王若男,李 勇,2,回沛林,2,方 陽,陳振茂

(1.西安交通大學(xué) 機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點試驗室陜西省無損檢測與結(jié)構(gòu)完整性評價工程技術(shù)研究中心,西安 710049;2.福建技術(shù)師范學(xué)院 無損檢測技術(shù)福建省高校重點試驗室,福清 350300)

聚乙烯(PE)材料高強、高模、輕質(zhì)、抗?jié)衽c抗腐蝕性能好、抗沖擊性能優(yōu)異,不但在燃?xì)夤芎徒o排水管領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1],而且適用于各種飛機翼尖整流罩結(jié)構(gòu)、武裝直升機與戰(zhàn)斗機的殼體制造中[2]。作為管材與耐沖擊材料,聚乙烯結(jié)構(gòu)在服役過程中易遭受沖擊、腐蝕形成減薄缺陷,在生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)內(nèi)部夾雜。背面材料減薄缺陷與內(nèi)部夾雜缺陷統(tǒng)稱為埋深缺陷。埋深缺陷一旦出現(xiàn),會對結(jié)構(gòu)正常安全服役造成極大的威脅。因此,及時發(fā)現(xiàn)聚乙烯結(jié)構(gòu)內(nèi)部的埋深缺陷并對其實施有效的無損檢測對于保證結(jié)構(gòu)完整性、避免重大安全事故至關(guān)重要。目前,國內(nèi)外應(yīng)用于聚乙烯材料的無損檢測技術(shù)有紅外熱成像[3]、射線檢測[4]、超聲檢測[5-6]等。然而,這些方法對于聚乙烯的檢測仍存在許多不足。例如,紅外熱成像技術(shù)依賴于外部激勵強度且圖像分辨率低;聚乙烯材料對射線的吸收能力強而降低了檢測精度;超聲波在聚乙烯中的傳播能量衰減大而影響檢測能力[7]。

微波無損檢測基于微波的傳播特性獲取結(jié)構(gòu)信息,即在介電材料中傳播的微波遇到異質(zhì)界面時發(fā)生反射、散射與透射,微波場中形成的反射波和透射波隨著被測材料自身的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、所含缺陷尺寸大小的變化而變化,通過測量和分析這些變化量即可獲取材料信息,尤其是缺陷信息。微波檢測具有檢測頻帶寬、靈敏度高、穿透性強、非接觸、無電離輻射危害等顯著優(yōu)勢[8]。近年來,微波無損檢測已經(jīng)取得了長足的發(fā)展,LI等[9]通過微波遠(yuǎn)近場檢測結(jié)合的方法實現(xiàn)了加強筋復(fù)合板光纖褶皺缺陷的高分辨率成像;回沛林等[10]利用微波反射法對玻璃纖維增強復(fù)合材料局部損失缺陷實現(xiàn)了有效定量檢測及高精度成像。微波無損檢測技術(shù)在聚乙烯結(jié)構(gòu)檢測中的應(yīng)用也日益增多,RAHMAN 等[11]利用Ka波段的矩形波導(dǎo)對高密度聚乙烯管道進(jìn)行近場成像,發(fā)現(xiàn)其缺陷檢出效果可與相控陣超聲檢測的效果媲美;車飛等[12]對燃?xì)獍惭b現(xiàn)場的PE管熱熔接頭進(jìn)行微波檢測,所有外觀檢測合格的異常焊縫均被檢出;回沛林等[13]在C波段下試驗建立了反射系數(shù)幅值均值與空穴尺寸之間的單調(diào)映射關(guān)系。

鑒于此,文章根據(jù)微波反射法原理,通過系列試驗集中探究了PE結(jié)構(gòu)埋深缺陷的可視化定量評估關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比,雙脊波導(dǎo)具有工作頻帶寬、等效特性阻抗低、穩(wěn)定性高等顯著優(yōu)勢[14],但國內(nèi)外鮮有將其應(yīng)用于微波無損檢測中的相關(guān)報道。因此,文章采用的微波探頭包括了雙脊波導(dǎo)(工作頻段分別為11.0～26.5 GHz,18.0～40.0 GHz)和Ka波段的矩形波導(dǎo)(工作頻段為26.5～40.0 GHz),通過試驗研究,分析比較雙脊波導(dǎo)與矩形波導(dǎo)在PE結(jié)構(gòu)埋深缺陷微波檢測中的特點。

