牟 達(dá),王奇書*,崔宗宇,任姣姣,張丹丹,李麗娟,辛胤杰,周桐宇

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130022 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院光電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,吉林 長(zhǎng)春 130022 3. 長(zhǎng)春設(shè)備工藝研究所,吉林 長(zhǎng)春 130012

引 言

太赫茲時(shí)域光譜(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的有效的無(wú)損檢測(cè)方法之一[1-2],以其非接觸、不會(huì)破壞被檢材料的性能等優(yōu)點(diǎn)逐步替代傳統(tǒng)的超聲、紅外熱波等檢測(cè)方法,在復(fù)合材料檢測(cè)領(lǐng)域占有很大的優(yōu)勢(shì)。眾多學(xué)者在太赫茲時(shí)域光譜成像方面做了大量的研究[3-5]。2018年,天津大學(xué)王宇燁等提出了基于圖像逆處理的方法消除了在太赫茲成像中的干涉條紋[6]。同年,中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所祁峰等人提出了利用圖像融合等方法來(lái)消除太赫茲成像中的干涉條紋,提高成像對(duì)比度[7]。

近些年,復(fù)合材料因其由兩種及以上的材料復(fù)合而成,各材料之間取長(zhǎng)補(bǔ)短,使得復(fù)合材料相比單一材料具有比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在軍民各領(lǐng)域。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(下文簡(jiǎn)稱玻纖復(fù)合材料)通常以樹脂為基體,將玻璃纖維通過層層纏繞、壓制成型工藝制備而成的復(fù)合材料[8-9],因其重量輕、耐熱性強(qiáng)被應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)體、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上,但在成型或使用周期內(nèi),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微小缺陷,影響航天器件的安全性。

太赫茲成像技術(shù)在食品安全[10]、防偽鑒別[11]、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用有很大的發(fā)展前景,但其與物質(zhì)相互作用時(shí),根據(jù)經(jīng)典的電磁學(xué)理論,會(huì)發(fā)生常見的干涉等物理現(xiàn)象,在成像中會(huì)出現(xiàn)干涉條紋,影響著成像質(zhì)量。在眾多研究中,還未曾應(yīng)用數(shù)值建模對(duì)太赫茲波成像中干涉條紋的存在進(jìn)行研究?；诖?本文應(yīng)用時(shí)域有限差分技術(shù)在理論上對(duì)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)檢測(cè)玻纖復(fù)合材料層析成像中出現(xiàn)干涉條紋的原因進(jìn)行分析,探究缺陷成像過程中干涉條紋產(chǎn)生的原因,為實(shí)際太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)檢測(cè)成像后條紋的去除提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

如圖1所示,是反射式THz-TDS系統(tǒng)的工作原理圖,飛秒激光器發(fā)出的飛秒激光經(jīng)過分束鏡后被分為能量不同的兩束,能量相對(duì)高的一束經(jīng)過光學(xué)延遲線,入射到太赫茲發(fā)射端的光電導(dǎo)天線的金屬電極間的砷化鎵晶體后,在外加偏置電場(chǎng)的作用下向外輻射太赫茲波,太赫茲波經(jīng)過被測(cè)樣品;另一束光作為探測(cè)光,與攜帶物品信息的太赫茲波到達(dá)太赫茲波探測(cè)端,最后獲得太赫茲脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)域波形。該太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的信噪比大于70 dB,時(shí)間分辨率0.1 ps,時(shí)間窗口為320 ps/160 ps。

圖1 反射式THz-TDS系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of reflective THz-TDS system

1.2 樣品

如圖2所示,是玻纖復(fù)合材料內(nèi)部缺陷分布示意圖,樣件的幾何尺寸為150 mm×140 mm×6 mm,根據(jù)實(shí)際復(fù)合材料產(chǎn)生缺陷的形狀,分別設(shè)置直徑為5、10和15 mm的圓形聚四氟乙烯和上邊長(zhǎng)7 mm,底邊長(zhǎng)13 mm,寬度13 mm的梯形空氣槽模擬缺陷。

圖2 玻纖復(fù)合材料缺陷分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the defects of glass fiber composites

采用上述反射式THz-TDS系統(tǒng)對(duì)其內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè),層析成像結(jié)果如圖3所示。

