功能涂層體系原位快速檢測(cè)分析技術(shù)研究

文/鄒亞玲 程宗輝 陳云鵬 李 萌 段本方（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和偵查技術(shù)的發(fā)展，武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上被發(fā)現(xiàn)的概率越來(lái)越大，被遠(yuǎn)程武器如巡航導(dǎo)彈等擊毀的概率也就越來(lái)越大。武器裝備在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力和武器的作戰(zhàn)能力就成為檢驗(yàn)武器裝備的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)[1-2]。功能涂層體系在武器裝備上的應(yīng)用使其所呈現(xiàn)的信號(hào)特征弱化，能降低精確打擊系統(tǒng)對(duì)裝備的可探測(cè)性，縮短敵方觀察系統(tǒng)的有效作用距離，提高裝備生存能力。因此，功能涂層體系在武器裝備表面涂裝應(yīng)用成為提高武器戰(zhàn)場(chǎng)生存能力的主要研究和應(yīng)用方向之一。在運(yùn)輸、貯存及作訓(xùn)過(guò)程中，武器裝備可能會(huì)因碰撞、劃傷、自然老化等因素造成其功能涂層體系性能降低或喪失，影響裝備戰(zhàn)場(chǎng)的生存安全[3]，因此需要通過(guò)對(duì)涂層性能進(jìn)行定期檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)涂層進(jìn)行維護(hù)維修?，F(xiàn)有功能涂層體系的檢測(cè)技術(shù)僅僅適用于實(shí)驗(yàn)室平面結(jié)構(gòu)，無(wú)法檢測(cè)外場(chǎng)環(huán)境下的曲面形狀武器裝備，開展功能涂層體系性能原位快速檢測(cè)分析技術(shù)研究，對(duì)于保障裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力、充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能具有重大意義[4-5]。

本文從功能涂層體系原位快速檢測(cè)需求出發(fā)，通過(guò)頻域和時(shí)域分析提取超聲波信號(hào)、信號(hào)特征識(shí)別、一發(fā)一收式天線排布、三點(diǎn)支架型前端、專用分析軟件等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)了曲面形狀武器裝備表面吸波涂層厚度及功能涂層體系反射率原位快速檢測(cè)分析，進(jìn)一步提高了裝備功能涂層體系維護(hù)保障效能，保證了涂層維修質(zhì)量的一致性。

一、實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)材料及研究體系

實(shí)驗(yàn)所用的基體材料為正方形7B04-T6 鋁合金及T300-3K/QY8911 復(fù)合材料，研究的涂層體系為底層+吸波涂層+匹配層+紅外涂層。具體分布如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)件功能涂層體系

2.吸波涂層厚度測(cè)試設(shè)備

（1）設(shè)備原理。吸波涂層厚度對(duì)于功能涂層體系性能影響較大，吸波涂層只有在一定厚度條件下才能達(dá)到功能涂層體系的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)[6-7]，因此對(duì)吸波涂層的噴涂厚度公差和一致性要求較高，需要精準(zhǔn)測(cè)量吸波涂層的厚度值。而吸波涂層與常規(guī)涂層差別較大，具有多界面結(jié)構(gòu)，特別是以復(fù)合材料為基體時(shí)，一般通用型在線檢測(cè)設(shè)備無(wú)法滿足其測(cè)試精度及在線檢測(cè)要求。