1 微波檢測原理及試驗平臺

1.1 微波反射法檢測原理

PE結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋深缺陷的微波無損檢測原理示意如圖1所示。微波探頭發(fā)射高頻電磁波,電磁波傳播主方向垂直于試件表面,入射波在PE試件表面(空氣-PE界面)發(fā)生反射,同時一部分入射波透射進(jìn)入試件內(nèi)部,該部分透射波繼續(xù)在異質(zhì)界面即缺陷輪廓邊界(PE-空氣界面、空氣-PE界面)和試件背面(PE-空氣界面)發(fā)生反射,各反射波最終被微波探頭接收形成反射波信號。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的分析計算,所獲反射波信號以反射系數(shù)(即S11參數(shù))的形式輸出成為微波檢測信號,該信號不僅表征反射波與入射波的能量之比,更蘊含了PE結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋深缺陷信息。

圖1 PE埋深缺陷的微波反射法檢測原理示意

針對PE結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋深缺陷的微波成像,以空氣(相對介電常數(shù)約為1.0)為參照對象,微波在空氣中的傳輸幾乎沒有損耗;與之相比,PE材料(相對介電常數(shù)一般為2.26)對微波具有介電損耗作用。相比無缺陷PE結(jié)構(gòu),微波輻射范圍內(nèi)的PE結(jié)構(gòu)如出現(xiàn)埋深缺陷,探頭所發(fā)射微波在PE材料中的傳輸路程更短,因此,內(nèi)含缺陷的PE材料對微波的介電損耗作用較弱,所得反射波能量大,相應(yīng)的S11參數(shù)值較大。同時入射波在缺陷邊緣處將發(fā)生大量散射,造成反射波能量的降低,S11參數(shù)值減小。在介電損耗和缺陷邊緣散射的綜合作用下,掃查所獲的缺陷區(qū)域微波檢測信號與無缺陷區(qū)域信號間存在幅值和相位上的差異,因此缺陷位置、尺寸等信息得以可視化。

1.2 試驗系統(tǒng)

搭建微波掃頻定量檢測PE板件內(nèi)部埋深缺陷的試驗系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)由微波探頭、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Keysight N5224A)、PE 試件、掃描臺控制器、三軸掃描臺及計算機組成。在計算機的控制下,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀產(chǎn)生一定工作頻段的電磁波激勵信號(輸出能量為5.0 d Bm)用以驅(qū)動微波探頭向外部定向輻射微波,微波經(jīng)一定空氣域后垂直入射進(jìn)入待測PE試件;微波探頭同時接收反射波,將其送回至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行分析,從而獲得微波探頭位置處對應(yīng)的S11參數(shù),即微波檢測信號。試驗中,微波探頭固定于由計算機控制的掃描臺上,對試件進(jìn)行二維平面掃查,掃查范圍(長×寬)為200 mm×200 mm,步長為2 mm×2 mm。探頭與PE試件間的提離距離為1.0 mm。試驗系統(tǒng)中各微波探頭的工作頻段及探頭尺寸如表1所示。為有效對比不同微波探頭的檢測能力,針對各探頭,除設(shè)置不同工作頻段外,試驗系統(tǒng)的其他參數(shù)均保持不變。

表1 微波檢測試驗探頭的工作頻段及口徑尺寸

試驗所采用的PE試件如圖3(a)所示,其整體尺寸(長×寬×厚)為200 mm×200 mm×25 mm,試件中預(yù)制缺陷的具體尺寸如圖3(b)所示,其中a和d分別為缺陷邊長以及直徑,h為缺陷深度。圖3中缺陷#8與#9模擬了PE板件內(nèi)部的夾雜缺陷。為模擬PE結(jié)構(gòu)埋深缺陷,試驗中設(shè)置未含有缺陷的試件表面朝向微波探頭。