圖3 玻纖復(fù)合材料內(nèi)部缺陷層析成像圖(a):距離玻纖復(fù)合材料上表面1 mm位置處缺陷成像;(b):距離玻纖復(fù)合材料上表面3 mm位置處缺陷成像;(c):距離玻纖復(fù)合材料上表面5 mm位置處缺陷成像Fig.3 Internal defect tomography of glass fiber composites(a):Defect imaging at a distance of 1 mm from the upper surface of the glass fiber composite;(b):Defect imaging at a distance of 3 mm from the upper surface of the glass fiber composite;(c):Defect imaging at a distance of 5 mm from the upper surface of the glass fiber composite

由圖3的層析成像圖可以觀察到,每一深度處的缺陷在成像時(shí)出現(xiàn)了隨時(shí)間擴(kuò)散的條紋,掩蓋了原本缺陷的信息,使得缺陷無(wú)法清晰識(shí)別。對(duì)于出現(xiàn)條紋的原因,應(yīng)用時(shí)域有限差分技術(shù)在理論上進(jìn)行建模分析。

1.3 時(shí)域有限差分基本原理

時(shí)域有限差分(finite difference time domain,FDTD)是麥克斯韋電磁方程的數(shù)值解法之一,對(duì)于復(fù)雜的電磁場(chǎng)問題,使用一階精度的中心差分來(lái)近似麥克斯韋旋度方程[12-14]。如圖4所示,是Yee元胞電磁場(chǎng)分量的位置圖,由圖4可知,電場(chǎng)分量在Yee元胞的各棱中間,平行于各棱;磁場(chǎng)分量在Yee元胞各面的中心,平行于各面的法線。其中Δx、Δy、Δz表示采樣步長(zhǎng)以Yee元胞為空間電磁場(chǎng)離散單元,用有限差分來(lái)近似麥克斯韋方程中的時(shí)間和空間導(dǎo)數(shù);進(jìn)而通過構(gòu)造方程,用前一時(shí)間步瞬時(shí)場(chǎng)值來(lái)計(jì)算后一時(shí)間步瞬時(shí)場(chǎng)值,以此構(gòu)造時(shí)間向前推進(jìn)的算法,來(lái)模擬電磁場(chǎng)在時(shí)域的進(jìn)程,有很好的穩(wěn)定性和收斂性。

圖4 Yee元胞電磁場(chǎng)分量位置圖Fig.4 Location map of Yee cell electromagnetic field components

在三維笛卡爾系內(nèi),麥克斯韋方程組中的電場(chǎng)分量Ex的差分離散形式如式(1)

(1)

式(1)中,介電常數(shù)由ε表示,σ代表電導(dǎo)率,Δt為時(shí)間步長(zhǎng),(i,j,k)為Yee元胞節(jié)點(diǎn),n是計(jì)算的時(shí)間步。Ey、Ez分量的離散形式與上式原理相同,故不作贅述。

若使時(shí)域有限差分離散有意義,則時(shí)域有限差分方程的解必須滿足穩(wěn)定性條件,即

(2)

(3)

式(2)和式(3)中,λmin為仿真頻段內(nèi)的最短波長(zhǎng),vmax為仿真中光波最大的傳播速度。本文的仿真頻段為0.2～1.5 THz,故頻段內(nèi)的最短波長(zhǎng)為0.2 mm,因此,為了保證數(shù)值建模的收斂和穩(wěn)定性,通過設(shè)置在0.02、0.015、0.005和0.003 mm的空間步長(zhǎng)下,對(duì)光源的波動(dòng)性進(jìn)行仿真對(duì)比,結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同空間步長(zhǎng)下光源波動(dòng)圖Fig.5 Light source fluctuation graph under different spatial steps

圖5可以看到,當(dāng)空間步長(zhǎng)為0.02和0.015 mm時(shí),光源的時(shí)域波形振蕩比較大,當(dāng)空間步長(zhǎng)縮小為0.005和0.003 mm時(shí),光源的時(shí)域波形振蕩幾乎消失,因此,為了滿足建模的穩(wěn)定性要求同時(shí)加快仿真時(shí)間,選擇空間離散間隔為0.005 mm。

