陳儒,楊義勤,秦凡凱,孟昭暉,苗昕揚(yáng),趙昆,詹洪磊

(中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源與材料學(xué)院, 北京 102249)

0 引言

太赫茲波因其能量低、穿透性強(qiáng)、不易受電磁干擾等特點(diǎn)在航天航空、反恐安檢、無(wú)損檢測(cè)、材料科學(xué)、石油勘探等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景[1?7]。作為太赫茲光譜應(yīng)用的重要方面,太赫茲成像技術(shù)受到廣泛關(guān)注,成為光學(xué)成像方法領(lǐng)域的新興技術(shù)。

太赫茲成像技術(shù)為無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域提供了一種清晰的成像檢測(cè)方法[8]。在太赫茲光譜檢測(cè)過(guò)程中,太赫茲光譜攜帶豐富的樣本信息,許多有機(jī)長(zhǎng)鏈大分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)均位于太赫茲頻段內(nèi)[9,10],因此在對(duì)一些有機(jī)高分子成像的過(guò)程中,可得到物質(zhì)的吸收光譜,經(jīng)過(guò)處理可分析吸收峰的指示特性等信息[11]。對(duì)于內(nèi)部缺陷的太赫茲光譜成像,需要考慮太赫茲波穿透性等問(wèn)題。由于有機(jī)高分子等材質(zhì)的振動(dòng)導(dǎo)致其可以吸收太赫茲波,因此對(duì)缺陷深度較小的高吸收性的材質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)可以選用反射式太赫茲光譜成像技術(shù)。

本文使用反射式太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)對(duì)有機(jī)高分子表面缺陷和內(nèi)部缺陷進(jìn)行表征。基于光譜成像結(jié)果,利用算法對(duì)內(nèi)部缺陷的成像效果進(jìn)行優(yōu)化,解決了反射式太赫茲光譜技術(shù)針對(duì)內(nèi)部缺陷檢測(cè)所存在的問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)選用反射式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng),如圖1所示,太赫茲波發(fā)射器輻射太赫茲波,經(jīng)過(guò)拋物面鏡和全反鏡射入樣本表面,樣本表面反射的太赫茲波經(jīng)過(guò)全反鏡和拋物面鏡進(jìn)入太赫茲波探測(cè)系統(tǒng),利用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),在樣本表面逐點(diǎn)測(cè)試即可獲得不同位置的太赫茲反射信號(hào)[12?14],經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理分析后輸出相應(yīng)的成像譜。太赫茲光譜成像系統(tǒng)在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了圖像處理裝置和控制裝置,對(duì)樣本的反射譜或透射譜信息進(jìn)行處理與分析,得到樣本的太赫茲成像圖[15?17]。

圖1 太赫茲時(shí)域光譜儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of terahertz time-domain spectrometer

由于采用反射式太赫茲成像技術(shù),故樣本有效反射信號(hào)的延遲時(shí)間與樣本厚度無(wú)關(guān),僅與樣本的缺陷深度有關(guān)。樣本對(duì)太赫茲波的吸收越大,能夠檢測(cè)到的內(nèi)部缺陷就越淺;樣本對(duì)太赫茲波的吸收越小,能夠檢測(cè)到的內(nèi)部缺陷就越深。此處利用Solid Works軟件設(shè)計(jì)3D打印樣本的三維模型,繪制了4個(gè)直徑為25 mm、厚度為10 mm的含有缺陷的扁圓柱體,其中圖2為含外部缺陷的2個(gè)3D打印樣本,含內(nèi)部缺陷的2個(gè)樣本其缺陷形狀與圖2相同,但缺陷位于圓柱體內(nèi)部2 mm處。然后將模型轉(zhuǎn)換為3D打印機(jī)可讀取的stl格式類型文件,導(dǎo)入3D打印機(jī)控制軟件中,軟件會(huì)對(duì)模型進(jìn)行分層處理,并在打印前設(shè)置相關(guān)打印參數(shù),其中打印速度設(shè)置為低速以便材料凝固。3D打印機(jī)通過(guò)激光高溫?zé)Y(jié)打印材料,使之凝固成型后逐層打印成所需的有機(jī)高分子3D打印樣本。

圖2 含有外部缺陷的2個(gè)3D打印樣本Fig.2 Two 3D printed samples with external defects

實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)高精密二維位移平臺(tái)分別移動(dòng)4個(gè)樣本,控制外部缺陷樣本的掃描步徑為0.2 mm,內(nèi)部缺陷樣本的掃描步徑為0.08 mm。利用太赫茲時(shí)域光譜儀對(duì)樣本進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)試,提取各測(cè)試點(diǎn)的太赫茲時(shí)域譜峰值強(qiáng)度及位置坐標(biāo),可得到太赫茲時(shí)域譜成像圖。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

