基于毫米波检测的CFRP冲击损伤可视化定量评估*

谭建国， 李 勇， 李文嘉， 胡金花， 陈振茂

(西安交通大学 航天航空学院 机械结构强度与振动国家重点实验室 陕西省无损检测与结构完整性评价工程技术研究中心，陕西 西安 710049)

0 引 言

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)由于具有质量轻、强度高、抗疲劳性好和可设计性强等优点，广泛应用于航空、能源、化工等领域的工程结构中。由于低速冲击载荷的作用，服役中的CFRP表面易出现缺损、凹坑等冲击损伤。由于其表面常覆有保护层及其他覆盖物，这类隐藏冲击损伤难以发现，造成CFRP工程结构存巨大安全隐患。因此，对CFRP冲击损伤实施有效无损检测和定量评估十分必要。

毫米波是一种高频电磁波[1]，基于毫米波的无损检测方法(即毫米波检测),相比于低频电磁无损检测方法[2～4]具有以下优势[5～7]：非接触检测，提离较大；频谱宽，波长短，方向性好;其极化特性可以提高检测具有方向性缺陷的灵敏度，两个不同缺陷的分辨率可达检测波长的1/10[8]；介电材料的损耗因子以及毫米波的工作频率，使毫米波对非金属材料穿透能力较强[8]；对于脱粘等面状缺陷有较好的检测精度；辐射较小，对人体危害较低。随着CFRP应用领域的扩大，毫米波检测CFRP越来越受到重视。Ghasr M T等人[9]通过设计新型毫米波反射计，减小了CFRP损伤成像阵列的尺寸和能量消耗；邢贺民等人[10]通过对不同非金属基的复合材料试验，得出回波损耗可以作为研究复合材料内部缺陷特征参量的结论；Zhang H[11]在毫米波频域信号成像中，通过主成分分析(principal component analysis,PCA)法，提高了成像的精度。

本文集中探究基于毫米波检测的CFRP冲击损伤可视化定量评估技术。通过建立CFRP冲击损伤的毫米波无损检测三维有限元仿真模型，研究毫米波检测信号特性，提出用于损伤成像的信号特征。搭建8～40 GHz频段毫米波检测实验平台，通过扫频检测研究，探究了CFRP冲击损伤毫米波检测成像关键。

1 仿真研究

本文建立了矩形波导探头的全尺寸有限元仿真模型，如图1所示。矩形波导探头[12]用于激发和接收一定频段的毫米波，其结构包括SMA接口和矩形波导管，具体尺寸参数为探针半径r为0.64 mm，探针长度l1为17 mm，管壁内径R为2.05 mm,管壁厚d为0.6 mm,管壁长l2为8 mm。其中，SMA接口填充物为聚四氟乙烯(polytetrafluoro-ethylent,PTFE)，矩形波导管填充物为空气。探头工作频段为X波段(8.2～12.4 GHz)，探头提离(波导管开口端部到CFRP表面的距离)为5 mm。仿真计算所求参数为S参数(scattering parameter)S11，其频域信号计算结果的实部、虚部如图2(a)所示。可见，S11频域信号的实部、虚部与激励频率相关联，因此，检测时对激励频率的选取十分重要。为了进一步分析S11时域信号，采用逆傅里叶变换对频域信号进行处理，求取可得S参数时域信号，如图2(b)所示，可见，时域信号出现3个波包。

图1 有限元仿真模型及SMA接口示意

图2 有限元仿真所得S参数频域、时域信号

为探究各波包出现原因，建立了图3所示的3个模型，其中，图3(a)所示模型仅考虑矩形波导管，毫米波激励端为矩形波导管一端；图3(b)所示模型考虑矩形波导探头，毫米波激励端为SMA接口；图3(c)为全尺寸模型，包含矩形波导探头、空气域和被测试件。试件电导率为σxx=σyy=1×104S/m，σzz=10 S/m，其中，σxx，σyy表示试件x和y方向的电导率，σzz表示试件厚度z方向的电导率；试件相对磁导率μr=1，相对介电常数εr=3.6。