1.4 玻纖復(fù)合材料的數(shù)值建模

基于時(shí)域有限差分原理,對(duì)上述含有缺陷的玻纖復(fù)合材料進(jìn)行三維數(shù)值建模,如圖6所示是數(shù)值建模三維示意圖,為了模擬無(wú)限的仿真區(qū)域,經(jīng)過對(duì)不同吸收邊界進(jìn)行對(duì)比后,避免因衍射效應(yīng)給仿真結(jié)果帶來(lái)的影響,分別在垂直太赫茲波傳播方向上設(shè)置PML(perfectly match layer,PML)吸收邊界,在平行于太赫茲傳播方向上設(shè)置PBC(periodic boundary conditions,PBC)吸收邊界;分別設(shè)置時(shí)間觀察點(diǎn)來(lái)探測(cè)采集太赫茲波經(jīng)過不同介質(zhì)分界面后的時(shí)域波形及C-Scan成像圖。

圖6 FDTD三維數(shù)值建模示意圖Fig.6 Schematic diagram of FDTD 3D numerical modeling

1.5 干涉理論

圖7 太赫茲傾斜入射傳播光路圖Fig.7 Terahertz oblique incidence and propagation light path diagram

(4)

(5)

(δ1-δ2)-(ω1-ω2)t]〉

(6)

如圖7所示,兩束光由材料表面返回到太赫茲探測(cè)器的光程分別為ab、ce,則光程差d為:d=ab-ce,那么相位差δ=nd,當(dāng)被測(cè)材料與入射的太赫茲波有傾角時(shí),不同的掃描位置反射到太赫茲波探測(cè)端路過的光程差不同導(dǎo)致發(fā)生了干涉現(xiàn)象。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)域波形分析

建立無(wú)缺陷的玻纖復(fù)合材料太赫茲波傳播模型,采集不同傾斜狀態(tài)下的時(shí)域波形進(jìn)行對(duì)比分析。

如圖8所示,分別是太赫茲波垂直入射到樣件表面的時(shí)域波形(紅色)、樣件相對(duì)于入射的太赫茲波傾斜1°的時(shí)域波形(藍(lán)色)、樣件上表面相對(duì)于下表面傾斜2°的時(shí)域波形(綠色),從圖中可以看到,當(dāng)太赫茲波垂直入射到樣件上時(shí),有上表面、基底及缺陷的反射回波出現(xiàn),除此以外,波形比較平滑;當(dāng)樣件相對(duì)于入射的太赫茲波傾斜1°和樣件上表面相對(duì)于下表面傾斜2°時(shí),在上表面回波后緊隨出現(xiàn)很多振蕩如圖8內(nèi)的插圖所示,由于樣件的傾斜,導(dǎo)致時(shí)域波形產(chǎn)生多次的振蕩峰谷。

圖8 不同入射角度下時(shí)域波形Fig.8 Time-domain waveforms at different incident angles

另一方面通過建立含有缺陷的三維玻纖復(fù)合材料仿真模型,得到當(dāng)玻纖復(fù)合材料傾斜1°時(shí)的時(shí)域波形如圖9,圖9(a)為通過FDTD建模獲取的梯形空氣槽缺陷在復(fù)合材料內(nèi)部3 mm處的時(shí)域波形,圖9(b)為利用THz-TDS系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部3 mm處的梯形空氣槽缺陷實(shí)際檢測(cè)獲取的時(shí)域波形圖,圖9(c)和(d)分別是介質(zhì)材料為聚四氟乙烯材料的分層缺陷在復(fù)合材料內(nèi)部5 mm處的FDTD仿真獲取和THz-TDS系統(tǒng)實(shí)際檢測(cè)獲取的時(shí)域波形。

圖9 FDTD數(shù)值仿真和THz-TDS實(shí)際檢測(cè)分層缺陷時(shí)域波形(a):FDTD數(shù)值仿真3 mm深度處空氣分層缺陷時(shí)域波形;(b):THz-TDS實(shí)際檢測(cè)3 mm深度處空氣分層缺陷時(shí)域波形;(c):FDTD數(shù)值仿真5 mm深度處聚四氟乙烯分層缺陷時(shí)域波形;(d):THz-TDS實(shí)際檢測(cè)5 mm深度處聚四氟乙烯分層缺陷時(shí)域波形Fig.9 Time-domain waveforms of FDTD numerical simulation and THz-TDS actual detection of layered defects(a):FDTD numerical simulation of time-domain waveforms of air layering defects at a depth of 3 mm;(b):Time-domain waveforms of air layering defects by THz-TDS actually detects at a depth of 3 mm;(c):FDTD numerical simulation of time-domain waveforms of PTFE delamination defects at a depth of 5 mm;(d):Time-domain waveform of PTFE delamination defect detected by THz-TDS at a depth of 5 mm

