太赫兹光谱技术在直升机中的应用_张学薇.pdf

中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-32-航空航天纤 维 增 强 复 合 材 料（fiber reinforced materials，FRM）由于其轻且强的特点，被广泛地应用于军事及民用工业的各个领域，在航空航天所作出的卓越贡献尤其受瞩目。复合材料结构在疲劳载荷的循环作用下容易产生微小裂纹，裂纹扩展缓慢，因此具有更高的疲劳寿命。但是复合材料在生产制造过程中，容易产生缺陷和损伤，影响其性能和寿命。此外，当复合材料应用于直升机旋翼时，高速旋转的桨叶桨尖速度可达到 290m/s，直升机服役期间桨叶容易产生内部损伤，难以通过目视、敲击等常规检查手段判断内部损伤。直升机复合材料桨叶常见的缺陷包括裂纹、分层、开胶、穿孔等，引起结构强度、刚度下降，大大影响直升机结构的安全性。无损检测（nondestructive testing，NDT）技术是指在不对材料或结构造成性能、形状、内部结构破坏的情况下，对材料内部或表面的各种宏观缺陷或组织结构上的差异进行评价的技术。复合材料的无损检测技术与金属/合金材料大有不同，国外经过大量的试验和理论分析，发现必须针对复合材料探索新技术、新方法。目前，航空复合材料上常用的无损检测技术有超声波检测、声发射检测、振动检测、渗透检测、工业 CT 检测、太赫兹光谱检测等。超声波检测因其穿透力强，灵敏度高的特点，结合成像技术可以实现复合材料内部缺陷信息图像的获取。刘松平等利用短波长超声成像技术实现了对碳纤维增强复合材料的层间界面缺陷检测。陈大鹏等对碳纤维复合材料和含预置缺陷的有机玻璃板进行超声检测。然而，超声检测对平面型缺陷检测灵敏度较高，对复杂界面或粗糙界面检测效果较一般，且对缺陷种类无法区分。声发射检测技术的原理是利用缺陷处的应力再分布释放应变能，其优点是效率高、精度高，可实现连续监控，对结构的形状要求低，但纤维复合材料质地疏松且绝热性好，对声波造成极大的散射，信号衰减大，需结合信号识别和去噪算法进行检测。ofer 等通过声发射检测技术和无监督模式识别技术对三种类型的含缺陷碳纤维复合材料管进行识别，并指出分层缺陷和脱粘失效模式的频谱十分相似，难以区分。太赫兹检测技术作为一种新的无损检测技术，我国在2005 年专门召开香山科学会议，确立了太赫兹技术的战略地位，也是从此国内专家才开始展开广泛的研究。太赫兹（Terahertz，THz）波是指波长介于微波和红外辐射之间的一段特殊的电磁波，其频率范围为 0.110THz（1 THz=1 012 Hz），波长范围为 3 00030m。利用太赫行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度太赫兹光谱技术在直升机中的应用张学薇 龚明程张学薇 龚明程中国直升机设计研究所张学薇（1993），女，博士研究生，工程师。主要研究方向为直升机复合材料缺陷和损伤研究。-33-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期航空航天兹波对非极性材料具有良好的穿透能力，而极性材料吸收太赫兹波的原理，可以实现复合材料桨叶的无损检测。本文首先介绍了太赫兹光谱的成像原理和特点，然后阐述了太赫兹光谱在非金属复合材料性能和缺陷检测方面的最新进展，最后总结了太赫兹无损检测技术的技术难点和问题，并对其未来的发展进行了展望。太赫兹光谱技术太赫兹光谱技术的特点从频谱上看，太赫兹波的频率和波长介于微波和红外波之间，是光学技术与电子学技术的过渡，如图 1 所示。从光学领域看，太赫兹波又被称为远红外射线，在某些场合特指频率在 0.33THz 之间的波段；从电子学领域看，太赫兹波的能量介于电子和光子之间，一个频率为 1THz 的量子能量仅为 4.10meV。太赫兹波与其它电磁波相比，具有非常独特的优势：（1）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽为皮秒量级，可以进行时间分辨光谱的研究，通过相干取样测量技术，可以有效去除背景噪声的干扰；（2）高信噪比：通过相干取样测量技术，可以实现高信噪比，在 10GHz 到 4THz 频率范围内，太赫兹时域光谱（terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）测量的信噪比可以达到 104 以上，远高于傅里叶变换红外光谱技术（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）（约 300），且具有更好的稳定性；（3）相干性：这是由太赫兹源的相干产生机制所决定的。