基于THz-TDS的陶瓷纖維復(fù)合材料缺陷檢測(cè)分析

潘 釗， 李宗亮， 張振偉， 溫銀堂， 張朋楊

1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004

2. 首都師范大學(xué)物理系太赫茲光電子學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048

引 言

高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)以先進(jìn)隔熱復(fù)合材料作為主體， 其中陶瓷纖維復(fù)合材料以其耐高溫、 低密度和抗燒蝕等優(yōu)異性能正逐漸替代航空領(lǐng)域傳統(tǒng)隔熱復(fù)合材料[1-2]。 該類材料結(jié)構(gòu)制造加工和使役過(guò)程可能因?yàn)楣に囁降纫蛩卮嬖诓牧蟽?nèi)部孔洞、 裂紋和夾雜以及脫粘等缺陷， 特別是陶瓷纖維復(fù)合材料與飛行器基體裝配過(guò)程中， 工藝原因?qū)е虏牧喜豢杀苊獾爻霈F(xiàn)復(fù)合材料-基體粘接不良等缺陷， 因此進(jìn)行其質(zhì)量監(jiān)控和無(wú)損檢測(cè)尤其重要。

太赫茲(Terahertz, THz)波通常是指頻率范圍在0.1～10 THz， 波長(zhǎng)為30 μm～3 mm的電磁波， 其對(duì)非極性材料具有良好的穿透性， 且透射能量衰減較為緩慢更利于信息采集， 因此太赫茲時(shí)域光譜與層析成像技術(shù)可作為陶瓷纖維復(fù)合材料構(gòu)件檢測(cè)的有效手段， 比較太赫茲波輻射穿過(guò)有無(wú)缺陷的不同路徑信號(hào)損失的差異， 可定性定量地對(duì)樣品進(jìn)行內(nèi)部探傷檢測(cè)[3-4]。

針對(duì)陶瓷纖維復(fù)合材料粘接層缺陷檢測(cè)問(wèn)題， 本文以陶瓷纖維復(fù)合材料為研究對(duì)象， 基于APIT-Ray5000太赫茲時(shí)域光譜(Terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)探測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)和太赫茲層析成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 研究了太赫茲時(shí)域信號(hào)和層析成像方式對(duì)缺陷定位的方法， 比較試樣中有粘接層缺陷和粘接層完好位置的時(shí)域波形， 定性分析缺陷存在狀態(tài)， 測(cè)定平均折射率， 判定缺陷的深度和厚度。 針對(duì)平均折射率所造缺陷位置誤差， 以太赫茲層析成像方式進(jìn)一步分析缺陷位置， 建立缺陷位置評(píng)估模型， 對(duì)該類材料構(gòu)件的粘接層缺陷實(shí)現(xiàn)高精度定位。

1 太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)原理

1.1 光學(xué)參數(shù)提取方法

基于THz-TDS時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于待測(cè)樣件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)， 其中時(shí)域信息包括電磁場(chǎng)的振幅和相位； 基于菲涅爾公式的參數(shù)提取模型提取光學(xué)參數(shù)并獲得折射率[3]。 太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)原理圖如圖1， 其中F表示來(lái)自材料表面的太赫茲波反射、D表示來(lái)自材料缺陷的太赫茲波反射、B表示來(lái)自材料基底的太赫茲波反射、B1表示來(lái)自透過(guò)材料的太赫茲波反射。

圖1 太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)原理示意圖

假設(shè)被測(cè)樣件表面均為光滑表面且無(wú)電荷和電流以及THz時(shí)域系統(tǒng)為線性不變系統(tǒng)。 設(shè)樣品厚度為l， 通常情況下需采樣兩次THz脈沖來(lái)提取待測(cè)樣件的光學(xué)參數(shù)， 第一次采樣不放置樣件的THz脈沖信號(hào)經(jīng)傅里葉變換為Sref(ω)， 第二次采樣放置樣件的THz脈沖信號(hào)經(jīng)傅里葉變換為S(ω)， 樣件的傳遞函數(shù)可表示為如式(1)形式[5]

(1)

樣品與空氣折射率差值Δn=n-na導(dǎo)致參考和樣本的時(shí)域波形最大值時(shí)延Δt， 可表示為

(2)

折射率估算式可為

(3)

反射模式下， 太赫茲波所傳輸?shù)木嚯x約為樣品厚度的2倍。 反射模式下所得折射率為整體折射率， 即為折射率估計(jì)均值。

1.2 時(shí)域信號(hào)對(duì)脫粘位置估計(jì)

