在對檢測人員身體造成輻射傷害的可能性，檢測周期較長，檢測設(shè)備較為龐大。

微波檢測是利用微波在介電材料傳播過程中，遇到材料非連續(xù)處時(shí)發(fā)生反射、透射和散射的特性而提出的一種新型無損檢測技術(shù)。該技術(shù)具有檢測頻譜寬、穿透力強(qiáng)、靈敏度高、非接觸，無需耦合劑等特點(diǎn)；同時(shí)兼有檢測速度高、受環(huán)境影響小以及綠色環(huán)保等優(yōu)勢[9]。近年來，微波檢測已經(jīng)成為GFRP無損定量檢測的重點(diǎn)研究方向之一，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[10]。胡金花等人集中研究了基于矩形開口波導(dǎo)的GFRP表面缺陷微波檢測相關(guān)方法[11]。Sutthaweekkul R等人提出了利用主成分分析(PCA)法和合成孔徑雷達(dá)層析技術(shù)的GFRP管道內(nèi)部損傷成像方法[12]。Zhang H等人針對GFRP構(gòu)件亞表面缺陷，開發(fā)了一種X波段矩形開口波導(dǎo)掃頻微波無損檢測探頭[13]。Büyük?ztürk O等人提出了一種利用機(jī)載喇叭天線在遠(yuǎn)場條件下進(jìn)行雷達(dá)無損檢測(NDT)的方法，實(shí)現(xiàn)了GFRP包裹混凝土柱的GFRP—混凝土界面脫粘和混凝土開裂等損傷的檢測[14,15]。譚建國等人集中探究了CFRP沖擊損傷的毫米波檢測可視化定量評估手段[16]。然而，國內(nèi)外針對復(fù)合材料微波檢測的研究多采用矩形開口波導(dǎo)，尚未集中考慮利用喇叭天線在近場條件下具有的高增益等優(yōu)勢，基于喇叭天線的GFRP損傷微波檢測的相關(guān)研究有待深入開展。

有鑒于此，本文通過一系列實(shí)驗(yàn)研究，集中探究基于Ka波段喇叭天線和反射測定法的GFRP材料損失缺陷微波檢測可行性。搭建微波檢測實(shí)驗(yàn)平臺，研究損傷掃查成像手段，開發(fā)有效微波檢測信號處理方法，以實(shí)現(xiàn)GFRP材料損失缺陷高精度可視化定量評估。

1 微波檢測原理與實(shí)驗(yàn)平臺

基于微波喇叭天線和反射測定法的GFRP局部材料損失缺陷微波檢測原理示意圖如圖1所示。

圖1 微波反射測定法原理

喇叭天線向空間定向發(fā)射平面電磁波，入射波輻射方向與天線孔徑和GFRP表面垂直，經(jīng)一定距離(天線提離L)傳播后照射于GFRP表面。由于入射波傳播域中存在空氣—GFRP異質(zhì)界面，該界面造成對入射波的反射，反射波經(jīng)天線提離域后被喇叭天線接收。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對反射波和入射波能量進(jìn)行測取，二者比值反射系數(shù)S11，其與GFRP表面狀況及材料介電常數(shù)緊密相關(guān)。

若異質(zhì)界面存在結(jié)構(gòu)損傷所導(dǎo)致的表面不平整，一方面，界面處的電磁波會(huì)發(fā)生大量散射，使得喇叭天線所接收反射波的能量減弱；另一方面，在缺陷中心處，由于異質(zhì)界面距天線孔徑相對較遠(yuǎn)(即天線提離增大)，喇叭天線接收到的反射波相位會(huì)發(fā)生滯后，同時(shí)缺陷中心處對應(yīng)的反射波能量降低。兩方面因素造成在喇叭天線掃掠缺陷區(qū)域過程中檢測系統(tǒng)輸出的微波檢測信號(S11)出現(xiàn)變化，因此，通過拾取該變化并對其進(jìn)行定量分析可實(shí)現(xiàn)對GFRP局部材料損失缺陷的檢出及量化評估。

基于上述微波檢測原理，本文所搭建GFRP局部材料損失缺陷微波無損定量檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、喇叭天線(BJ320)、GFRP樣件、三維掃描平臺以及計(jì)算機(jī)組成。矢網(wǎng)通過同軸電纜連接喇叭天線，在Ka波段(27～40 GHz，掃頻點(diǎn)數(shù)為1 201)內(nèi)驅(qū)動(dòng)喇叭天線向外輻射平面電磁波，同時(shí)測取喇叭天線接收的來自空氣—GFRP表面處反射的回波，輸出不同頻率下的S11幅值和相位，信號由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示及處理。喇叭天線固定于三維掃描臺，其提離固定為3 mm。在掃查過程中，計(jì)算機(jī)控制三維掃描臺對喇叭天線X軸位置和Y軸位置進(jìn)行程序化設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對GFRP試件的二維掃掠。