太赫茲時(shí)域光譜是樣本經(jīng)測(cè)試后獲得的最直接、最準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),基于太赫茲時(shí)域光譜峰值的投影圖如圖3所示。圖3(a)、(b)為缺陷存在于樣本表層時(shí)不同時(shí)間延遲下的太赫茲光譜成像圖,由于本次使用的太赫茲時(shí)域光譜儀的峰值信號(hào)為負(fù)值,中間缺陷部分沒(méi)有反射太赫茲信號(hào),所以其太赫茲峰值強(qiáng)度絕對(duì)值最小。在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材料處由于反射了一部分太赫茲波,所以太赫茲波的峰值強(qiáng)度絕對(duì)值較大,由于打印出來(lái)的ABS材料表面并不是完全光滑,材料表面太赫茲波的峰值強(qiáng)度存在一定的誤差;圖3(c)、(d)為在ABS材料內(nèi)部有和樣本一、二相同缺陷樣本的太赫茲時(shí)域成像圖。由于當(dāng)太赫茲波入射到樣本表面時(shí),表面無(wú)論是缺陷位置還是ABS材料位置均有材料覆蓋從而對(duì)太赫茲波有一定的吸收,從而導(dǎo)致在整個(gè)表面均探測(cè)到部分反射波,所以圖像中有模糊的缺陷形狀但是整體噪聲較大,因此需要利用其它手段增強(qiáng)太赫茲波表征內(nèi)部缺陷的能力。此處考慮利用優(yōu)化算法對(duì)圖像進(jìn)行處理,從而實(shí)現(xiàn)更好地利用太赫茲波表征3D材料內(nèi)部缺陷。

所使用的太赫茲波光譜成像優(yōu)化算法主要流程如圖4所示,反射式太赫茲時(shí)域光譜成像的延遲時(shí)間與樣本的缺陷深度有關(guān),不同時(shí)間延遲下的太赫茲波時(shí)域光譜成像會(huì)得到不同的樣本信息。為最大限度地包含樣本所有信息,故先選取延遲時(shí)間分別為14.2、14.3、14.5、14.6、14.18 ps下的光譜圖像。然后對(duì)這5幅光譜圖像做高斯加噪圖像模糊處理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲信號(hào)的模糊處理,提高所獲信息的信噪比。之后對(duì)5張圖片進(jìn)行疊加融合,規(guī)則是每張圖片灰度放大2倍后進(jìn)行疊加融合,這樣避免了疊加后造成的缺陷圖像和材料圖像的趨同,通過(guò)融合多種缺陷信息提高了圖像清晰度,還能進(jìn)一步對(duì)噪聲進(jìn)行模糊消除。算法的最后一步為對(duì)已經(jīng)添加的噪聲去噪,此處使用最小二乘法去噪,將原本為了模糊系統(tǒng)本身噪聲的高斯噪聲去除,從而使圖像更加清晰。

以樣本一內(nèi)部缺陷的光譜成像圖的優(yōu)化為例做進(jìn)一步的算法說(shuō)明。分別選取樣本的5個(gè)不同延遲時(shí)間下的太赫茲時(shí)域光譜圖像如圖5(a)～(e)所示,進(jìn)行高斯加噪得到結(jié)果,由高斯加噪效果圖可清楚地觀察到在3D材料處的太赫茲光譜信號(hào)整體模糊,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波系統(tǒng)噪聲的模糊處理如圖5(f)～(j)所示。

圖3 4種樣本的太赫茲時(shí)域光譜成像圖分析。(a)、(b)、(c)、(d)分別為樣本1、2、3、4在時(shí)間延遲分別為7.207、8.400、14.447、13.453 ps下的太赫茲信號(hào)強(qiáng)度成像結(jié)果Fig.3 Terahertz time-domain spectral imaging analysis of the four samples.(a),(b),(c)and(d)are the terahertz signal intensity imaging results of samples 1,2,3 and 4 at time delays of 7.207,8.400,14.447 and 13.453 ps,respectively

對(duì)5張經(jīng)高斯加噪處理的圖像進(jìn)行增加灰度疊加融合處理,其結(jié)果如圖6(a)所示,將此灰度圖轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬珗D可得圖6(c),從圖6(c)中的顏色能夠明顯地看出缺陷的形狀和位置,但是在缺陷的邊界處仍存在較多噪聲。因此利用最小二乘去噪方法對(duì)邊界噪聲進(jìn)行去除,其結(jié)果如圖6(b)所示;將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為彩色圖像,如圖6(d)所示。在表征有機(jī)高分子材料內(nèi)部缺陷時(shí),受太赫茲波特性的限制,其成像圖較為模糊,通過(guò)優(yōu)化算法可將模糊圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦鷪D像。利用上述優(yōu)化算法分析樣本二的太赫茲時(shí)域光譜成像圖,可得到其增加灰度疊加融合圖像和最終的優(yōu)化圖像,如圖7所示。

圖7 樣本二優(yōu)化算法分析效果圖。(a),(c)去噪樣本疊加后效果圖;(b),(d)最小二乘法去噪后效果圖Fig.7 Effect diagram of sample 2 optimization algorithm analysis.(a),(c)Effect diagram of denoising samples superimposed;(b),(d)Effect diagram after least square method denoising

3 結(jié)論

利用太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)獲得了含有外部缺陷和內(nèi)部缺陷的有機(jī)高分子3D打印材料時(shí)域譜光譜成像圖。結(jié)果表明,太赫茲時(shí)域光譜儀能夠直接表征有機(jī)高分子材料的外部缺陷,但對(duì)有機(jī)高分子材料內(nèi)部缺陷表征效果較差,利用算法將含有內(nèi)部缺陷的圖像進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行高斯加噪、增加灰度疊加融合、最小二乘降噪等優(yōu)化處理能夠得到較為清晰的表征3D材料內(nèi)部缺陷的太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)圖像。綜上所述,利用太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)及優(yōu)化算法,能夠清晰地表征有機(jī)高分子3D打印材料內(nèi)部缺陷,為太赫茲光譜成像技術(shù)表征有機(jī)高分子內(nèi)部缺陷提供了新的思路。