聚乙烯構(gòu)件減薄缺陷的太赫茲掃頻可視化定量檢測(cè)*

高乾祥，李 勇，王若男，方 陽(yáng)，楊西含，陳振茂

（機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陜西省無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)工程技術(shù)研究中心西安交通大學(xué) 航天航空學(xué)院，陜西 西安 710049）

0 引 言

聚乙烯（polyethylene，PE）構(gòu)件具有連接可靠、耐腐蝕、強(qiáng)度高、抗開(kāi)裂和沖擊等特性，被廣泛應(yīng)用于地下油氣運(yùn)輸、給排水等工程領(lǐng)域［1］，然而，在制造、安裝及使用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生減薄、夾雜、斷裂等缺陷［2］，其中，減薄缺陷是嚴(yán)重危害PE構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性和使用安全性的損傷之一。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)減薄缺陷并對(duì)其進(jìn)行無(wú)損定量評(píng)估，對(duì)于確保PE構(gòu)件的完整性和安全性，預(yù)防油、氣、水泄露等安全事故的發(fā)生至關(guān)重要。目前針對(duì)PE構(gòu)件的無(wú)損檢測(cè)方法有射線檢測(cè)技術(shù)［3］、超聲檢測(cè)技術(shù)［4］、微波檢測(cè)技術(shù)［5，6］等，但這些方法均存在一定的局限性。

太赫茲（THz）檢測(cè)技術(shù)［7］是利用太赫茲波在異質(zhì)界面發(fā)生吸收、反射、透射和散射的特性，通過(guò)掃描并記錄帶有被測(cè)材料成分、結(jié)構(gòu)和缺陷信息的太赫茲反射或透射波信號(hào)的一種新型技術(shù)。太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)具有非接觸性、非電離、非破壞性、高空間分辨率及檢測(cè)頻帶寬等特點(diǎn)［8，9］。目前在安全檢測(cè)、天文學(xué)、醫(yī)療掃描成像、通信和雷達(dá)、文物保護(hù)等方面具有重要的應(yīng)用前景［10～15］。近年來(lái)，太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)逐漸應(yīng)用于非金屬材料、結(jié)構(gòu)的無(wú)損定量檢測(cè)。徐繼升等人采用反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，基于小波散射網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了PE 管道熱熔接頭缺陷的太赫茲識(shí)別［16］。Palka N等人使用太赫茲波對(duì)超高分子量PE 復(fù)合材料分層缺陷進(jìn)行成像處理，并結(jié)合信號(hào)處理與飛行時(shí)間，對(duì)PE試件三維成像［17］。Ren J J 等人采用太赫茲時(shí)域光譜法，研究不同老化程度的PE管的光譜特性，得到PE管道吸收系數(shù)與老化程度之間的關(guān)系［18］。

本文聚焦于0.22 ～0.33 THz頻段，研究基于太赫茲?rùn)z測(cè)的PE構(gòu)件減薄缺陷定量評(píng)估方法。通過(guò)搭建檢測(cè)平臺(tái)，細(xì)致分析PE構(gòu)件亞表面減薄缺陷太赫茲?rùn)z測(cè)信號(hào)響應(yīng)特性，以時(shí)域信號(hào)面積作為信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)了PE構(gòu)件缺陷成像，并結(jié)合圖像處理對(duì)缺陷進(jìn)行三維尺寸定量評(píng)估。