圖2 GFRP局部材料損失缺陷微波無損定量檢測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2 微波掃頻檢測結(jié)果與討論

本文首先針對GFRP局部材料損失缺陷微波掃頻檢測及成像可行性進(jìn)行探究。為模擬局部材料損失缺陷，在GFRP試件表面加工了平底孔，其直徑D=13 mm，深度d=3 mm。實(shí)驗(yàn)中，喇叭天線對該缺陷所在區(qū)域進(jìn)行二維掃掠，其范圍為40 mm×40 mm，步長為1 mm。當(dāng)喇叭天線位于缺陷正上方以及無缺陷區(qū)域時(shí)所獲微波檢測信號如圖3(a)所示。由圖3(a)可見，有/無缺陷情況時(shí)，S11信號幅值存顯著差異，且頻率越高信號幅值差異越明顯。因此，提取各天線位置處對應(yīng)的S11幅值均值作為信號特征，建立S11幅值均值—喇叭天線位置掃查曲線。當(dāng)喇叭天線位于缺陷中心以及無缺陷區(qū)域時(shí)所獲掃查曲線如圖3(b)所示。由圖3(b)可以看出，有/無缺陷處所對應(yīng)的S11幅值均值變化較大，可用于損傷定位，綜合比較發(fā)現(xiàn)，相較無缺陷掃查曲線，缺陷掃查曲線的幅值降低，尤其體現(xiàn)在缺陷邊緣處。上述對比分析表明了S11幅值均值作為信號特征在基于Ka波段喇叭天線的GFRP局部材料損失缺陷掃頻微波檢測的可行性。

圖3 缺陷中心與無缺陷處的檢測信號對比

為實(shí)現(xiàn)對局部材料損失缺陷進(jìn)行高效微波成像，提升缺陷圖像對比度，在獲取缺陷區(qū)域多個(gè)掃查曲線的基礎(chǔ)上，對S11幅值均值進(jìn)行進(jìn)一步處理，將整個(gè)掃查范圍內(nèi)的S11幅值均值進(jìn)行歸一化處理，利用MATLAB對歸一化后的數(shù)據(jù)(即Sgy)進(jìn)行成像處理，得到該缺陷的微波檢測圖像，如圖4所示。由圖4可見，GFRP局部材料損失缺陷可以通過微波反射測定法結(jié)合上述頻域數(shù)據(jù)處理方法實(shí)現(xiàn)有效檢出，且其成像結(jié)果與缺陷輪廓及尺寸具有顯著關(guān)聯(lián)性。

圖4 基于S11平均幅值的GFRP材料損失缺陷(D=10 mm，d=3 mm)檢測圖像

3 信號處理與結(jié)果討論

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于喇叭天線和微波反射測定法的GFRP微波檢測可對在掃查范圍內(nèi)的材料損失缺陷進(jìn)行成像。為進(jìn)一步探究不同尺寸的GFRP材料損失缺陷對微波成像結(jié)果的影響及其關(guān)聯(lián)規(guī)律，在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中加工了4個(gè)不同尺寸材料損失缺陷的GFRP樣件，其示意圖及缺陷尺寸如圖5所示。采用所搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對試件進(jìn)行掃查，其范圍為90 mm×90 mm，步長為1 mm。

圖5 模擬局部材料損失缺陷位置及參數(shù)示意

考慮試件存在不同尺寸的材料損失缺陷且在微波輻射情況下各缺陷對入射波的響應(yīng)存在差異，結(jié)合射頻及雷達(dá)技術(shù)[17]的光學(xué)深度(optical depth)思路，對所拾取的S11頻域信號進(jìn)行進(jìn)一步倒頻譜(cepstrum)處理，在具體信號處理中選擇幅值倒頻譜分析。結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲取的GFRP材料損失缺陷微波掃頻S11結(jié)果，對其進(jìn)行倒頻譜分析，具體計(jì)算公式寫為

(1)

式中Scep為倒頻譜幅值，S11(f)為對應(yīng)頻率點(diǎn)為f的S11幅值。利用式(1)對喇叭天線位于各掃描點(diǎn)處所獲取的S11信號幅值進(jìn)行處理得到倒頻譜。當(dāng)喇叭天線位于GFRP材料損失缺陷正上方時(shí)，S11信號倒頻譜曲線如圖6(a)所示。在圖6(a)中，橫坐標(biāo)為光學(xué)深度，其步長的計(jì)算公式寫為

