聚乙烯构件减薄缺陷的太赫兹扫频可视化定量检测*

高乾祥，李 勇，王若男，方 阳，杨西含，陈振茂

（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西安交通大学 航天航空学院，陕西 西安 710049）

0 引 言

聚乙烯（polyethylene，PE）构件具有连接可靠、耐腐蚀、强度高、抗开裂和冲击等特性，被广泛应用于地下油气运输、给排水等工程领域［1］，然而，在制造、安装及使用过程中，会产生减薄、夹杂、断裂等缺陷［2］，其中，减薄缺陷是严重危害PE构件的结构完整性和使用安全性的损伤之一。因此，及时发现减薄缺陷并对其进行无损定量评估，对于确保PE构件的完整性和安全性，预防油、气、水泄露等安全事故的发生至关重要。目前针对PE构件的无损检测方法有射线检测技术［3］、超声检测技术［4］、微波检测技术［5，6］等，但这些方法均存在一定的局限性。

太赫兹（THz）检测技术［7］是利用太赫兹波在异质界面发生吸收、反射、透射和散射的特性，通过扫描并记录带有被测材料成分、结构和缺陷信息的太赫兹反射或透射波信号的一种新型技术。太赫兹检测技术具有非接触性、非电离、非破坏性、高空间分辨率及检测频带宽等特点［8，9］。目前在安全检测、天文学、医疗扫描成像、通信和雷达、文物保护等方面具有重要的应用前景［10～15］。近年来，太赫兹检测技术逐渐应用于非金属材料、结构的无损定量检测。徐继升等人采用反射式太赫兹时域光谱系统，基于小波散射网络实现了PE 管道热熔接头缺陷的太赫兹识别［16］。Palka N等人使用太赫兹波对超高分子量PE 复合材料分层缺陷进行成像处理，并结合信号处理与飞行时间，对PE试件三维成像［17］。Ren J J 等人采用太赫兹时域光谱法，研究不同老化程度的PE管的光谱特性，得到PE管道吸收系数与老化程度之间的关系［18］。

本文聚焦于0.22 ～0.33 THz频段，研究基于太赫兹检测的PE构件减薄缺陷定量评估方法。通过搭建检测平台，细致分析PE构件亚表面减薄缺陷太赫兹检测信号响应特性，以时域信号面积作为信号特征，实现了PE构件缺陷成像，并结合图像处理对缺陷进行三维尺寸定量评估。

1 太赫兹检测原理与实验平台

太赫兹检测PE 试件的原理示意如图1 所示，喇叭天线发射一定带宽的太赫兹波到PE 试件表面，透射进入PE试件内部，在试件背面异质界面处反射，所形成的反射波沿原路径返回，喇叭天线接收并输出检测回波信号。当PE试件存在减薄缺陷时，相较于无缺陷情况，电磁场的分布发生改变，导致太赫兹反射波的幅值、相位等电场参数发生变化，实验中反射波的能量大小由S11参数表征，通过分析有无缺陷处S11参数的变化量即可获得PE试件缺陷信息。矢量网络分析仪最大输出频率为40 GHz，通过矢网扩频模块扩频到0.22 ～0.33 THz频段，喇叭天线发射扩频后的太赫兹波，通过透镜聚焦，焦距为100 mm，试件放置于焦距处，设置扫描台对试件二维平面扫查，扫查范围为200 mm×200 mm，步长为2 mm×2 mm。实验中，PE试件如图2（a）所示，试件尺寸为200 mm×200 mm×25 mm，试件预制缺陷尺寸如图2（b）所示，其中，a，b，c 和d 分别为缺陷边长与直径，h为缺陷深度。

图1 太赫兹检测原理与实验平台

图2 PE试件

2 实验结果与讨论

2.1 信号特征提取与缺陷成像

通过实验得到PE 试件各位置频域信号S11幅值，如图3（a）所示，太赫兹波在PE试件内部传播时无缺陷处与减薄缺陷处损耗不同，致使有无缺陷处的S11幅值呈现出差异，但差异的规律性不强。图3（a）通过傅里叶逆变换得到时域信号，如图3（b）所示，其中，无缺陷处时域信号如图3（c）所示。图3（b）中，中心处代表PE 试件后表面的PE—空气界面的反射峰峰值位置不同。缺陷3#的中心反射峰峰值位于最左侧，无缺陷的中心反射峰峰值位于最右侧。这是因为缺陷3#的深度最大，太赫兹在其中的传播时间最短，在缺陷1#处的传播时间次之，在无缺陷处的传播时间最长。这导致有无缺陷处以及不同缺陷尺寸处时域信号曲线与时间采样点轴所围面积，即时域信号面积不同。因此，将时域信号面积作为信号特征，对PE试件进行缺陷成像，结果如图3（d）所示。由图3（d）可得，图像中缺陷边界清晰，不同深度的减薄缺陷由于时域面积值大小差异，呈现出数值颜色差异，如阶梯型缺陷10#在图3（d）中所示。