根據(jù)超聲波在異質(zhì)層界面會(huì)發(fā)生反射、透射的原理，通過(guò)信號(hào)分析處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)吸波涂層中特定層介質(zhì)厚度的測(cè)量[8]。超聲波在吸波涂層結(jié)構(gòu)中的傳播如圖2 所示，入射聲壓為PI的超聲波信號(hào)垂直入射到由聲楔塊（介質(zhì)1）、涂層（介質(zhì)2）和基體（介質(zhì)3）組成的多界面結(jié)構(gòu)。當(dāng)涂層較薄時(shí)，界面1 的一次及多次反射波與界面2 的反射波將疊加在一起，在時(shí)域波形中難以進(jìn)行明顯區(qū)分。通過(guò)頻域及時(shí)頻分析方法能夠提取超聲波涂層中的傳播時(shí)間，結(jié)合涂層中的超聲波傳播速度，經(jīng)計(jì)算即可得到涂層厚度。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的超聲測(cè)厚設(shè)備結(jié)合參數(shù)設(shè)置、超聲波形顯示、信號(hào)分析與特征識(shí)別、厚度識(shí)別以及結(jié)果存儲(chǔ)與報(bào)告輸出等多模塊算法，與設(shè)備操作面板功能按鈕交互工作，最終實(shí)現(xiàn)吸波涂層測(cè)厚及測(cè)試結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。

圖2 超聲波在吸波涂層結(jié)構(gòu)中的傳播

（2）設(shè)備整體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。設(shè)備包括主機(jī)和外接探頭，具有開機(jī)自檢、歸零、聲速校準(zhǔn)、厚度計(jì)算、報(bào)告輸出以及斷電數(shù)據(jù)保護(hù)等功能。設(shè)備測(cè)試流程為：開機(jī)→設(shè)置→歸零→校準(zhǔn)→測(cè)量→保存→打印報(bào)告。測(cè)試人員可通過(guò)“設(shè)置”按鈕對(duì)不同涂層材料特性進(jìn)行基本測(cè)量參數(shù)的初始設(shè)置，主要包括掃描延時(shí)、功率、采樣頻率、檢波方式等內(nèi)容。

3.反射率測(cè)試設(shè)備

（1）設(shè)備原理。在給定的極化方式和測(cè)試頻率下，功能涂層體系吸收電磁波的能力用反射率來(lái)評(píng)價(jià)。假設(shè)收發(fā)天線間的耦合可以忽略不計(jì)，設(shè)從發(fā)射天線經(jīng)過(guò)參考金屬板再到達(dá)接收天線的電磁波的功率為P金，將參考金屬板換為被測(cè)功能涂層體系樣板后到達(dá)接收天線的功率為P涂，則功能涂層體系的功率反射率Гp=P涂/P金；同理，電壓反射Гv=V涂/V金，而Гp=Гv2，以分貝的形式表示為：Г(dB)=10 lg(P涂/P金)=10 lgГp=20 lgГv=20 lg(V涂/V金)，式中Г表示功能涂層體系的反射率，其單位為分貝（dB）。

雷達(dá)反射率測(cè)試通常需要在平面波條件下進(jìn)行，針對(duì)反射率測(cè)試設(shè)備，需在天線輻射近場(chǎng)形成平面波，進(jìn)行近場(chǎng)寬帶測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)反射率近場(chǎng)測(cè)試，需采用基于弓形法原理的一發(fā)一收形式的天線排布，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的反射率測(cè)試設(shè)備測(cè)試頻率覆蓋4～18 GHz，以5 MHz 步進(jìn)間隔進(jìn)行掃頻測(cè)量[9]，一次測(cè)量產(chǎn)生2801 個(gè)頻點(diǎn)的反射率數(shù)據(jù)，設(shè)備電氣原理如圖3所示，由射頻模塊生成掃頻信號(hào)，通過(guò)天線向被測(cè)目標(biāo)發(fā)射。信號(hào)照射到目標(biāo)后，部分能量被目標(biāo)表面涂層部分吸收，剩余能量以電磁波形式散射，一部分原路反射被天線接收。被天線接收的回波信號(hào)經(jīng)射頻模塊內(nèi)的環(huán)形器與發(fā)射支路分離，在射頻模塊內(nèi)下變頻為帶有目標(biāo)反射率信息的回波中頻信號(hào)。采集卡對(duì)參考中頻與回波中頻信號(hào)做數(shù)字正交處理，得到包含目標(biāo)反射率信息的正交數(shù)據(jù)，即反射系數(shù)，將反射系數(shù)簡(jiǎn)單換算可得反射率，通常使用分貝值進(jìn)行描述。