圖3 PE試件實物與結(jié)構(gòu)尺寸

2 檢測結(jié)果與討論

2.1 缺陷的原始成像

試驗時,首先將微波探頭放置于缺陷#5中心,拾取微波檢測信號,同時測量試件無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的檢測信號用于對比分析,得到的微波檢測頻域信號如圖4(a)所示。由圖4(a)可以觀察到,缺陷中心處對應(yīng)的S11幅值曲線在整個掃頻范圍內(nèi)明顯低于無缺陷區(qū)域的檢測頻域信號。為進(jìn)一步分析檢測時域信號,提取掃頻頻帶中S11參數(shù)的實部和虛部,通過傅里葉逆變換獲得微波檢測時域信號如圖4(b)所示。由圖4(b)可見,缺陷處的微波檢測時域信號峰值略低于無缺陷區(qū)域?qū)?yīng)的信號峰值。與無缺陷區(qū)域相比,缺陷處時域信號與時間采樣點軸所圍面積較小。對圖4的分析表明,當(dāng)試件出現(xiàn)埋深缺陷時,微波探頭拾取的反射波能量降低。這是因為微波探頭所拾取的反射波不僅包含目標(biāo)缺陷的回波成分,還包括了由試件表面直接反射或探頭內(nèi)部空氣-口徑間自耦而形成的直達(dá)波。直達(dá)波不攜帶缺陷信息,然而其對應(yīng)信號強度遠(yuǎn)高于攜帶缺陷信息的缺陷回波信號強度。相較無缺陷情況,當(dāng)試件存在缺陷時,雖然直達(dá)波在微波檢測信號中占據(jù)主導(dǎo)地位,但缺陷回波占據(jù)一定反射波能量,造成直達(dá)波能量占比下降,因此,所接收微波檢測信號幅值減小。

圖4 試件的微波檢測頻域信號與時域信號

此外,圖4所示缺陷處與無缺陷處的檢測信號存在差異,表明微波檢測信號對于缺陷信息具有表征作用。由于時域信號與時間采樣點軸所圍面積(即時域信號面積)與缺陷尺寸存在關(guān)聯(lián)性[15],提取該面積作為各掃描點處微波檢測信號特征對各埋深缺陷進(jìn)行成像,成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 PE試件背面缺陷成像結(jié)果

由圖5可見,采用雙脊波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)均可對試件中各埋深缺陷實現(xiàn)可視化,其中,高頻段雙脊波導(dǎo)所得缺陷圖像清晰度最高,而低頻段雙脊波導(dǎo)所得缺陷圖像最為模糊。然而通過分析缺陷成像結(jié)果可以注意到,受直達(dá)波的影響,各探頭對應(yīng)的缺陷成像圖中缺陷區(qū)域與背景區(qū)域間的對比度均偏低。因此,為了目標(biāo)特征增強及缺陷圖像質(zhì)量提升,直達(dá)波抑制方法的研究十分必要。

2.2 直達(dá)波抑制方法及缺陷平面尺寸評估

考慮到直達(dá)波對埋深缺陷微波檢測的不利影響,在相關(guān)文獻(xiàn)[16]的基礎(chǔ)上,探究基于奇異值分解(Singular value decomposition,SVD)的微波近場檢測直達(dá)波抑制方法。利用試驗測得的S11參數(shù)數(shù)據(jù)(如S11實部)建立m×n數(shù)據(jù)矩陣A,其中,m為工作頻段內(nèi)的頻率點數(shù),n為微波探頭掃查點數(shù)。對A進(jìn)行奇異值分解

式中:U和V分別為m×m和n×n正交矩陣;S為m×n對角矩陣,其具體形式為

式中:σi(i=1,2,…,r)為A的奇異值,存在數(shù)值關(guān)系σ1≥σ2≥…≥σr, 其中r為A的秩。

一般說來,奇異值的分布曲線呈現(xiàn)正倒數(shù)函數(shù)的趨勢,即第一個奇異值最大,隨后的奇異值發(fā)生陡降,逐漸趨于平緩,最后趨于0。在σi中,數(shù)值相對較大的奇異值蘊含更多的圖像信息,其中數(shù)值最大的奇異值與檢測信號中直達(dá)波成分間的關(guān)聯(lián)度最高。因此,在具體直達(dá)波抑制處理中,首先對A進(jìn)行SVD分解獲得U、V和S,然后將S中矩陣對角線上前兩個或前三個數(shù)值最大的奇異值人為置0,隨后將處理后的S代入到公式 (1) 中,結(jié)合已求得的U和V重構(gòu)矩陣A。對于S11實部數(shù)據(jù)和S11虛部數(shù)據(jù)按照上述方法處理,獲得直達(dá)波抑制后的S11實部數(shù)據(jù)陣Are和S11虛部數(shù)據(jù)陣Aim。基于Are和Aim,通過傅里葉逆變換獲得其對應(yīng)的時域信號數(shù)據(jù),并提取時域信號面積進(jìn)行缺陷成像,直達(dá)波抑制后的微波檢測信號如圖6所示。

