文/鄒亞玲 程宗輝 陳云鵬 李 萌 段本方（國營蕪湖機械廠）

隨著現(xiàn)代電子技術和偵查技術的發(fā)展，武器裝備在戰(zhàn)場上被發(fā)現(xiàn)的概率越來越大，被遠程武器如巡航導彈等擊毀的概率也就越來越大。武器裝備在戰(zhàn)場上的生存能力和武器的作戰(zhàn)能力就成為檢驗武器裝備的一項非常重要的指標[1-2]。功能涂層體系在武器裝備上的應用使其所呈現(xiàn)的信號特征弱化，能降低精確打擊系統(tǒng)對裝備的可探測性，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用成為提高武器戰(zhàn)場生存能力的主要研究和應用方向之一。在運輸、貯存及作訓過程中，武器裝備可能會因碰撞、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)場的生存安全[3]，因此需要通過對涂層性能進行定期檢測，依據(jù)檢測結果對涂層進行維護維修。現(xiàn)有功能涂層體系的檢測技術僅僅適用于實驗室平面結構，無法檢測外場環(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分析技術研究，對于保障裝備的戰(zhàn)場生存能力、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需求出發(fā)，通過頻域和時域分析提取超聲波信號、信號特征識別、一發(fā)一收式天線排布、三點支架型前端、專用分析軟件等關鍵技術設計，分別實現(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分析，進一步提高了裝備功能涂層體系維護保障效能，保證了涂層維修質(zhì)量的一致性。

一、實驗總體設計

1.實驗材料及研究體系

實驗所用的基體材料為正方形7B04-T6 鋁合金及T300-3K/QY8911 復合材料，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 實驗件功能涂層體系

2.吸波涂層厚度測試設備

（1）設備原理。吸波涂層厚度對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到功能涂層體系的設計性能指標[6-7]，因此對吸波涂層的噴涂厚度公差和一致性要求較高，需要精準測量吸波涂層的厚度值。而吸波涂層與常規(guī)涂層差別較大，具有多界面結構，特別是以復合材料為基體時，一般通用型在線檢測設備無法滿足其測試精度及在線檢測要求。

根據(jù)超聲波在異質(zhì)層界面會發(fā)生反射、透射的原理，通過信號分析處理，可以實現(xiàn)對吸波涂層中特定層介質(zhì)厚度的測量[8]。超聲波在吸波涂層結構中的傳播如圖2 所示，入射聲壓為PI的超聲波信號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）組成的多界面結構。當涂層較薄時，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，在時域波形中難以進行明顯區(qū)分。通過頻域及時頻分析方法能夠提取超聲波涂層中的傳播時間，結合涂層中的超聲波傳播速度，經(jīng)計算即可得到涂層厚度。本次實驗設計的超聲測厚設備結合參數(shù)設置、超聲波形顯示、信號分析與特征識別、厚度識別以及結果存儲與報告輸出等多模塊算法，與設備操作面板功能按鈕交互工作，最終實現(xiàn)吸波涂層測厚及測試結果的實時顯示。

圖2 超聲波在吸波涂層結構中的傳播

（2）設備整體結構及特點。設備包括主機和外接探頭，具有開機自檢、歸零、聲速校準、厚度計算、報告輸出以及斷電數(shù)據(jù)保護等功能。設備測試流程為：開機→設置→歸零→校準→測量→保存→打印報告。測試人員可通過“設置”按鈕對不同涂層材料特性進行基本測量參數(shù)的初始設置，主要包括掃描延時、功率、采樣頻率、檢波方式等內(nèi)容。

3.反射率測試設備

（1）設備原理。在給定的極化方式和測試頻率下，功能涂層體系吸收電磁波的能力用反射率來評價。假設收發(fā)天線間的耦合可以忽略不計，設從發(fā)射天線經(jīng)過參考金屬板再到達接收天線的電磁波的功率為P金，將參考金屬板換為被測功能涂層體系樣板后到達接收天線的功率為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）。

雷達反射率測試通常需要在平面波條件下進行，針對反射率測試設備，需在天線輻射近場形成平面波，進行近場寬帶測試。為實現(xiàn)反射率近場測試，需采用基于弓形法原理的一發(fā)一收形式的天線排布，本次實驗設計的反射率測試設備測試頻率覆蓋4～18 GHz，以5 MHz 步進間隔進行掃頻測量[9]，一次測量產(chǎn)生2801 個頻點的反射率數(shù)據(jù)，設備電氣原理如圖3所示，由射頻模塊生成掃頻信號，通過天線向被測目標發(fā)射。信號照射到目標后，部分能量被目標表面涂層部分吸收，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)下變頻為帶有目標反射率信息的回波中頻信號。采集卡對參考中頻與回波中頻信號做數(shù)字正交處理，得到包含目標反射率信息的正交數(shù)據(jù)，即反射系數(shù)，將反射系數(shù)簡單換算可得反射率，通常使用分貝值進行描述。

圖3 反射率測試設備電氣原理

（2）設備整體結構及特點。反射率測試設備從結構上分為主機、電池及充電組件。其中主機具有集成射頻信號收發(fā)、中頻采集與信號處理功能，同時帶有存儲卡、顯示屏及電池，可獨立采集測試對象的反射率預處理數(shù)據(jù)。主機前端安裝非金屬材質(zhì)制成的三點支架如圖4 所示，支架前端有3 個球形支點，用于接觸被測面，穩(wěn)定設備與被測面的相對姿態(tài)。球形支點外包橡膠套用于增加摩擦力，同時能夠防止劃傷被測功能涂層表面。實驗表明，三點支架可適應裝備表面大部分曲面形狀。