图3 考虑不同探头结构的三维有限元仿真模型

将图3所示3个模型仿真计算得到的S参数频域信号经逆傅里叶变换得到S参数时域信号。由矩形波导管模型仿真得出的S参数时域信号仅存一个波包，进一步分析表明，该波包出现原因是由于在矩形波导管端口处存在异质界面，当激发的毫米波经过该界面时发生反射，探头所拾取的S参数时域信号出现明显波包。相较于矩形波导管模型，矩形波导探头模型的S参数时域信号出现了两个波包，分析表明，新波包出现的原因是由于激发的毫米波在SMA接口探针处的反射效应造成。对比于前两种情况,全尺寸模型的S参数时域信号存在三个波包，新波包产生原因是由于激发的毫米波在试件表面处的反射效应造成。为描述方便，令该新出现的波包为第三波包，由于其出现原因直接与试件表面相关，因此第三波包含有试件表面状态的信息，在后续研究中，集中分析S参数时域信号的第三波包，用于CFRP表面冲击损伤的检测和可视化。

为探究S参数时域信号第三波包与冲击损伤的关联规律，仿真中，在试件表面设置了一个尺寸为5 mm×20 mm×1.5 mm的冲击损伤，如图4(a)，探头对该损伤进行一维扫查(y=0)，以损伤中心为坐标原点，扫查路径从x=-16至x=16 mm，扫查间隔为2 mm。所得结果为各扫查点对应的S参数时域信号，提取第三波包峰值和时域信号积分作为信号特征，绘制S参数时域信号特征—探头位置曲线，并对其进行归一化处理，所得CFRP冲击损伤扫查曲线如图4(b)所示,可见，在探头中心位于x=-14 mm和x=14 mm时，第三波包峰值和时域信号积分均急剧减小，表明探头位于损伤边缘时，损伤边界对毫米波散射效应较强，探头所拾取的反射波强度减少，使第三波包峰值和时域信号积分降低；在探头中心位于x=-8 mm和x=8 mm时，第三波包峰值和时域信号积分均急剧增大，表明探头所激发入射波照射损伤区域时，损伤边缘对毫米波散射效应减弱，探头所拾取的反射波强度增大，进而使第三波包峰值和时域信号积分增强。由上述分析可知，S参数时域信号对冲击损伤边界响应灵敏，其信号特征可用于对CFRP冲击损伤的检测及定量评估。因此，选取第三波包峰值和时域信号积分作为S参数时域信号的特征量，用于CFRP表面冲击损伤的成像。

图4 S参数信号第三波包与冲击损伤关联规律

2 实验研究

2.1 实验系统

搭建了CFRP冲击损伤毫米波自动化检测系统如图5所示。检测系统由控制电脑PC端、矢量网络分析仪(Agilent PNA N5224A)、X/Y/Z三维扫查装置、矩形波导探头和CFRP样件组成。矩形波导探头型号分别为WR90,WR51,WR28，工作频段分别为8.2～12.4 GHz,14.5～22 GHz和26.5～40 GHz。实验中，矩形波导探头提离为5 mm。CFRP样件尺寸为300 mm×300 mm×3 mm(12层)，每一层由碳纤维和环氧树脂基体构成，每一层内部的碳纤维为同向排列结构，相邻两层碳纤维按0°,45°,90°,135°循环排列。

图5 毫米波检测系统框图

2.2 基于S参数信号频域和时域特征量冲击损伤成像

实验首先探究基于S参数信号频域特征量(各频率对应的幅值和相位)、时域特征量(第三波包峰值和时域信号积分)的CFRP冲击损伤检测和可视化。在CFRP试件表面加工了一个尺寸为5 mm×20 mm×1.5 mm的表面缺陷，用于模拟冲击损伤，分别采用不同工作频段的矩形波导探头对其进行二维扫查，提取各扫查点处S参数信号频域、时域特征量，构建冲击损伤检测图像。