图3 信号特征提取与缺陷成像

2.2 缺陷尺寸定量评估

2.2.1 缺陷平面尺寸定量评估

基于以时域信号面积（time domain signal area，TDSA）为信号特征所成的PE试件缺陷图像（图3（d）），提取时域信号面积矩阵，对图3（d）中x为30，60，90 mm三列位置作TDSA随着y轴变化的曲线，如图4（a）所示。

图4 TDSA检测结果

图4（a）中，每个波谷的横坐标值对应缺陷在图3（d）中的y轴边缘位置，整个时域信号面积矩阵的三维曲线变化如图4（b）所示。图4（a）缺陷处的曲线波谷处的时域信号面积数值均位于1.35 以下，将其设为阈值，对时域信号面积矩阵二值化，二值化后的结果如图5 所示。由于原时域信号面积矩阵在深度较大减薄缺陷处TDSA值与缺陷边缘处的TDSA 值均处于阈值二值化范围，导致图5 中深度较大减薄缺陷内部与边界处混为一体，且边缘范围宽度较大，影响缺陷平面尺寸定量评估效果。

图5 阈值二值化结果

使用Laplace算子对时域信号面积矩阵所成处理，其卷积核矩阵如式（1）所示，处理结果及三维曲线如图6（a）所示，对图6（a）中提取x为30，60，90 mm三列位置作Laplace边缘检测结果数值随着y轴变化的曲线，如图6（b）所示。式（1）如下

图6 Laplace算子检测结果

图6（b）中的每个波峰的横坐标值对应缺陷在图6（a）中的y轴边缘位置，图6（b）缺陷处的曲线波峰处的数值均位于0.1以上，将其设为阈值，对Laplace 算子检测结果矩阵进行二值化，再使用寻峰函数设置峰值大小，进而得到波峰位置，同样对Laplace算子检测结果矩阵进行二值化，将2种二值化所得矩阵叠加处理，结果如图7 所示，图中缺陷边缘细窄，有利于缺陷平面尺寸定量评估。以曲线波峰作为缺陷平面尺寸评估特征，对PE 试件缺陷平面尺寸评估结果如表1所示，评估结果显示，利用Laplace 算子与两种二值化叠加的方法可以实现PE试件背面减薄缺陷平面尺寸的定量评估。

表1 缺陷定量评估结果

图7 二值化处理结果

2.2.2 缺陷深度尺寸定量评估

太赫兹宽带较大，因而其纵向距离分辨率较高，利用太赫兹这一特性可对PE 试件缺陷深度尺寸进行定量评估，0.22 ～0.33 THz 频段的太赫兹波在PE材料中的距离分辨率为δr＝c／2B＝0.9 mm，其中，c为光速，B为系统的带宽，εr为PE材料相对介电常数。

由图3（c）可得，喇叭天线发射太赫兹波，依次经过聚焦透镜、PE试件前表面、PE 试件后表面，图中3 处峰值分别与3处位置相对应。试件各位置处前表面和后表面两峰峰值位置间隔乘以距离分辨率δr，即为PE 试件每点处的厚度信息，再以PE 试件厚度减去缺陷处每点的厚度信息即可得到缺陷的深度信息，PE试件减薄缺陷深度尺寸评估结果如表1所示。评估结果显示，缺陷深度尺寸检测相对误差最高为5.3%，表明利用太赫兹高纵向距离分辨率可以实现PE试件背面减薄缺陷深度尺寸的定量评估。

3 结 论

本文通过分析PE构件亚表面减薄缺陷太赫兹检测信号响应特性，发现无缺陷处与减薄缺陷处的时域信号面积存在差异，以其作为信号特征对PE 试件二维成像。提取时域信号面积矩阵，进行阈值二值化处理，用Laplace 算子对时域信号面积缺陷成像图边缘检测所得矩阵，结合阈值与寻峰叠加后的二值化方法，评估结果表明：该方法可对PE试件减薄缺陷平面尺寸定量评估，此外，利用太赫兹大带宽、纵向分辨率高的特点，可对PE试件减薄缺陷深度尺寸定量评估，缺陷三维尺寸检测精度可达94.67%。