(2)

式中 Δd為光學(xué)深度步長；c為真空中光速；Δf為掃描所用頻率帶寬。

由圖6(a)可見，回波能量主要集中在倒頻譜曲線最大值處，故在隨后的處理中提取各掃查點(diǎn)對應(yīng)的倒頻譜最大值(Scepm)作為特征用于缺陷的檢出及可視化定量評估。在缺陷成像之前，選取特定兩行掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行上述處理，對所得特征Scepm探頭X位置掃查曲線進(jìn)行對比，兩行掃查路徑分別為：1)經(jīng)過不同尺寸的兩個(gè)缺陷中心；2)經(jīng)過無損傷區(qū)域，分析對比結(jié)果用于確定所提特征作為缺陷檢出及成像核心參數(shù)的可行性。缺陷情況和無缺陷情況對應(yīng)的Scepm探頭X位置掃查曲線及其對比如圖6(b)所示。

圖6 倒頻譜曲線以及掃查曲線圖

由圖6(b)可見，與無缺陷情況相比，當(dāng)喇叭天線掃略經(jīng)過缺陷區(qū)域及缺陷邊緣時(shí)，對應(yīng)微波檢測信號的倒頻譜最大值降低，且在缺陷邊緣處尤其明顯，由此可見倒頻譜最大值Scepm作為檢測信號特征在損傷檢出及定位中具備有效性。為提升圖像信噪比，將掃查域內(nèi)所得Scepm進(jìn)行歸一化處理，經(jīng)上述處理所得GFRP局部材料損失缺陷微波檢測成像結(jié)果如圖7(a)所示。由圖7(a)可見，基于微波反射測定法，結(jié)合上述倒頻譜處理方法，采用喇叭天線可對不同尺寸的GFRP局部材料損失缺陷進(jìn)行有效檢出和成像，成像結(jié)果可直觀反映GFRP材料損失缺陷的形狀以及大小。對圖7(a)所示缺陷圖像進(jìn)行進(jìn)一步分析可得：缺陷深度越深，缺陷邊緣對應(yīng)的圖像區(qū)域顏色越深，缺陷邊緣得以更為清晰的呈現(xiàn)。

在獲取缺陷圖像的基礎(chǔ)上，為更清晰且明確地對缺陷進(jìn)行可視化定量評估，鑒于微波檢測信號高頻成分對缺陷的敏感度最高，利用數(shù)字濾波器對檢測信號進(jìn)行高通濾波預(yù)處理，處理后成像結(jié)果如圖7(b)所示。由圖7 (b)可以看出，對原始S11信號通過數(shù)字濾波器進(jìn)行高通濾波處理后，微波檢測圖像對比度增強(qiáng)，缺陷輪廓顯示更加明顯，同時(shí)，相較前期相關(guān)研究[11]，采用所提方法處理所得缺陷圖像失真度小，表明采用高通濾波對微波檢測信號進(jìn)行預(yù)處理可有效提升損傷圖像的清晰度及對比度，避免圖像失真，有利于對缺陷的有效檢出以及定量評估。

圖7 基于微波反射測定法和倒頻譜分析的GFRP模擬局部材料損失缺陷成像結(jié)果

研究結(jié)果表明，基于微波反射測定法結(jié)合上述數(shù)據(jù)處理技術(shù)，采用Ka波段喇叭天線可實(shí)現(xiàn)對GFRP局部材料損失缺陷的有效無損定量檢測以及高精度成像。

4 結(jié) 論

本文研究了基于微波反射測定法和喇叭天線的GFRP材料損失缺陷定量檢測可行性。結(jié)合所搭建的GFRP微波檢測實(shí)驗(yàn)平臺，首先對單個(gè)缺陷的微波掃頻成像進(jìn)行了探究，結(jié)果表明利用喇叭天線結(jié)合微波反射測定法可對GFRP局部材料損失缺陷進(jìn)行無損定量檢測。在此基礎(chǔ)上，利用所提信號特征對各缺陷進(jìn)行了微波成像。結(jié)果表明所搭建系統(tǒng)可對不同尺寸缺陷進(jìn)行有效檢出。所提成像方法所獲得的缺陷圖像具備高清晰邊緣識別、失真小等優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了采用Ka波段喇叭天線和所提相關(guān)信號處理、損傷成像等方法，可實(shí)現(xiàn)對GFRP局部材料損失缺陷的有效定量檢測及成像。