基于太赫兹调频连续波技术的陶瓷基复合材料缺陷检测研究

《Photonics》：Research on Defect Detection of Ceramic Matrix Composites Based on Terahertz Frequency Modulated Continuous Wave Technology Wenna Zhang, Bei Jia, Youxing Chen, Zhaoba Wang and Kailiang Xue

　　

陶瓷基复合材料（CMC）因其轻质、耐高温和抗冲击等优点，被广泛应用于飞机机翼前缘和热防护系统隔热层等关键应用领域。然而，受制造工艺和服役环境的影响，材料内部容易产生孔隙和分层等缺陷，显著降低了材料的力学性能和服务可靠性。本论文主要评估了使用太赫兹调频连续波（FMCW）技术对CMC进行非接触检测的可行性和适用性。首先，介绍了FMCW的测量原理，并概述了检测系统的结构，包括二维机械扫描平台、光学透镜、控制平台和数据采集单元。随后，对CMC试样及其粘接的热防护结构（TPS）试样进行了扫描成像，证明了太赫兹FMCW技术作为CMC检测的先进无损检测工具的可行性。分析并讨论了实孔径太赫兹成像中固有的衍射和瑞利极限问题。提出了一种结合背景估计的多尺度融合缺陷检测方法，以实现缺陷区域的精确描绘。实验结果表明，经过所提算法处理后，焦平面上可检测的最小孔隙直径为1 mm，区域误差约为3%。CMC中孔隙和脱粘区域的检测误差保持在6.44%以内。分析表明，将太赫兹成像技术与图像处理算法相结合，能够实现复合材料内部缺陷的定量分析，为复合材料缺陷检测提供了一种新的技术途径。

陶瓷基复合材料（CMC）因其轻质、耐高温和抗冲击等优异性能，广泛应用于航空航天关键部件，如飞机机翼前缘和热防护系统隔热层。然而，受复杂制造工艺和严苛服役环境影响，内部易产生孔隙和分层等缺陷，严重损害材料的力学性能与服务可靠性，可能引发重大安全隐患。传统无损检测方法（如超声、射线、微波检测）在非接触性、安全性和分辨率方面存在局限，而太赫兹（THz）技术作为一种新兴检测手段，兼具电子与光学特性，对光学不透明介质具有特定的反射与透射能力，有望弥补上述不足。但太赫兹实孔径成像受衍射和瑞利极限制约，离焦检测时能量衰减严重，导致成像边缘模糊、小缺陷难以识别；同时，CMC缺陷样本稀缺，基于深度学习的检测方法误报率高。为此，研究人员开展本研究，旨在验证太赫兹调频连续波（FMCW）技术用于CMC检测的可行性，并提出一种不依赖大量标注数据的多尺度融合缺陷检测方法，以实现小缺陷的精准定量分析。该研究发表在《Photonics》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于太赫兹FMCW雷达（TRAD-152传感器，频率范围126–182 GHz，扫频时间1.024 ms）构建检测系统，配备二维机械扫描平台、光学聚焦透镜（焦距50 mm）、控制平台和数据采集单元，扫描步长设为1 mm。针对衍射和离焦导致的成像问题，提出一种结合背景估计的多尺度融合缺陷检测方法，具体包含局部背景感知算子（基于比值局部对比度测量RLCM和背景估计滤波器）、单尺度与多尺度差异测量（SDCM和MDCM）、多帧管道滤波及阈值分割（改进Otsu法）。样本来源于自制CMC试样（Sample 1、Sample 2、Sample 3）和3D打印聚乳酸（PLA）试样（Sample-3D），尺寸分别为140 mm×80 mm×30 mm和140 mm×70 mm×30 mm，预置不同尺寸的孔隙和脱粘缺陷。

研究结果如下：

**4.1 算法先进性分析**：通过仿真软件生成多组合成图像，将所提方法与Sobel、Prewitt、Roberts三种传统方法、DexiNed和VDSR两种学习型方法以及MDED算法进行比较。在峰值信噪比（PSNR）、结构相似性指数（SSIM）、背景抑制比（BSR）和信息保真度准则（IFC）指标上，除PSNR略低外，所提方法在其他参数上均优于对比算法，主要归因于其主动估计并抑制背景干扰、同时增强缺陷特征的机制。

**4.2 小尺寸缺陷检测结果**：对Sample-3D进行检测处理，利用局部背景感知算子测量整体图像、划定缺陷边缘，多尺度差异测量捕捉不同尺度特征，最后通过管道滤波和阈值分割划分目标区域。结果表明，所提方法能有效提取小尺寸缺陷，焦平面上可检测的最小孔隙直径为1 mm，区域误差约3%；受步长影响，1 mm缺陷的误差较大（约8.43%），但该方法更适用于存在检测和粗略定位，尺寸精确定量受限于系统横向分辨率。

**4.3 陶瓷基复合材料缺陷定量分析**：对Sample 1、Sample 2和Sample 3的检测结果进行处理，将焦平面检测结果作为真值，与离焦检测测量值比较。所提方法实现了自动判别和边缘提取，检测误差保持在6.44%以内，验证了其有效性。当缺陷尺寸接近系统分辨率（约2 mm）时，定量分析和定位易出现模糊和偏差，强散射也可能淹没微小缺陷信号。

讨论部分指出，太赫兹离焦检测导致能量非线性衰减（50 mm焦距透镜下，距焦平面30 mm处能量降至约35%），结合衍射效应，造成成像对比度低、边缘模糊，限制了最小可检测缺陷尺寸。所提方法通过多尺度融合与背景估计有效克服了这些问题，但样本表面不平整时，太赫兹信号特征易被噪声掩盖，且工程应用中多数检测处于离焦状态。结论部分翻译如下：基于FMCW测量机制，研究人员通过光束聚焦和全矩阵扫描方式建立了太赫兹检测成像系统，采用固态电子学技术产生太赫兹FMCW进行内部结构检测，证明了太赫兹技术在陶瓷基复合材料检测中的可行性和先进性。讨论了实孔径检测中的瑞利极限问题，并提出了一种结合背景估计的多尺度融合缺陷检测方法。通过预置孔隙缺陷的CMC试样、带脱粘缺陷的TPS试样和PLA 3D打印材料实验验证了该方法的有效性。经所提方法处理后，焦平面上可检测的最小孔隙直径为1 mm，区域误差约3%；CMC中孔隙和脱粘区域的检测误差保持在6.44%以内。结果表明，将太赫兹成像技术与图像处理算法相结合，可实现复合材料内部缺陷的定量分析，为评估复合材料健康状态提供了思路与方法。然而，当样本表面平坦度较差时，太赫兹信号特征可能被噪声掩盖，对特征提取造成挑战；工程应用中因缺陷不确定性，多数检测在离焦条件下进行，未来工作应纳入离焦状态下光束扩散效应的校正。