從圖9可以觀察到,當(dāng)玻纖復(fù)合材料內(nèi)部不同深度處存在不同類型的缺陷時(shí),根據(jù)太赫茲波在不同介質(zhì)的分界面會(huì)發(fā)生反射的物理現(xiàn)象,從時(shí)域波形中可以看到,在樣件上表面和下表面反射回波之間,還存在著第三處較強(qiáng)的反射回波,如圖9(a)和(b)中紫色橢圓標(biāo)注位置,即是距離復(fù)合材料上表面3 mm處空氣缺陷的時(shí)域波形;如圖9(c)和(d)中綠色橢圓標(biāo)注位置,即是距離復(fù)合材料上表面5 mm處聚四氟乙烯缺陷的時(shí)域波形,由于空氣對(duì)太赫茲波的吸收相對(duì)聚四氟乙烯對(duì)太赫茲波的吸收較弱,可以從特征波形處發(fā)現(xiàn)空氣處的反射回波相對(duì)較強(qiáng),且隨著缺陷深度的增加,在時(shí)域波形上缺陷的特征波形出現(xiàn)的時(shí)間也逐漸延后。同樣可以觀察到,在數(shù)值建模時(shí)設(shè)置復(fù)合材料整體傾斜1°時(shí)獲得的時(shí)域波形與使用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)檢測(cè)獲得的時(shí)域波形趨勢(shì)是一致的,說(shuō)明數(shù)值建模的狀態(tài)與實(shí)際檢測(cè)時(shí)的狀態(tài)高度一致,同時(shí)也驗(yàn)證了在實(shí)際檢測(cè)時(shí),由于精度的影響,太赫茲波不會(huì)完全垂直入射到被檢材料表面,因此在檢測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)干涉條紋進(jìn)而影響缺陷的識(shí)別。

2.2 C-Scan成像分析

在利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)含有缺陷的復(fù)合材料進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)后,對(duì)不同深度處的缺陷進(jìn)行層析成像時(shí),發(fā)現(xiàn)在缺陷處出現(xiàn)了隨時(shí)間交替變化的條紋,條紋的移動(dòng)掩蓋了缺陷的形狀,對(duì)此,使用時(shí)域有限差分技術(shù)模擬了太赫茲波在不同折射率的材料分界面?zhèn)鞑ヌ匦?根據(jù)實(shí)際的檢測(cè)情況,建立反射式檢測(cè)模型,分別對(duì)不同角度入射到玻纖復(fù)合材料的太赫茲波在材料中的傳播進(jìn)行建模分析。獲得了分層缺陷距離材料表面1、3和5 mm處的層析成像。如圖10所示是理想狀態(tài)下THz-TDS系統(tǒng)檢測(cè)復(fù)合材料的情況,將太赫茲波垂直入射到材料表面,通過C-Scan成像方式對(duì)不同深度的缺陷進(jìn)行成像結(jié)果如圖11。

圖10 太赫茲波垂直入射時(shí)建模示意圖Fig.10 Schematic diagram of modeling when terahertz waves are incident vertically

圖11(a—c)分別為在不同時(shí)刻對(duì)不同深度處的缺陷成像,分層缺陷距離復(fù)合材料上表面的距離分別是1、3和5 mm,下文中將其分別稱為上層缺陷、中層缺陷和下層缺陷。其中邊緣位置處的梯形缺陷的介質(zhì)為空氣,中間三處不同直徑的圓形缺陷的介質(zhì)為聚四氟乙烯。從圖11的三幅圖中可以看到,當(dāng)太赫茲波垂直入射到復(fù)合材料表面時(shí),不同深度的缺陷成像清晰,形狀輪廓明確,由于材料對(duì)太赫茲波的吸收等現(xiàn)象存在,隨著太赫茲波在材料內(nèi)部的傳播的距離增加,其能量逐漸減弱,從圖11(a)—(c)中可明顯發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象,距離復(fù)合材料上表面最近的幾處缺陷,在成像圖中能量較強(qiáng),距離復(fù)合材料上表面最遠(yuǎn)處的缺陷,成像圖中的能量相對(duì)減弱。太赫茲波垂直入射到規(guī)則的復(fù)合材料表面的情況是在理想的情況下,觀察成像圖,隨著時(shí)間的增加,每一層的缺陷均可清晰的成像。