圖3 反射率測(cè)試設(shè)備電氣原理

（2）設(shè)備整體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。反射率測(cè)試設(shè)備從結(jié)構(gòu)上分為主機(jī)、電池及充電組件。其中主機(jī)具有集成射頻信號(hào)收發(fā)、中頻采集與信號(hào)處理功能，同時(shí)帶有存儲(chǔ)卡、顯示屏及電池，可獨(dú)立采集測(cè)試對(duì)象的反射率預(yù)處理數(shù)據(jù)。主機(jī)前端安裝非金屬材質(zhì)制成的三點(diǎn)支架如圖4 所示，支架前端有3 個(gè)球形支點(diǎn)，用于接觸被測(cè)面，穩(wěn)定設(shè)備與被測(cè)面的相對(duì)姿態(tài)。球形支點(diǎn)外包橡膠套用于增加摩擦力，同時(shí)能夠防止劃傷被測(cè)功能涂層表面。實(shí)驗(yàn)表明，三點(diǎn)支架可適應(yīng)裝備表面大部分曲面形狀。

圖4 三點(diǎn)支架設(shè)計(jì)圖

設(shè)備進(jìn)行目標(biāo)反射系數(shù)計(jì)算時(shí)，需采集3 組正交數(shù)據(jù)：背景數(shù)據(jù)、定標(biāo)數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)。背景數(shù)據(jù)在無(wú)目標(biāo)時(shí)采集，主要用于背景對(duì)消計(jì)算，將系統(tǒng)本身干擾及環(huán)境背景干擾剔除。定標(biāo)數(shù)據(jù)是測(cè)量金屬反射層的反射率，以此作為0 dB 反射率基準(zhǔn)。采集目標(biāo)功能涂層體系反射率數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比目標(biāo)數(shù)據(jù)與定標(biāo)數(shù)據(jù)的變化情況，可計(jì)算出功能涂層體系的垂直反射率數(shù)值。對(duì)于非平面目標(biāo)，定標(biāo)體采用在曲面上貼覆導(dǎo)電反射層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，定標(biāo)體形狀與目標(biāo)形狀完全一致，通過(guò)定標(biāo)可有效消除目標(biāo)形狀對(duì)反射率的影響，從而使測(cè)試結(jié)果只反映目標(biāo)功能涂層體系的吸波效果。

設(shè)備一共有4 個(gè)按鍵，“開始”鍵、“+”鍵、“-”鍵及功能鍵?！伴_始”鍵用于觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，“+”鍵及“-”鍵用于切換當(dāng)前測(cè)量特征點(diǎn)編號(hào)，功能鍵用于彈出設(shè)備顯示屏亮度等參數(shù)設(shè)置界面，點(diǎn)擊“開始”鍵確認(rèn)參數(shù)設(shè)置。測(cè)量目標(biāo)反射率數(shù)據(jù)時(shí)，只需將設(shè)備前端探頭支架與被測(cè)面貼合，點(diǎn)擊“開始”鍵觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，采集完畢后設(shè)備顯示屏通過(guò)文字提示告知數(shù)據(jù)采集完成。

4.分析軟件

為防止測(cè)試數(shù)據(jù)泄露，反射率測(cè)試設(shè)備的測(cè)試數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制格式保存，常規(guī)文本處理軟件打開后只顯示亂碼，因此測(cè)試結(jié)束后，必須將存儲(chǔ)卡取出插入配套分析軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。通過(guò)軟件登陸界面進(jìn)入軟件主頁(yè)面，在“被測(cè)試目標(biāo)管理”模塊添加被測(cè)試目標(biāo)名稱、編號(hào)等信息；在“初始樣本數(shù)據(jù)”模塊添加被測(cè)目標(biāo)反射率基準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為初始樣本，初始樣本應(yīng)為被測(cè)試目標(biāo)反射率性能最佳時(shí)測(cè)得的結(jié)果；在“測(cè)量管理”模塊對(duì)被測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，得到當(dāng)前目標(biāo)的反射率性能情況，可與目標(biāo)的初始樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)曲線或數(shù)值直觀了解目標(biāo)反射率性能變化情況。