1 太赫茲?rùn)z測(cè)原理與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

太赫茲?rùn)z測(cè)PE 試件的原理示意如圖1 所示，喇叭天線發(fā)射一定帶寬的太赫茲波到PE 試件表面，透射進(jìn)入PE試件內(nèi)部，在試件背面異質(zhì)界面處反射，所形成的反射波沿原路徑返回，喇叭天線接收并輸出檢測(cè)回波信號(hào)。當(dāng)PE試件存在減薄缺陷時(shí)，相較于無(wú)缺陷情況，電磁場(chǎng)的分布發(fā)生改變，導(dǎo)致太赫茲反射波的幅值、相位等電場(chǎng)參數(shù)發(fā)生變化，實(shí)驗(yàn)中反射波的能量大小由S11參數(shù)表征，通過(guò)分析有無(wú)缺陷處S11參數(shù)的變化量即可獲得PE試件缺陷信息。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀最大輸出頻率為40 GHz，通過(guò)矢網(wǎng)擴(kuò)頻模塊擴(kuò)頻到0.22 ～0.33 THz頻段，喇叭天線發(fā)射擴(kuò)頻后的太赫茲波，通過(guò)透鏡聚焦，焦距為100 mm，試件放置于焦距處，設(shè)置掃描臺(tái)對(duì)試件二維平面掃查，掃查范圍為200 mm×200 mm，步長(zhǎng)為2 mm×2 mm。實(shí)驗(yàn)中，PE試件如圖2（a）所示，試件尺寸為200 mm×200 mm×25 mm，試件預(yù)制缺陷尺寸如圖2（b）所示，其中，a，b，c 和d 分別為缺陷邊長(zhǎng)與直徑，h為缺陷深度。

圖1 太赫茲?rùn)z測(cè)原理與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 PE試件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 信號(hào)特征提取與缺陷成像

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到PE 試件各位置頻域信號(hào)S11幅值，如圖3（a）所示，太赫茲波在PE試件內(nèi)部傳播時(shí)無(wú)缺陷處與減薄缺陷處損耗不同，致使有無(wú)缺陷處的S11幅值呈現(xiàn)出差異，但差異的規(guī)律性不強(qiáng)。圖3（a）通過(guò)傅里葉逆變換得到時(shí)域信號(hào)，如圖3（b）所示，其中，無(wú)缺陷處時(shí)域信號(hào)如圖3（c）所示。圖3（b）中，中心處代表PE 試件后表面的PE—空氣界面的反射峰峰值位置不同。缺陷3#的中心反射峰峰值位于最左側(cè)，無(wú)缺陷的中心反射峰峰值位于最右側(cè)。這是因?yàn)槿毕?#的深度最大，太赫茲在其中的傳播時(shí)間最短，在缺陷1#處的傳播時(shí)間次之，在無(wú)缺陷處的傳播時(shí)間最長(zhǎng)。這導(dǎo)致有無(wú)缺陷處以及不同缺陷尺寸處時(shí)域信號(hào)曲線與時(shí)間采樣點(diǎn)軸所圍面積，即時(shí)域信號(hào)面積不同。因此，將時(shí)域信號(hào)面積作為信號(hào)特征，對(duì)PE試件進(jìn)行缺陷成像，結(jié)果如圖3（d）所示。由圖3（d）可得，圖像中缺陷邊界清晰，不同深度的減薄缺陷由于時(shí)域面積值大小差異，呈現(xiàn)出數(shù)值顏色差異，如階梯型缺陷10#在圖3（d）中所示。

圖3 信號(hào)特征提取與缺陷成像

2.2 缺陷尺寸定量評(píng)估

2.2.1 缺陷平面尺寸定量評(píng)估

基于以時(shí)域信號(hào)面積（time domain signal area，TDSA）為信號(hào)特征所成的PE試件缺陷圖像（圖3（d）），提取時(shí)域信號(hào)面積矩陣，對(duì)圖3（d）中x為30，60，90 mm三列位置作TDSA隨著y軸變化的曲線，如圖4（a）所示。

圖4 TDSA檢測(cè)結(jié)果

圖4（a）中，每個(gè)波谷的橫坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)缺陷在圖3（d）中的y軸邊緣位置，整個(gè)時(shí)域信號(hào)面積矩陣的三維曲線變化如圖4（b）所示。圖4（a）缺陷處的曲線波谷處的時(shí)域信號(hào)面積數(shù)值均位于1.35 以下，將其設(shè)為閾值，對(duì)時(shí)域信號(hào)面積矩陣二值化，二值化后的結(jié)果如圖5 所示。由于原時(shí)域信號(hào)面積矩陣在深度較大減薄缺陷處TDSA值與缺陷邊緣處的TDSA 值均處于閾值二值化范圍，導(dǎo)致圖5 中深度較大減薄缺陷內(nèi)部與邊界處混為一體，且邊緣范圍寬度較大，影響缺陷平面尺寸定量評(píng)估效果。