太赫兹脉冲通常是由相干电流驱动偶极子发生振荡产生的，或是由相干激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。通过测量太赫兹辐射电场的相位、振幅等信息，可以分析结构的折射率、吸收系数等光学参数，而传统的 FTIR 技术只能测量出电场的强度信息；（4）低能性：太赫兹光子能量低，比 X 射线的光子能量弱百万级以上，因此，太赫兹波在使用中不会对检测样本或生物组织产生光致电离及破坏，对测试人员也很友好，可以称为是一种“无损害/无破坏”的检测技术；（5）高穿透性：太赫兹波在非极性材料中具有良好的穿透能力，在极性材料中具有良好的吸收率，在材料发生变化处（如蒙皮脱粘，泡沫缺损，纤维束褶皱、断裂、分层等缺陷）折射率发生明显差异，可以在成像中明显区分缺陷位置、尺寸及类型。（6）低损耗性：太赫兹波的波长远大于空气尘埃和烟尘颗粒，因此在恶劣的烟尘环境中仍然可以识别信号，损耗接近于零；脉冲太赫兹成像的优势在于成像质量高、信息量大，包含如强度、相位、折射率等信息，每一个成像点对应一个时域波形，选择任意一个数据点的振幅或相位，可以重构出结构的空间密度分布、折射率、厚度等，但是成像时间长，对于直升机桨叶这种体积较大的结构，成像速度慢限制了脉冲太赫兹成像的应用。连续太赫兹成像检测速度相较脉冲太赫兹成像快几个数量级，且发射功率更低，抗干扰能力更强，既符合当前太赫兹源的功率水平，又满足军事应用中的安全要求，同时由于发射源质量轻、体积小等优点，在航空航天等有实时检测需求的领域应用更为广泛。不过连续太赫兹成像的劣势也十分明显，只能得到单一的幅值信息，获取结构的内部形貌、复合材料的粘接等信息。太赫兹光谱成像原理Zomega 公 司 生 产 的 THz-TDS 系 统，系 统 带 宽0.1THz 4THz，动态范围大于 58dB，时间延迟 100ps，系统包括光纤飞秒激光器、发射器和探测器，可提供反射模式、透射模式。其原理为光纤飞秒激光器以 100MHz 的频率发射中心波长为 1 560nm 的激光脉冲波，并与光导天线相互作用，产生太赫兹脉冲；太赫兹脉冲通过透镜聚焦到材料表面，并在界面处发生反射和透射，再通过透镜将产生的脉冲信号聚焦到探测器上；将采集到的太赫兹脉冲信号传输到上位机进行下一步的解析。图 2 展示了透射模式 THz-图 1 电磁波谱图 2 透射模式 THz-TDS 系统示意图图 3 反射模式 THz-TDS 系统示意图中国科技信息 2023 年第 7 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-34-航空航天TDS 系统示意图。图 3 展示了反射模式 THz-TDS 系统示意图。因此，通过 THz-TDS 系统反射电场和透射电场，可以获得材料的全部介电信息。当材料局部含有缺陷时，反射电场和透射电场信号会发生变化，通过传递函数建立缺陷与反射、透射信号的联系，反演得到缺陷区域的位置、形状、大小、类型等信息。以夹杂缺陷为例，建立如图 4 所示的模型，其中区域 1表示材料本体，区域 2 表示夹杂物，区域 3 表示自由空间，即环境空气，并由此产生 4 个界面，分别为环境与材料之间、材料与夹杂物之间各 2 个界面，从上至下分别称为第i个界面（i=1，2，3，4）。n1、n2、n3分别表示材料本体、夹杂物、环境空气的折射率，ERi（f）表示第i个界面处的反射脉冲信号，ETi（f）表示第i个界面处的透射脉冲信号。首先，太赫兹脉冲从环境入射到材料表面，在第 1 个界面处产生反射和透射，经过层内信号衰减，到达第 2 个界面并继续产生反射和透射，以此类推。经过层内衰减和界面反射与透射，最终向环境输出反射和透射信号，即图中的ER1（f）和ET5（f）。本文采用传递矩阵建立多层传播模型，推导透射模式下的传递函数，建立透射信号与入射信号的关系矩阵。Dl，l+1矩阵表示不同光学材料常数的第l层和第l+1 层介质界面之间的太赫兹的传播，如式（1）所示。