圖4 三點支架設計圖

設備進行目標反射系數(shù)計算時，需采集3 組正交數(shù)據(jù)：背景數(shù)據(jù)、定標數(shù)據(jù)、目標數(shù)據(jù)。背景數(shù)據(jù)在無目標時采集，主要用于背景對消計算，將系統(tǒng)本身干擾及環(huán)境背景干擾剔除。定標數(shù)據(jù)是測量金屬反射層的反射率，以此作為0 dB 反射率基準。采集目標功能涂層體系反射率數(shù)據(jù)，通過對比目標數(shù)據(jù)與定標數(shù)據(jù)的變化情況，可計算出功能涂層體系的垂直反射率數(shù)值。對于非平面目標，定標體采用在曲面上貼覆導電反射層的方法來實現(xiàn)，定標體形狀與目標形狀完全一致，通過定標可有效消除目標形狀對反射率的影響，從而使測試結果只反映目標功能涂層體系的吸波效果。

設備一共有4 個按鍵，“開始”鍵、“+”鍵、“-”鍵及功能鍵。“開始”鍵用于觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，“+”鍵及“-”鍵用于切換當前測量特征點編號，功能鍵用于彈出設備顯示屏亮度等參數(shù)設置界面，點擊“開始”鍵確認參數(shù)設置。測量目標反射率數(shù)據(jù)時，只需將設備前端探頭支架與被測面貼合，點擊“開始”鍵觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，采集完畢后設備顯示屏通過文字提示告知數(shù)據(jù)采集完成。

4.分析軟件

為防止測試數(shù)據(jù)泄露，反射率測試設備的測試數(shù)據(jù)均以二進制格式保存，常規(guī)文本處理軟件打開后只顯示亂碼，因此測試結束后，必須將存儲卡取出插入配套分析軟件的計算機進行后續(xù)處理。通過軟件登陸界面進入軟件主頁面，在“被測試目標管理”模塊添加被測試目標名稱、編號等信息；在“初始樣本數(shù)據(jù)”模塊添加被測目標反射率基準數(shù)據(jù)作為初始樣本，初始樣本應為被測試目標反射率性能最佳時測得的結果；在“測量管理”模塊對被測試目標進行測量，得到當前目標的反射率性能情況，可與目標的初始樣本數(shù)據(jù)進行對比，通過曲線或數(shù)值直觀了解目標反射率性能變化情況。

在“測量管理”中建立測試任務并提交測量結果后，可通過“驗證測量結果”功能查看反射率曲線，同時通過曲線對比面板可查看目標特征點在每個頻點的反射率變化情況。對比面板中設置紅色曲線為“初始樣本測量”的初始樣本，藍色曲線為當前測量的反射率曲線，橘黃色曲線為當前測量的反射率曲線與初始樣本的差值。

如果不關注被測試目標在每個頻點反射率變化情況，可通過“評估結果查詢”模塊比較特征點整體反射率變化情況。此模塊將特征點每個頻點的反射率變化值做均方差累加平均運算后統(tǒng)計出反射率曲線整體變化情況，用數(shù)值表示，數(shù)值為0 表示當前測量的特征點反射率與原始樣本的反射率不存在差別，數(shù)值越大表示當前測量的特征點反射率與原始樣本的反射率差別越大。

二、測試結果分析

1.吸波涂層厚度檢測

在3 塊吸波涂層測試件隨機取18 個厚度測量點，其中1 塊以7B04-T6 鋁合金為基體，2 塊以T300-3K/QY8911 復合材料為基體，分別采用千分尺及本次實驗設計的吸波涂層超聲測厚設備對18 個測量點進行厚度測量，測量數(shù)據(jù)對比如圖5 所示。從圖中可以看出，厚度測量曲線基本重合一致，檢測精度較高，能夠滿足武器裝備對于吸波涂層厚度的設計指標要求。

圖5 厚度測量值對比

2.反射率檢測分析

分別采用弓形法[10]反射率測試系統(tǒng)和本次實驗設計的反射率測試設備對功能涂層體系測試件進行反射率測試對比，測量頻段為4～18 GHz，測試數(shù)據(jù)對比如圖6 所示。從圖中可以看出，反射率測試設備對功能涂層體系的檢測結果與弓形法反射率測試系統(tǒng)基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)功能涂層體系的原位快速檢測。

圖6 反射率測試對比

三、結語

通過原位快速檢測分析技術應用于功能涂層體系檢測，經(jīng)特殊設計的厚度檢測設備實現(xiàn)了鋁合金、復合材料為基體的吸波涂層在線測厚及測試結果的實時顯示，設計的反射率測試設備可適應于裝備表面大部分曲面形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)外場極端惡劣環(huán)境下功能涂層體系原位反射率檢測，為裝備功能涂層體系研究、數(shù)據(jù)庫建立、維護保障等提供切實可行的檢測手段，同時為后期功能涂層體系性能檢測技術工程化應用提供了理論依據(jù)。