假設(shè)樣件為均勻介質(zhì)， 太赫茲波在被測(cè)樣件中傳輸過(guò)程中與各界面響應(yīng)示意圖如圖2， 入射的太赫茲波脈沖為ETHz， 太赫茲波與材料內(nèi)部缺陷間接響應(yīng)， 在不同方向上產(chǎn)生矢量， 產(chǎn)生時(shí)域波形的相位延遲和不同波形峰值， 并結(jié)合折射率確定樣件中脫粘深度d

圖2 太赫茲波傳輸響應(yīng)示意圖

(4)

式(4)中，n是被測(cè)樣品折射率，c是空氣中太赫茲脈沖傳輸速度， Δt是脫粘的波形相位延遲。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)

THz-TDS時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)如圖3所示， 核心構(gòu)件為鎖模藍(lán)寶石飛秒激光器， 飛秒激光器產(chǎn)生脈沖是一束較強(qiáng)的泵浦光， 它由延時(shí)調(diào)整入射至發(fā)射極產(chǎn)生短脈沖， 再經(jīng)一系列離軸拋物面的太赫茲波反射傳輸?shù)綐悠方裹c(diǎn)處， 光斑半徑為1 mm； 另一束較弱的探測(cè)脈沖經(jīng)多次反射傳輸?shù)教綔y(cè)聚焦點(diǎn)， 最后經(jīng)光電導(dǎo)取樣測(cè)量可獲得探測(cè)完整的太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)域波形[6-8]。 太赫茲時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)分為透射模式和反射模式， 模式的選擇取決于檢測(cè)目標(biāo)特點(diǎn)和材料特性。

圖3 太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

圖4為T(mén)Hz-TDS太赫茲波層析成像系統(tǒng)原理示意圖。 實(shí)驗(yàn)時(shí)， 將被測(cè)樣品固定在掃描架上， 通過(guò)調(diào)整樣品架的高度以及與探測(cè)器之間的距離， 使THz射線與樣品成垂直狀態(tài)， 設(shè)置探測(cè)器掃描的縱向和橫向幅度以及掃描步長(zhǎng)， 計(jì)算機(jī)記錄原始信息， 然后經(jīng)過(guò)一系列的信號(hào)處理之后獲得成像數(shù)據(jù)。

圖4 THz-TDS脈沖光譜成像系統(tǒng)原理圖

2.2 樣件制備

圖5為陶瓷纖維復(fù)合材料樣件設(shè)計(jì)圖， 基底鋁板尺寸大小為248 mm×150 mm×2 mm， 陶瓷纖維尺寸大小為200 mm×121 mm×20 mm， 樣件中預(yù)置了交叉“十”字模擬脫粘， 被測(cè)樣品的脫粘缺陷在距樣件上表面20 mm深度處， 橫向通道長(zhǎng)脫粘尺寸為145 mm×b×2.5 mm， 寬度是不規(guī)則的， 厚度為0.25 mm； 縱向脫粘尺寸通道長(zhǎng)為121 mm×b×0.25 mm， 由于工藝原因， 寬度b值是一個(gè)隨機(jī)值。

圖5 陶瓷纖維復(fù)合材料樣件設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

3.1 THz時(shí)域信號(hào)反卷積處理

時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)采樣時(shí)有一定脈寬， 會(huì)發(fā)生波形混疊現(xiàn)象[9]， 不利于相位提取和進(jìn)一步評(píng)估分析。 本文對(duì)THz時(shí)域信號(hào)進(jìn)行反卷積技術(shù)處理， 消除環(huán)境干擾和波形混疊現(xiàn)象。 設(shè)經(jīng)過(guò)樣品反射后由探測(cè)器接收到的信號(hào)為y(t)， 經(jīng)過(guò)平面反射鏡反射后由探測(cè)器接收到的信號(hào)為x(t)， 樣件的傳遞函數(shù)h(t)， 則y(t)可表示為x(t)和h(t)的卷積， 即

(5)

在頻域上， 可表示為

Y(ω)=H(ω)×X(ω)

(6)

則樣品的傳遞函數(shù)可通過(guò)反卷積獲得， 即

(7)

在某些特定頻域，X(ω)幅值特別小， 本文利用維納濾波器作為反向?yàn)V波器。 維納濾波器可定義為

(8)

式(8)中：a為常數(shù)， 代表被測(cè)信號(hào)功率與噪聲功率比值。 應(yīng)用維納濾波器后， 傳遞函數(shù)可表示為

h(t)=F-1[Y(ω)W(ω)]

(9)

為了獲得無(wú)旁瓣單個(gè)峰值的時(shí)域波形， 應(yīng)用高斯函數(shù)作為窗口函數(shù)。 半波寬的高斯脈沖函數(shù)TFWHM可表示為

(10)