,1,1,1,1111l ll ll ll lrrt+=|D （1）其中，rl，l+1表示第l层和第l+1 层介质界面的菲涅尔反射系数，tl，l+1表示第l层和第l+1 层介质界面的菲涅尔透射系数。1,11lll lllnnrnn+=+（2）,112ll lllntnn+=+（3）Pl矩阵表示太赫兹波在第l层内传播过程中的相位变化，如式（4）所示。()?1100lllli n dli n dee+=|P （4）对图 4 所示的 5 层模型，通过矩阵相乘得到矩阵Mtotal，如式（5）所示。51112,1,102122totall ll liMMMM+=|MPD （5）因此，得到透射模式下的传递函数为：()()111THM=（6）因此，透射信号()5TEf与入射信号()1TEf之间的关系为：()()1511TTEfEfM=（7）太赫兹复合材料特性和缺陷检测研究进展太赫兹波的独特优势引起了国内外研究学者的关注，目前，太赫兹光谱技术的研究与应用仍处于上升阶段。（1）成像系统张振伟等建立了一套高功率、宽频谱范围的透射式逐点扫描太赫兹成像装置，实现了对非透明的电介质材料内部样品信息的检测。刘英等建立了谐衍射/折射太赫兹多波段成像系统，解决了系统的放大率随波长改变的缺点。利用谐衍射元件独特的色散性质，将谐衍射透镜应用于 1450m 太赫兹成 像 系 统 中，使 系 统 在 15.816.2m、18.520m、2325m、30.533.5m 和 4650m 5 个谐振波段内的轴向像差最大控制在0.75mm以下，像高恒为6.74mm。所建立的成像系统不仅使图像具有丰富的信息量，而且保证了焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度，便于实现高精度的精密探测。杨秀蔚等将聚乙烯和聚氯乙烯制成层状复合材料，利用THz-TDS 系统分析片剂内部聚氯乙烯薄片的位置和形状等信息，通过实验验证了所建立的基于 Rouard 等效界面理论的透射模式下太赫兹波的理论传输模型。（2）材料特性研究Wietzke 等实现了对玻璃纤维复合材料的识别和表征，通过太赫兹波频率下材料折射率对温度的依赖性，研究了半结晶聚甲醛的玻璃转化温度，并通过差式扫描量热法（DSC）验证了太赫兹光谱技术对玻璃纤维复合材料的适用性。Im 等通过透射和反射式 THz-TDS 装置测量了玻璃、Kevlar/Normax 夹层材料、熔融石英、PMMA 等材料在太赫兹波段内的折射率，对含缺陷的复合材料进行了太赫兹反射成像。实验发现，太赫兹波对单层和双层碳纤维树脂基复合材料的透过率明显不同，且纤维的透过率与电场和纤维夹角相关。碳纤维由于其质量轻、强度高，具有非常高的比模量和比强度，常常用于直升机复合材料桨叶的设计中。Weber 等通过 THz-TDS 技术实现了对高分子聚合物玻璃转化温度的测量，并研究了金属基底上涂层厚度对带宽、动态范围、信噪比的影响。张萌采用相移技术获得航空材料表面直接梯度信息，提高灵敏度，采用图像平滑算法对光谱成像和相位图进行滤波，提高算法的抗噪声特性，并使图像边缘信息更清晰。Qiao 等人利用均值估计经验模式分解良好的去噪效果和高稳定性，从 THz-TDS 信号中滤除噪声，图 4 含夹杂缺陷的太赫兹波传播模型-35-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 7 期航空航天并从理论分析和试验结果验证了所提出的均值估计经验模式的有效性，提高了光学常数的测量精度。张瑾等在 0.11.5 THz 的范围内分析了不同温度下固化的环氧树脂的能量透过率、折射率和吸收率。邢砾云等人分别通过透射和反射式 T-Ray 5 000 时域光谱系统对 PMI 泡沫进行了测试，通过对比空气、氮气中的不同测量结果，解释了湿度对测量结果的影响，并详细讨论了泡沫复合材料光学参数提取方法。其中，PMI 泡沫广泛应用在各种型号的直升机桨叶中作为芯材。Seo 等研究了太赫兹波透射场中独立多孔金属薄膜和聚甲基丙烯酸甲酯/石墨复合材料薄膜的介电性能。Chang 等人在 75GHz1.6THz 的范围内利用矢网测量技术和太赫兹时域光谱技术分析了聚甲基丙烯酸甲酯等四种聚合物的介电性能。Dorozhkin 等人研究了多层碳纳米管/聚乙烯复合材料在太赫兹频段内的介电性能。