圖6 直達(dá)波抑制后的微波檢測信號

從圖6中可以看到,直達(dá)波抑制后非缺陷點的時域信號和頻域信號均位于缺陷點信號的下方,與圖4相比,直達(dá)波抑制后缺陷處與非缺陷處的信號差異被顯著放大。且圖6(b)中非缺陷點的時域信號接近于0,這說明SVD直達(dá)波消除方法極大地抑制了非缺陷點的微波檢測信號。提取時域信號面積進(jìn)行缺陷成像,直達(dá)波抑制后的試件缺陷成像結(jié)果如圖7所示。

圖7 直達(dá)波抑制后的PE試件背面缺陷成像結(jié)果

通過對比圖5和圖7可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)所提直達(dá)波抑制算法處理后,重建的缺陷圖像對比度顯著提高,可清晰呈現(xiàn)缺陷輪廓。從圖7亦可看出,矩形波導(dǎo)與高頻段雙脊波導(dǎo)的缺陷成像效果較好,且在對缺陷#7的可視化方面,矩形波導(dǎo)最優(yōu)。低頻段雙脊波導(dǎo)的缺陷成像效果依舊較差,缺陷邊緣存在失真。圖7中缺陷區(qū)域呈現(xiàn)為高亮色,表明經(jīng)過文章方法處理后,直達(dá)波在檢測信號中占比顯著減少,信號特征對缺陷的響應(yīng)靈敏度、缺陷圖像與缺陷回波間的關(guān)聯(lián)得以有效提升,成像結(jié)果反映出了更為豐富的缺陷信息。

為了定量分析直達(dá)波抑制前后圖像質(zhì)量的提升,利用公式 (3) 分別計算各缺陷成像圖的信噪比

式中:ad和ab分別為缺陷區(qū)域、無缺陷區(qū)域(背景)的信號特征均值。

直達(dá)波抑制前后的信噪比計算結(jié)果如表2所示。

表2 直達(dá)波抑制前后的信噪比

由表2中數(shù)據(jù)可以看出,在直達(dá)波抑制處理后,各微波探頭所獲取的缺陷圖像質(zhì)量均得到了明顯提升,且矩形波導(dǎo)在直達(dá)波抑制前后的成像質(zhì)量均為最佳。抑制后的低頻段雙脊波導(dǎo)對應(yīng)的缺陷圖像信噪比雖然高于高頻段雙脊波導(dǎo)的,但其成像圖中存在兩個高亮的缺陷區(qū)域。綜合比較表明,低頻段雙脊波導(dǎo)的缺陷成像效果實則不如高頻段雙脊波導(dǎo)的成像效果。

從圖7所示缺陷成像圖中提取穿過缺陷中心的掃查曲線,提取掃查曲線中極大值對應(yīng)的位置坐標(biāo)作為缺陷中心,隨后提取缺陷中心左右兩邊相鄰的極小值點位置坐標(biāo)作為缺陷邊緣,進(jìn)一步獲得各埋深缺陷的二維平面尺寸。圖7所示圖像對應(yīng)的各缺陷面積評估值如表3所示。由表3可見,高頻段雙脊波導(dǎo)缺陷成像圖中所測得的缺陷平面尺寸精度最高,矩形波導(dǎo)次之,低頻段雙脊波導(dǎo)精度最差。綜合分析表明,采用高頻段雙脊波導(dǎo),結(jié)合所提基于SVD的直達(dá)波抑制方法,可實現(xiàn)對PE構(gòu)件埋深缺陷精度較高的微波近場檢測及可視化定量評估。

表3 圖7所示圖像對應(yīng)的各缺陷面積評估值 mm2

3 結(jié)論

建立了微波掃頻定量檢測試驗平臺,通過系列試驗探究了PE結(jié)構(gòu)埋深缺陷高精度成像的核心方法。試驗中使用11.0～26.5 GHz的雙脊波導(dǎo),18.0～40.0 GHz的雙脊波導(dǎo)及26.5～40.0 GHz的矩形波導(dǎo)3種微波探頭分別對PE試件進(jìn)行測量,提取時域信號面積作為信號特征進(jìn)行缺陷成像,并利用基于SVD的直達(dá)波抑制算法實現(xiàn)高質(zhì)量缺陷成像,得出以下結(jié)論。

(1)SVD 直達(dá)波抑制算法有效地抑制了實際檢測中的直達(dá)波,顯著提升了缺陷成像質(zhì)量。

(2)3種微波探頭都可以檢測出PE試件中所有類型的埋深缺陷。矩形波導(dǎo)所測缺陷成像圖像的信噪比最高,即圖像質(zhì)量最好;同時,18.0～40.0 GHz的雙脊波導(dǎo)所測得的缺陷尺寸精度最高。