結(jié)合實(shí)際的檢測(cè)環(huán)境狀態(tài),在實(shí)際用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行檢測(cè)過程中,出射太赫茲波的鏡頭會(huì)與被檢測(cè)樣件存在小角度的傾斜角,導(dǎo)致太赫茲波不會(huì)百分之百垂直入射到復(fù)合材料的表面,對(duì)此,通過模擬太赫茲波以1°傾角入射到被測(cè)的復(fù)合材料上表面后來(lái)觀察C-Scan的成像圖。如圖12是太赫茲波傾斜1°時(shí)的建模圖。缺陷的折射率、位置及大小均與垂直入射時(shí)的一致。

圖12 THz波以1°傾斜角入射時(shí)FDTD數(shù)值模擬示意圖Fig.12 Schematic diagram of FDTD numerical simulation when THz wave is incident at an oblique angle of 1°

從圖中可以看到,被測(cè)材料與入射的太赫茲波存在夾角時(shí),在采集由樣品返回的太赫茲波信號(hào)過程中,由于光程差的存在,會(huì)發(fā)生兩束或多束光相干疊加形成干涉,干涉現(xiàn)象的存在影響缺陷的清晰成像,圖13—圖15為被測(cè)材料傾斜1°時(shí)的C-Scan成像圖。

圖13 上層缺陷C-Scan成像圖(a):103.845 ps;(b):107.798 ps;(c):108.292 psFig.13 C-Scan image of upper defect(a):103.845 ps;(b):107.798 ps;(c):108.292 ps

觀察圖13發(fā)現(xiàn),距離被檢材料上表面1 mm的缺陷處,在103.845～108.292 ps時(shí)刻范圍內(nèi),隨著時(shí)間的變化,缺陷處產(chǎn)生了強(qiáng)度交替變化的條紋,可以觀察到,條紋是等間距分布的,在103.845 ps時(shí)刻下,中間三處不同直徑的圓形缺陷由于條紋的存在,其原本的形狀被破壞,同樣,兩邊緣位置的梯形缺陷,也因條紋的出現(xiàn)其形狀無(wú)法識(shí)別,隨著時(shí)間的推移,條紋逐漸掩蓋了缺陷的信息,使得上層的缺陷無(wú)法清晰成像。

圖14為距離玻纖復(fù)合材料上表面3 mm的缺陷處,兩種形狀的缺陷成像圖,與上層出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象,條紋的分布是等間距的,在131.104 ps時(shí)刻下,條紋的出現(xiàn)使得中間層的五處缺陷僅能識(shí)別出大致的位置,邊緣位置的兩處梯形介質(zhì)為空氣,因而在圖中也可看到其能量略高于中間的聚四氟乙烯介質(zhì)。在131.104～143.209 ps之間,無(wú)法找到一個(gè)可以清晰識(shí)別缺陷的時(shí)間點(diǎn),隨著時(shí)間的推移,缺陷的輪廓由隱約可見到幾乎完全被條紋吞沒。

圖14 中間層缺陷C-Scan成像圖(a):131.104 ps;(b):141.398 ps;(c):143.209 psFig.14 C-Scan imaging diagram of middle layer defect(a):131.104 ps;(b):141.398 ps;(c):143.209 ps

圖15為距離被檢材料上表面5 mm處的缺陷,由于缺陷位于復(fù)合材料內(nèi)不同的深度處,故在C-Scan成像中隨著距離的增加,缺陷成像的時(shí)間也是逐步遞增的,但仍然可以觀察到,缺陷并不是有著完整的清晰的邊界,同樣在缺陷處以及背景中出現(xiàn)隨時(shí)間擴(kuò)散的干涉條紋。

圖15 下層缺陷C-Scan成像圖(a):163.715 ps;(b):165.197 ps;(c):166.432 psFig.15 C-Scan imaging diagram of the underlying defect(a):163.715 ps;(b):165.197 ps;(c):166.432 ps