在“測(cè)量管理”中建立測(cè)試任務(wù)并提交測(cè)量結(jié)果后，可通過(guò)“驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果”功能查看反射率曲線，同時(shí)通過(guò)曲線對(duì)比面板可查看目標(biāo)特征點(diǎn)在每個(gè)頻點(diǎn)的反射率變化情況。對(duì)比面板中設(shè)置紅色曲線為“初始樣本測(cè)量”的初始樣本，藍(lán)色曲線為當(dāng)前測(cè)量的反射率曲線，橘黃色曲線為當(dāng)前測(cè)量的反射率曲線與初始樣本的差值。

如果不關(guān)注被測(cè)試目標(biāo)在每個(gè)頻點(diǎn)反射率變化情況，可通過(guò)“評(píng)估結(jié)果查詢”模塊比較特征點(diǎn)整體反射率變化情況。此模塊將特征點(diǎn)每個(gè)頻點(diǎn)的反射率變化值做均方差累加平均運(yùn)算后統(tǒng)計(jì)出反射率曲線整體變化情況，用數(shù)值表示，數(shù)值為0 表示當(dāng)前測(cè)量的特征點(diǎn)反射率與原始樣本的反射率不存在差別，數(shù)值越大表示當(dāng)前測(cè)量的特征點(diǎn)反射率與原始樣本的反射率差別越大。

二、測(cè)試結(jié)果分析

1.吸波涂層厚度檢測(cè)

在3 塊吸波涂層測(cè)試件隨機(jī)取18 個(gè)厚度測(cè)量點(diǎn)，其中1 塊以7B04-T6 鋁合金為基體，2 塊以T300-3K/QY8911 復(fù)合材料為基體，分別采用千分尺及本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的吸波涂層超聲測(cè)厚設(shè)備對(duì)18 個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行厚度測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5 所示。從圖中可以看出，厚度測(cè)量曲線基本重合一致，檢測(cè)精度較高，能夠滿足武器裝備對(duì)于吸波涂層厚度的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖5 厚度測(cè)量值對(duì)比

2.反射率檢測(cè)分析

分別采用弓形法[10]反射率測(cè)試系統(tǒng)和本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的反射率測(cè)試設(shè)備對(duì)功能涂層體系測(cè)試件進(jìn)行反射率測(cè)試對(duì)比，測(cè)量頻段為4～18 GHz，測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6 所示。從圖中可以看出，反射率測(cè)試設(shè)備對(duì)功能涂層體系的檢測(cè)結(jié)果與弓形法反射率測(cè)試系統(tǒng)基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)功能涂層體系的原位快速檢測(cè)。

圖6 反射率測(cè)試對(duì)比

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)原位快速檢測(cè)分析技術(shù)應(yīng)用于功能涂層體系檢測(cè)，經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的厚度檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了鋁合金、復(fù)合材料為基體的吸波涂層在線測(cè)厚及測(cè)試結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，設(shè)計(jì)的反射率測(cè)試設(shè)備可適應(yīng)于裝備表面大部分曲面形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)外場(chǎng)極端惡劣環(huán)境下功能涂層體系原位反射率檢測(cè)，為裝備功能涂層體系研究、數(shù)據(jù)庫(kù)建立、維護(hù)保障等提供切實(shí)可行的檢測(cè)手段，同時(shí)為后期功能涂層體系性能檢測(cè)技術(shù)工程化應(yīng)用提供了理論依據(jù)。