8.2～12.4 GHz频段的成像结果如图6、图7所示，实线框表示冲击损伤的实际位置以及形状大小。

图6 8.2～12.4 GHz频段S参数信号频域特征的损伤图像

图7 8.2～12.4 GHz频段S参数信号时域特征的损伤图像

由图6可见，频率为10.3 GHz时，S参数的幅值、相位成像结果均能反映损伤位置，但未能有效反映损伤大小；频率为12.4 GHz时，损伤位置仅可由S参数幅值成像结果反映。由图7可见，S参数信号时域特征量在损伤边缘处减小，而在损伤中心处增大，与仿真结果相符，相较于图6所示的S参数信号频域特征量成像结果，采用S参数时域信号特征量对冲击损伤进行成像，无需选取成像最优频率，成像效果较好。分析图7可知，第三波包峰值和时域信号积分成像结果均能反映损伤的位置，但对损伤边缘的响应灵敏度较差，未有效识别损伤边界，容易造成对损伤开口尺寸的误判。相较于时域信号积分成像结果，第三波包峰值成像结果对损伤边界识别灵敏度更高，成像精度更佳。

基于S参数信号频域特征的损伤图像如图8所示，可见，S参数的幅值、相位成像结果在14.5～22 GHz和26.5～40 GHz频段内均能反映损伤位置，且能有效地反映损伤大小。比较两图，可以发现较高激励频率对损伤边界识别灵敏度更高，成像精度更佳。

图8 S参数信号频域特征的损伤图像

基于S参数信号时域特征的损伤图像如图9所示。可见，S参数信号时域特征量在损伤边缘处减小，而在损伤中心处增大，与仿真结果相符。进一步分析可知，第三波包峰值和时域信号积分成像结果均能反映损伤的位置，对损伤边缘的响应灵敏度较高，能有效识别损伤边界，可较精确地判断损伤开口尺寸。同时，相较于时域信号积分成像结果，第三波包峰值成像结果对损伤边界识别灵敏度更高，成像精度更佳。

图9 S参数信号时域特征的损伤图像

26.5～40 GHz频段的成像结果与8.2～12.4 GHz频段、14.5～22 GHz频段的成像结果比较，激励频段高的S参数信号频域特征量和时域特征量成像更能反映损伤的位置和边界，更适合CFRP冲击损伤的可视化定量评估。

2.3 S参数信号时域特征量不同尺寸冲击损伤成像

由前述实验结果及分析可知，在CFRP冲击损伤的毫米波检测中，S参数时域信号第三波包峰值对冲击损伤响应灵敏度更高，成像精度高，为进一步探究其对冲击损伤可视化定量评估的可行性，在CFRP试件表面加工了5个不同尺寸的模拟冲击损伤，其尺寸如表1所示。采用工作频率为26.5～40 GHz的矩形波导探头对所制备冲击损伤进行二维扫查，提取扫查得到的S参数时域信号第三波包峰值，用于损伤成像。不同深度冲击损伤的成像结果如图10所示。

表1 冲击损伤参数

图10 第三波包峰值—损伤深度成像结果

可见，随损伤深度的增加，损伤区域内S参数时域信号第三波包峰值增大，表明该特征与损伤深度呈正相关，其原因在于，毫米波照射损伤时，造成其发生反射的损伤端面面积随损伤深度增大而增大，探头拾取的反射回波强度增强。不同宽度冲击损伤的成像结果如图11所示。

图11 第三波包峰值—损伤宽度成像结果

可见，由于在损伤边缘处的S参数时域信号第三波包峰值减弱，因此，冲击损伤宽度变化通过识别图像对比度直观反映在损伤图像中。随损伤宽度的增大，损伤区域内第三波包峰值随之增大，表明第三波包峰值与冲击损伤宽度相关。结合前述分析可知，利用所提S参数时域信号第三波包峰值可对CFRP冲击损伤实施有效检测及成像，所得损伤图像可有效呈现损伤边界，进而得出损伤开口面积，且该特征与损伤体积正相关，可进一步对CFRP冲击损伤体积进行定量评估。

3 结 论

研究表明，冲击损伤成像精度与毫米波频率直接相关，采用较高激励频率，可有效提升CFRP冲击损伤的成像精度，然而，需对损伤成像最优激励频率进行有效选取。有鉴于此，本文提出了基于S参数时域信号第三波包峰值的冲击损伤成像方法，该方法在保证损伤成像精度的基础上，无需对最优激励频率进行选取、成像效率高，且所得损伤图像蕴含损伤信息更为丰富，可对冲击损伤开口尺寸及体积进行有效定量评估。