應(yīng)用窗口函數(shù)之后樣品的傳遞函數(shù)h(t)可表示為

y(t)=F-1(Y(ω)W(ω))·

(11)

即太赫茲波脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)樣品接收到的信號(hào)y(t)與經(jīng)過(guò)金屬板反射接收到的信號(hào)x(t)的關(guān)系為

y(t)=F-1(Y(ω)W(ω))·

(12)

THz-TDS時(shí)域探測(cè)系統(tǒng)反射模式下對(duì)樣件采樣的時(shí)域波形經(jīng)反卷積濾波技術(shù)處理效果結(jié)果如圖6所示。 從反卷積處理的信號(hào)波形效果可見(jiàn)， 在不同介質(zhì)分界面的THz反射脈沖波更能清晰可辨， 減少了時(shí)域信號(hào)的脈寬且濾掉了由于介質(zhì)不穩(wěn)定造成的噪聲， 從而提高THz-TDS時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)分辨能力， 為太赫茲波技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的研究提供理論基礎(chǔ)。

圖6 時(shí)域信號(hào)反卷積處理結(jié)果效果圖

3.2 THz時(shí)域信號(hào)對(duì)陶瓷纖維復(fù)合材料脫粘缺陷表征

陶瓷纖維復(fù)合材料樣件存在不同介質(zhì)反射界面， 物理特性各有不同， 時(shí)域光譜波形也相應(yīng)各有特點(diǎn)。 為了研究時(shí)域波形的變化與脫粘特性之間的定性及定量關(guān)系， 本節(jié)分析了太赫茲波在被測(cè)樣件中的傳輸過(guò)程， 在被測(cè)樣件中不同界面所對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形的峰值， 為陶瓷纖維復(fù)合材料的太赫茲光譜研究提供參考。 脫粘缺陷特性時(shí)域波形對(duì)應(yīng)的太赫茲波傳輸過(guò)程如圖7所示， 在樣件的上表面會(huì)有一個(gè)反射脈沖， 陶瓷纖維復(fù)合材料與金屬鋁板粘接樣件結(jié)構(gòu)中存在局部缺陷， 導(dǎo)致樣件粘接層中產(chǎn)生空氣層， 反射波產(chǎn)生一次波形反向， 即“半波損耗”且幅值稍有增加。 反射界面的改變使時(shí)域光譜特性差異增強(qiáng)， 可利用這一特性進(jìn)行缺陷反射界面的快速識(shí)別。

圖7 樣件不同介質(zhì)界面對(duì)應(yīng)的時(shí)域波形

3.3 樣件層析成像檢測(cè)

圖8所示為T(mén)Hz-TDS層析成像系統(tǒng)所獲得缺陷層析圖像， 從層析斷層成像中直觀準(zhǔn)確地反映了脫粘缺陷的存在。

圖8 層析成像掃描分層圖

太赫茲實(shí)際掃描成像過(guò)程中太赫茲源激光器抖動(dòng)會(huì)增大噪聲， 導(dǎo)致成像系統(tǒng)能量損耗、 信噪比降低等； 在傳輸過(guò)程中由于介質(zhì)不均勻?qū)е聢D像邊緣模糊、 背景灰度分布不均勻等問(wèn)題[11]。 為了改善圖像質(zhì)量， 解決高頻時(shí)功率譜密度幅值衰減嚴(yán)重導(dǎo)致圖像邊緣、 紋理等模糊問(wèn)題， 提高層析成像檢測(cè)識(shí)別能力， 本文采用雙邊濾波(bilateral filter, BF)算法降低噪聲、 復(fù)原圖像手段來(lái)提高掃描成像質(zhì)量[10]。

雙邊濾波對(duì)圖像降噪和平滑過(guò)程中， 空間標(biāo)準(zhǔn)差σd和灰度標(biāo)準(zhǔn)差σr衡量圖像降噪程度， 決定雙邊濾波算法的濾波性能[11]。 經(jīng)過(guò)多次參數(shù)調(diào)試設(shè)置和效果比較， 本文設(shè)參數(shù)σd=1.4，σr=0.1對(duì)THz-TDS層析成像系統(tǒng)掃描成像進(jìn)行雙邊濾波降噪的效果最佳， 降噪平滑效果如圖9所示。 濾波后的圖像更平滑且很好保留缺陷邊緣細(xì)節(jié)， 解決了時(shí)域波形變化劇烈所對(duì)應(yīng)的頻譜中高頻衰減所導(dǎo)致信噪比降低、 平滑背景分布不均以及圖像邊緣細(xì)節(jié)模糊等方面問(wèn)題， 為太赫茲波技術(shù)對(duì)復(fù)合材料的檢測(cè)和識(shí)別提供了高質(zhì)量圖像。

