一种改进的时间积分能量方法，用于成像多层复合材料中的扩展缺陷

《NDT & E International》：An improved time integrated energy method for imaging extended defect in multilayer composites

微波时反转检测技术通过结合时间积分能量法（TIEM）和目标初始反射法（TIRM）的时间约束信息，有效解决了多层复合材料背金属结构中裂纹定位的金属反射干扰问题，并成功应用于二维、三维及飞机机翼模型的多形态扩展裂纹检测验证。

　　

Kang An|Changyou Li

西北工业大学电子工程系，中国西安，710129

摘要

基于时间积分能量方法（TIEM）的微波时间反转技术通过结合来自多个源的时间分辨信息来检测扩展缺陷。然而，当该方法应用于金属背衬的多层复合材料的无损检测时，由于金属的强反射仍然会导致错误的定位问题。本文提出了一种改进的TIEM（ITIEM），通过适当结合TIEM和从目标初始反射方法获得的时间约束信息来克服错误定位问题，确保正确的定位。然后，提出了一种基于ITIEM的具有多个源的微波时间反转技术（ITIEM-MS-MTR），用于检测不同形状的扩展裂纹，如“V”形裂纹和“W”形裂纹。通过二维案例中的多次研究证明了其有效性和抗噪能力。此外，还在飞机机翼模型的多层复合蒙皮中检测扩展缺陷的情况下验证了所提出的ITIEM-MS-MTR的有效性和抗噪能力。

引言

对于航空航天安全而言，金属背衬的多层复合材料的无损检测（NDT）是一个实际且重要的问题[1]、[2]、[3]。在生产和使用过程中可能会发生扩展缺陷，如裂纹和分层，最终会破坏多层复合材料的机械强度和性能[4]、[5]。此外，扩展缺陷可能会以不规则的形状发展，并在服役过程中形成不同形状的裂纹，从而导致更复杂的散射环境[6]、[7]、[8]。这给单侧访问应用中的NDT带来了挑战。

微波时间反转（MTR）由于其自动聚焦和超分辨率特性，在复合材料的NDT中具有很大的潜力[9]。在时间反转过程中，时间反转的缺陷响应信号可以自动聚焦在真正的缺陷位置。然后，使用一些定位方法，如熵正则化方法（ERM）和时间积分能量方法（TIEM）来指示缺陷位置。已经证明了其在复合材料缺陷检测中的有效性[1]、[10]、[11]、[12]。与其他缺陷检测方法（如激光热成像[13]和超声成像[2]）相比，MTR的优势在于成本低、效率高且易于实施。

在作者之前的研究中，MTR被应用于金属背衬的复合材料中的埋藏缺陷检测，并且已经发现ERM和TIEM中存在由金属强反射引起的错误定位问题[14]。为了实现正确的定位，引入了目标初始反射方法（TIRM）来自穿透壁成像[15]、[16]、[17]。然后，通过结合TIRM和ERM提出了一种改进的ERM（IERM），即使在没有多层复合材料各层介电常数的情况下也能克服错误定位问题并确保正确的定位[5]。进一步在三维（3D）实际问题中研究了IERM在多层复合材料NDT中的有效性[18]。然而，IERM的基本原理是找到具有最集中时间反转场分布的聚焦时间，这无法为检测不同形状的扩展缺陷提供足够的信息。

时间积分能量方法（TIEM）是一种流行的缺陷定位方法，可以提供关于缺陷的空间信息[11]。在时间反转过程中，时间反转场随时间积分，最大积分能量区域可以指示缺陷位置。它已应用于通过结合来自多个源的时间分辨信息来成像二维（2D）案例中的单向扩展缺陷[9]。然而，当将其应用于金属背衬的多层复合材料的NDT时，仍然会出现错误定位问题。复合-金属界面处的强反射可能会产生比真实缺陷位置更高的能量集中时间反转场。因此，最大能量无法指示正确的缺陷位置，从而导致错误定位问题[14]。因此，缺乏在三维（3D）情况下检测金属背衬多层复合材料中不同形状扩展缺陷的研究。

本文提出了一种改进的TIEM（ITIEM），通过适当结合TIEM和从TIRM获得的时间约束信息来克服TIEM中的错误定位问题。ITIEM的基本思想是估计TIRM提供的时间约束范围，并在此时间约束范围内积分时间反转场，以避免时间反转过程中的错误定位问题。证明了ITIEM在克服错误定位问题方面的有效性。然后，提出了一种基于ITIEM的具有多个源的MTR（ITIEM-MS-MTR），用于检测不同形状的扩展缺陷，如“V”形裂纹和“W”形裂纹。所提出的方法可以结合来自多个源的空间信息并实现正确的定位。通过在2D和3D案例中带有噪声信号的多项研究验证了其有效性和抗噪能力。本文中的所有研究都是基于二维和三维时域有限差分（FDTD）方法进行的。

章节片段

基础理论

在作者之前的研究中，基于FDTD的MTR已被应用于多层复合材料的缺陷检测。MTR用于NDT的基本理论和过程已在[5]、[14]、[18]中实现。定位方法对于MTR指示缺陷位置至关重要，传统的定位方法包括ERM、TIEM和TIRM，已在[5]、[14]中详细介绍。

由于金属的强反射导致的错误定位问题已经

使用基于ITIEM的多个源的MTR检测不同裂纹

为了提供足够的空间信息，应用了具有多个源的MTR（MS-MTR），并提出了基于ITIEM的MS-MTR来检测埋藏裂纹。在MS-MTR中，每次MTR模拟只激发一个源。然后，将每个源对应的积分能量相加，以显示MS-MTR中的裂纹空间信息[9]。基于MS-MTR的最终积分能量$W_{\text{MS}}$在2D和3D案例中可以表示为