王强等人利用透射式 THz-TDS 系统在 0.21.0THz 频段内研究了 3 类不同航空玻璃纤维及其基体树脂，总结了复合材料及其高分子聚合物树脂在太赫兹波段介电性质的基本规律，并使用 Debye 模型对弛豫过程进行了拟合分析与讨论。（3）缺陷检测杨振刚等基于连续太赫兹成像系统对复合材料与钢板黏合面进行了检测，获取了在 Z 方向上不同深度位置的二维图像，通过基于零时刻处二阶导数提离效应抑制方法对黏合面处的图像分析，较好的还原检测差分信号和黏合剂的分布。刘陵玉等实现了对泡沫材料 PMI 和钢板胶接结构的脱粘缺陷检测，应用 THz 脉冲时域信号的时间位置幅值、时域最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值成像均可实现复合材料与金属材料胶接结构脱粘缺陷的缺陷检测。Zhang 等采用双高斯脉冲反卷积滤波技术对太赫兹时域波形进行滤波优化，提出一种基于太赫兹时域光谱无损检测的太赫兹反射式层析成像技术，实现了玻璃纤维复合材料上层脱粘 50um 和下层脱粘 50um 的无损检测。Kim 等将 THz-TDS 技术应用于玻璃纤维复合材料，讨论了太赫兹波与玻璃纤维复合材料之间的反射、散射和吸收效应，并对基体分层、纤维断裂、压缩等不同内部缺陷的太赫兹波吸收进行区分。Zhou 等研究了含不同尺寸孔洞缺陷的陶瓷基复合材料的 THz-TDS 定量无损检测，有效获得了材料的密度分别和孔洞分布，检测结果显示，对设计尺寸为直径 5.5mm、深度 1.5mm，直径 5.0mm、深度 2.0mm，直径 4.0mm、深度 7.0mm 的三种不同尺寸、不同深度的带缺陷材料，检测尺寸为直径 5.4mm、深度 1.4mm，直径 5.0mm、深度 1.8mm，直径 4.0mm、深度 7.0mm，检测误差不大于10%。其中，分层、褶皱、孔隙是直升机复合材料桨叶中常见的缺陷形式。郭小弟等研究了玻璃纤维夹杂缺陷和热损伤缺陷的THz-TDS 无损检测，对时域数据进行快速傅里叶变换，得到特征吸收峰，与标准的材料特征吸收峰对比，可以分辨各处的材料分布，同时，还可以基于 BWO 连续太赫兹波成像系统对夹杂金属和热损伤缺陷进行图像解析，该方法尤其适用于通过局部检测对整体性能的判断。Lopato 等采用脉冲太赫兹波对玄武岩连续纤维增强复合材料进行了夹杂缺陷和机械冲击缺陷的检测，并提出了基于系统识别的缺陷检测和分类算法，通过试验验证了算法的可靠性。同时对含缺陷的复合防腐涂层提出了专用的基于时域信号的缺陷检测算法，并通过太赫兹测量和热成像技术进行了验证。复合材料桨叶太赫兹无损检测的技术难点基于以上国内外研究成果可以发现，目前太赫兹技术飞速发展，无论是对成像仪器研发、传输模型建立、材料特性研究、缺陷特征检测，都取得了非常多的成果和进展。然而，目前太赫兹无损检测技术在直升机复合材料领域应用还不够具体，对直升机复合材料桨叶常见的缺陷形式研究不够透彻，无损检测的实时性、缺陷的定量描述等方面还有待进一步提升，仍存在以下技术难点，这些难点也是太赫兹无损检测技术应用于直升机复合材料桨叶的关键难点。（1）桨叶内部填充泡沫增大了对检测数据的分析的难度，当泡沫中的微气孔尺寸与太赫兹波长相近时，会产生不可忽略的散射效应，大大削弱太赫兹波的能量，影响数据的精度，另外，泡沫与泡沫之间会产生融合线，进一步增加数据分析的难度；（2）蒙皮脱粘缺陷的检测难以准确测量，太赫兹波无法检测金属导体，而且缺陷的边缘处易产生散射，信号对比度低，不利于缺陷边缘和缺陷尺寸的准确定义，如何通过边缘处理技术提高对边缘特征的提取与检测仍需进一步研究；（3）太赫兹图像质量仍有待提高，THz-TDS 成像技术是对内部缺陷的直观表示，然而由于仪器本身、实验条件等原因，成像质量还存在不足，同时存在噪声等一些不利因素，通过有效的图像处理算法和去噪处理可以改善图像的色彩失真；（4）成像速度有待提高，脉冲太赫兹成像信息丰富但需要较长时间，连续太赫兹成像压缩时间的同时也压缩了信息量，未来随着硬件的发展和技术的提升，成像速度会越来越快；（5）基于 THz-TDS 成像技术得到含缺陷材料的二维层析图像后，结合合适的三维图像重建算法，可以实现对含缺陷材料的更直观的缺陷三维立体图像。结语太赫兹技术正在飞速发展，从研究到市场的过渡仍需要大量的工作，尤其是要解决以上提出的瓶颈问题，才能实现技术的突破，满足市场的需求。相信在广大研究者的共同努力下，在不久的将来，太赫兹技术能够被充分利用，实现在航空航天等更多领域的应用。