圖5 閾值二值化結(jié)果

使用Laplace算子對(duì)時(shí)域信號(hào)面積矩陣所成處理，其卷積核矩陣如式（1）所示，處理結(jié)果及三維曲線如圖6（a）所示，對(duì)圖6（a）中提取x為30，60，90 mm三列位置作Laplace邊緣檢測(cè)結(jié)果數(shù)值隨著y軸變化的曲線，如圖6（b）所示。式（1）如下

圖6 Laplace算子檢測(cè)結(jié)果

圖6（b）中的每個(gè)波峰的橫坐標(biāo)值對(duì)應(yīng)缺陷在圖6（a）中的y軸邊緣位置，圖6（b）缺陷處的曲線波峰處的數(shù)值均位于0.1以上，將其設(shè)為閾值，對(duì)Laplace 算子檢測(cè)結(jié)果矩陣進(jìn)行二值化，再使用尋峰函數(shù)設(shè)置峰值大小，進(jìn)而得到波峰位置，同樣對(duì)Laplace算子檢測(cè)結(jié)果矩陣進(jìn)行二值化，將2種二值化所得矩陣疊加處理，結(jié)果如圖7 所示，圖中缺陷邊緣細(xì)窄，有利于缺陷平面尺寸定量評(píng)估。以曲線波峰作為缺陷平面尺寸評(píng)估特征，對(duì)PE 試件缺陷平面尺寸評(píng)估結(jié)果如表1所示，評(píng)估結(jié)果顯示，利用Laplace 算子與兩種二值化疊加的方法可以實(shí)現(xiàn)PE試件背面減薄缺陷平面尺寸的定量評(píng)估。

表1 缺陷定量評(píng)估結(jié)果

圖7 二值化處理結(jié)果

2.2.2 缺陷深度尺寸定量評(píng)估

太赫茲寬帶較大，因而其縱向距離分辨率較高，利用太赫茲這一特性可對(duì)PE 試件缺陷深度尺寸進(jìn)行定量評(píng)估，0.22 ～0.33 THz 頻段的太赫茲波在PE材料中的距離分辨率為δr＝c／2B＝0.9 mm，其中，c為光速，B為系統(tǒng)的帶寬，εr為PE材料相對(duì)介電常數(shù)。

由圖3（c）可得，喇叭天線發(fā)射太赫茲波，依次經(jīng)過(guò)聚焦透鏡、PE試件前表面、PE 試件后表面，圖中3 處峰值分別與3處位置相對(duì)應(yīng)。試件各位置處前表面和后表面兩峰峰值位置間隔乘以距離分辨率δr，即為PE 試件每點(diǎn)處的厚度信息，再以PE 試件厚度減去缺陷處每點(diǎn)的厚度信息即可得到缺陷的深度信息，PE試件減薄缺陷深度尺寸評(píng)估結(jié)果如表1所示。評(píng)估結(jié)果顯示，缺陷深度尺寸檢測(cè)相對(duì)誤差最高為5.3%，表明利用太赫茲高縱向距離分辨率可以實(shí)現(xiàn)PE試件背面減薄缺陷深度尺寸的定量評(píng)估。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)分析PE構(gòu)件亞表面減薄缺陷太赫茲?rùn)z測(cè)信號(hào)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)無(wú)缺陷處與減薄缺陷處的時(shí)域信號(hào)面積存在差異，以其作為信號(hào)特征對(duì)PE 試件二維成像。提取時(shí)域信號(hào)面積矩陣，進(jìn)行閾值二值化處理，用Laplace 算子對(duì)時(shí)域信號(hào)面積缺陷成像圖邊緣檢測(cè)所得矩陣，結(jié)合閾值與尋峰疊加后的二值化方法，評(píng)估結(jié)果表明：該方法可對(duì)PE試件減薄缺陷平面尺寸定量評(píng)估，此外，利用太赫茲大帶寬、縱向分辨率高的特點(diǎn)，可對(duì)PE試件減薄缺陷深度尺寸定量評(píng)估，缺陷三維尺寸檢測(cè)精度可達(dá)94.67%。