圖9 雙邊濾波效果圖

3.4 太赫茲波技術(shù)對(duì)脫粘缺陷位置評(píng)估

根據(jù)式(3)得到陶瓷纖維復(fù)合材料樣件太赫茲波段折射率曲線如圖10所示， 平均折射率n≈1.028 8。

圖10 陶瓷纖維復(fù)合材料折射率曲線

根據(jù)式(12)可得估算樣件脫粘缺陷典型標(biāo)注點(diǎn)處深度為3.22 cm， 即脫粘缺陷厚度為0.028 cm， 較預(yù)置缺陷實(shí)際深度相比， 太赫茲時(shí)域波形定位缺陷深度準(zhǔn)確度達(dá)到92%， 厚度評(píng)估準(zhǔn)確度達(dá)到90%。 太赫茲時(shí)域光譜信息一方面定性陶瓷纖維隔熱復(fù)合材料脫粘特性與光譜波形之間關(guān)系， 對(duì)其脫粘特性進(jìn)行表征， 另一方面能評(píng)估樣件中預(yù)置缺陷位置。

但太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)評(píng)估預(yù)置缺陷位置過(guò)程中， 折射率為樣件在太赫茲波的平均值， 導(dǎo)致評(píng)估脫粘缺陷深度和厚度時(shí)存在偏差， 因此本文提出太赫茲層析成像技術(shù)作為時(shí)域波形評(píng)估脫粘方式的補(bǔ)充， 解決了折射率帶來(lái)的偏差， 進(jìn)而形成時(shí)域信號(hào)數(shù)據(jù)和層析成像對(duì)脫粘位置的多角度評(píng)估， 有效提高太赫茲波技術(shù)評(píng)估缺陷深度和厚度準(zhǔn)確性。

根據(jù)設(shè)置的掃描參數(shù)、 飛行時(shí)間和成像速度， 同時(shí)結(jié)合脫粘上下頂層成像所在層數(shù)位置如圖11所示， 可建立脫粘缺陷厚度d計(jì)算模型如式(13)

圖11 陶瓷纖維復(fù)合材料樣件脫粘層析成像

d=(M-N+1)×T

(13)

式(13)中，T為每一層的厚度，N為太赫茲層析成像中首次出現(xiàn)缺陷的層數(shù)，M為太赫茲層析成像中最后出現(xiàn)缺陷的層數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知N=404,M=416， 同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)前設(shè)置的飛行時(shí)間和掃描成像速度可知， 根據(jù)模型計(jì)算出脫粘厚度為0.26 mm， 太赫茲波層析成像估計(jì)缺陷厚度準(zhǔn)確度達(dá)到96%， 提高了時(shí)域信號(hào)檢測(cè)評(píng)估能力。

4 結(jié) 論

針對(duì)陶瓷纖維復(fù)合材料存在的粘接層缺陷檢測(cè)分析問(wèn)題， 研究了太赫茲時(shí)域信號(hào)和太赫茲層析成像技術(shù)對(duì)缺陷定位方法。

(1)基于THz-TDS探測(cè)系統(tǒng)獲取和對(duì)比分析了試樣中有粘接層缺陷和完好粘接層位置的時(shí)域波形， 利用反卷積濾波技術(shù)對(duì)時(shí)域信號(hào)濾波處理， 增加了時(shí)域光譜波形檢測(cè)的分辨能力， 定性分析陶瓷纖維復(fù)合材料脫粘缺陷特性與時(shí)域光譜波形之間關(guān)系， 宏觀定性判斷了粘接層缺陷存在， 通過(guò)對(duì)太赫茲波段陶瓷纖維復(fù)合材光學(xué)參數(shù)提取測(cè)定太赫茲波段的平均折射率為1.028， 進(jìn)而分析粘接層缺陷的深度和厚度分別為18.4和0.28 mm， 與預(yù)置缺陷真實(shí)深度和厚度相比準(zhǔn)確度分別為92%和90%。

(2)針對(duì)THz時(shí)域信號(hào)提取的平均折射率所造成粘接層缺陷位置分析誤差， 以太赫茲層析成像方式進(jìn)一步評(píng)估了缺陷位置， 分析了太赫茲層析成像質(zhì)量的噪聲來(lái)源以及其產(chǎn)生的影響， 建立了脫粘位置評(píng)估模型獲取了粘接層缺陷厚度為0.26 mm， 準(zhǔn)確度為96%， 有效提高了太赫茲波技術(shù)評(píng)估缺陷深度和厚度準(zhǔn)確性， 完善了太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)對(duì)缺陷定位的檢測(cè)形式。