與太赫茲波垂直入射到復(fù)合材料表面時(shí)的成像對(duì)比,明顯地觀察到,當(dāng)太赫茲波以1°傾斜角入射到被測(cè)的復(fù)合材料表面時(shí),由于太赫茲探測(cè)器接收到由被檢測(cè)材料反射回的回波之間光程差的不同,發(fā)生了干涉現(xiàn)象,故在成像時(shí)發(fā)生了隨時(shí)間交替變化的亮暗條紋,條紋隨時(shí)間的移動(dòng)以及能量強(qiáng)弱變化,使得在復(fù)合材料內(nèi)部不同深度處的缺陷無(wú)法清晰成像。

另一方面,常用的玻纖復(fù)合材料以樹脂為基體,玻璃纖維及其制品通過纏繞、人工糊制及壓制成型工藝制備的復(fù)合材料,考慮到制作被檢樣件工藝精度的因素,可能使得制備的樣件存在上下表面不平行的情況,在實(shí)際太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)過程中,同樣會(huì)對(duì)檢測(cè)缺陷帶來(lái)影響,對(duì)上述問題同樣使用時(shí)域有限差分技術(shù)在理論上進(jìn)行分析,建模的模型示意圖如圖16所示。

圖16 玻纖復(fù)合材料上下表面傾斜2°時(shí)FDTD數(shù)值模擬示意圖Fig.16 Schematic diagram of FDTD numerical simulation when the upper and lower surfaces of the glass fiber composite material are inclined by 2°

此模型設(shè)置被檢樣件上表面相對(duì)下表面有2°的傾斜,其他缺陷的性質(zhì)及材料的特性均與上述相同,此處不做過多贅述。同樣通過C-Scan對(duì)不同深度處的缺陷進(jìn)行成像,成像圖如圖17—圖19。

圖17 上層缺陷C-Scan成像圖(a):120.571 ps;(b):121.356 ps;(c):122.137 psFig.17 C-Scan image of upper defect(a):120.571 ps;(b):121.356 ps;(c):122.137 ps

圖17是被檢樣件上表面相對(duì)下表面傾斜2°時(shí),缺陷距離被檢件上表面1 mm處的成像,從圖中看到,在120.571～122.137 ps時(shí)間內(nèi),在缺陷處出現(xiàn)了隨時(shí)間擴(kuò)散的亮暗交替的干涉條紋,即使直徑只有5 mm的缺陷,也存在此種情況。

圖18是樣件上表面相對(duì)下表面傾斜2°時(shí),缺陷距離被檢件3 mm處成像圖,在中間缺陷位置處,五處缺陷所處的位置能夠觀察到,但隨著時(shí)間133.758～135.735 ps的增加,在缺陷內(nèi)部有明暗交替的條紋,條紋是向傾斜角的對(duì)邊方向移動(dòng),與理論上的干涉條紋移動(dòng)方向是一致的,條紋的干擾無(wú)法清晰地識(shí)別出缺陷的形狀。

圖18 中間層缺陷C-Scan成像圖(a):133.758 ps;(b):134.747 ps;(c):135.753 psFig.18 C-Scan imaging diagram of middle layer defect(a):133.758 ps;(b):134.747 ps;(c):135.753 ps

圖19是樣件上表面相對(duì)下表面傾斜2°時(shí)缺陷距離被檢件上表面5 mm處的成像圖,在147.356～149.416 ps時(shí)刻范圍內(nèi),此深度的缺陷相對(duì)中間層和上層缺陷成像不是十分清晰,一方面是此處的太赫茲波能量較低導(dǎo)致,另一方面是樣件傾斜在缺陷處產(chǎn)生的干涉條紋所致。

圖19 下層缺陷C-Scan成像圖(a):147.356 ps;(b):148.262 ps;(c):149.416 psFig.19 C-Scan imaging diagram of the underlying defect(a):147.356 ps;(b):148.262 ps;(c):149.416 ps

通過對(duì)比時(shí)域波形圖9(a)和(b)可發(fā)現(xiàn),當(dāng)缺陷處的介質(zhì)為空氣時(shí),時(shí)域波形中在上表面回波和下表面回波中間位置處的回波發(fā)生了“谷到峰”的變化,說(shuō)明太赫茲波在材料中傳播到此位置時(shí),材料內(nèi)部的折射率發(fā)生了變化,使得太赫茲波在兩種介質(zhì)的分界面一部分發(fā)生了反射,另一部分繼續(xù)向前傳播;缺陷處的波形發(fā)生“谷到峰”的變化是由于當(dāng)光從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時(shí),反射光會(huì)發(fā)生π的相位轉(zhuǎn)變,材料中以空氣介質(zhì)為缺陷處的折射率小于玻纖復(fù)合材料的折射率,故在波形上表現(xiàn)出“谷峰”的變化;同理對(duì)比圖9(c)和圖9(d),FDTD仿真波形和實(shí)際檢測(cè)的波形都在接近下表面回波的位置前時(shí)域波形發(fā)生了變化,同樣說(shuō)明此處介質(zhì)的折射率產(chǎn)生了變化,較空氣而言,聚四氟乙烯對(duì)太赫茲波的吸收相對(duì)較強(qiáng)且太赫茲波傳播到下表面時(shí)能量減弱,因此缺陷處波形的振幅較低。對(duì)比建模波形和實(shí)際檢測(cè)波形可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)太赫茲波與樣件表面存在1°左右的入射角時(shí),建模獲得的波形和實(shí)際檢測(cè)得到的波形的波形趨勢(shì)是一致的,說(shuō)明數(shù)值仿真的狀態(tài)與實(shí)際檢測(cè)具有高度一致性。

對(duì)比C-Scan缺陷成像圖,將太赫茲波垂直入射到玻纖復(fù)合材料表面的理想狀態(tài)下的成像結(jié)果即圖11作為對(duì)照組,可觀察到在理想狀態(tài)下,即被檢測(cè)復(fù)合材料是完美的幾何體,太赫茲波垂直入射到其表面,在C-Scan成像圖中分別對(duì)上中下層的缺陷成像,每一深度處的圓形和梯形的缺陷均可以清晰的展現(xiàn)出來(lái),不存在條紋的影響;而當(dāng)太赫茲波以1°傾斜角入射在樣件表面時(shí),從成像圖13—圖15中發(fā)現(xiàn),在對(duì)每一深度處的缺陷成像時(shí),出現(xiàn)了亮暗變化的干涉條紋,隨著時(shí)間的變化,條紋也發(fā)生擴(kuò)散移動(dòng),使得當(dāng)條紋移動(dòng)到缺陷位置時(shí),與缺陷的位置重合,導(dǎo)致缺陷和其邊緣信息被掩蓋,無(wú)法清晰識(shí)別缺陷的形狀;同樣,當(dāng)由于樣件本身不平整時(shí),也使得太赫茲波無(wú)法垂直入射到其表面,由于光程差的不一致,導(dǎo)致了干涉條紋的產(chǎn)生。圖17—圖19所示,由于干涉現(xiàn)象的存在,在采集由樣件反射回的太赫茲信號(hào)時(shí)兩束或多束光相干疊加,在缺陷處及背景內(nèi)產(chǎn)生了隨時(shí)間變化的干涉條紋,影響了缺陷成像的清晰度,成像中缺陷的邊緣相對(duì)比較模糊,且隨著太赫茲波在樣件內(nèi)傳播距離的增加,由于材料對(duì)太赫茲波的吸收和散射等因素,其能量逐漸減弱,導(dǎo)致距離被測(cè)件上表面位置最深處的缺陷成像相對(duì)模糊。

3 結(jié) 論

采用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部缺陷檢測(cè)時(shí),為了檢測(cè)人員快速準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)合材料質(zhì)量進(jìn)行判別評(píng)估,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行成像是直觀的表現(xiàn)方式,但發(fā)現(xiàn)在缺陷層析成像過程中存在隨時(shí)間擴(kuò)散的條紋,條紋的存在掩蓋了缺陷的形狀等信息,使得難以對(duì)缺陷清晰成像,對(duì)于此種情況,依據(jù)實(shí)際的檢測(cè)狀態(tài),結(jié)合時(shí)域有限差分技術(shù)在理論上模擬了太赫茲波傾斜入射以及樣件自身不平整狀態(tài)下太赫茲波的傳播模型,并以C-Scan成像方式發(fā)現(xiàn)當(dāng)太赫茲波與樣件存在微小的入射角度時(shí),由于光程差的不同,在接收由樣件反射回的信息時(shí)會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象,干涉現(xiàn)象導(dǎo)致成像圖中出現(xiàn)干涉條紋。通過理論的數(shù)值建模分析,總結(jié)了出現(xiàn)條紋的原因,為太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)實(shí)際檢測(cè)復(fù)合材料中存在的條紋現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。