CN106525862B - 利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置和一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，该装置和方法用于在不损坏层状绝缘材料的情况下对其内部的缺陷进行检测。利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置包括：太赫兹发射源、两个透镜、太赫兹探测器、二维扫描装置和成像处理装置，太赫兹发射源用于发射连续调频太赫兹波，两个透镜用于将太赫兹发射源发射的太赫兹波会聚至待测样品的表面，在待测样品表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜后由太赫兹探测器接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号，二维扫描装置控制太赫兹发射源在距离待测样品表面的一设定距离处对待测样品的表面进行扫描。
Description
技术领域
本发明涉及利用太赫兹波进行无损检测这一技术领域，具体而言，涉及一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法和装置。
背景技术
随着科技的发展，越来越多的绝缘材料被应用于航空航天、高压电力输运等关乎国家安全和民生的大工程中。该类材料的质量关乎整套大系统的可靠运行，但是，由于制造工艺的原因，这类材料内部往往会存在或多或少的气泡或其他缺陷，从而影响了材料的性能并造成安全隐患。
对于层状绝缘材料内部的缺陷检测，特别是航空航天等关键领域，现行的X射线技术对于薄层状材料对比度差，同时对使用人员存在一定程度的辐射伤害；红外技术对大部分绝缘材料无法穿透，无法检测内部缺陷；热波技术不适用于绝热材料；微波技术由于波长的衍射极限限制，只适合检出厘米级大小的缺陷，而通常大部分绝缘材料中的缺陷在毫米量级，无法满足要求；超声扫描成像技术能够检出缺陷，但是必须将样品放置在耦合剂中，例如放置在水中，并且对于比较柔软的绝缘材料，耦合效率低。
近年来发展的三维太赫兹成像技术有飞行时间成像、计算机辅助层析成像、衍射层析成像、菲涅耳透镜成像、全息成像和调频连续波反射成像等方法。飞行时间成像可以给出物体表面形貌或不同层面的三维结构，但它无法显示物体内部非层状的结构分布。计算机辅助层析成像中，太赫兹波焦点的直径需要小于层析成像所要求的空间分辨率，而其焦深需要大于被成像物体的尺寸，且计算机辅助层析成像无法对金属等材料进行透视研究。衍射层析成像中，低频区域的像的空间频率较低，而在高频区成像使用的太赫兹波信噪比较低，所以在低频区和高频区都存在质量较差的问题。菲涅耳透镜三维成像的横向分辨率受成像系统的衍射限制，纵向分辨率受载波的光谱分辨率的限制；另外，待测物体的两个物平面的间距大于成像系统的景深，才能使得各自的像不发生互相干扰，因此，成像质量也受成像系统的景深的影响。三维全息术不能对很复杂的目标成像，也不能提取物体的光谱信息，在任何情况下它都不能提供重建目标的准确的折射率数据。
发明内容
本发明提供一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置和方法，以在不损坏层状绝缘材料的情况下对其内部的缺陷进行检测。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，包括：太赫兹发射源、两个透镜、太赫兹探测器、二维扫描装置和成像处理装置，其中：
所述太赫兹发射源用于发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，所述太赫兹发射源发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
两个透镜均为准直透镜并且平行设置在所述太赫兹发射源与一待测样品之间，用于将所述太赫兹发射源发射的太赫兹波会聚至所述待测样品的表面，太赫兹波在所述待测样品表面发生发射；
所述太赫兹探测器设置在所述太赫兹发射源的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号，在所述待测样品表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜后由所述太赫兹探测器接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号；
所述二维扫描装置用于控制所述太赫兹发射源在距离待测样品表面的一设定距离处以设定的扫描精度对所述待测样品的表面进行扫描，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为Nts,其中N为大于等于1的整数，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
所述成像处理装置与所述太赫兹探测器连接，所述成像处理装置用于接收所述中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当所述二维扫描装置控制所述太赫兹发射源遍历所述待测样品表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，其包括以下步骤：
S1：一太赫兹发射源发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，所述太赫兹发射源发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
S2：平行设置在所述太赫兹发射源与一待测样品之间并且均为准直透镜的两个透镜将所述太赫兹发射源发射的太赫兹波会聚至所述待测样品的表面，太赫兹波在所述待测样品表面发生发射；
S3：在所述待测样品表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜后由一太赫兹探测器接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号，所述太赫兹探测器设置在所述太赫兹发射源的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号；
S4：一二维扫描装置控制所述太赫兹发射源在距离待测样品表面的一设定距离处以设定的扫描精度对所述待测样品的表面进行扫描，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为Nts,其中N为大于等于1的整数，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
S5：一成像处理装置与所述太赫兹探测器连接，所述成像处理装置接收所述中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当所述二维扫描装置控制所述太赫兹发射源遍历所述待测样品表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
在本发明的一实施例中，所述待测样品为层状绝缘材料。
在本发明的一实施例中，所述二维扫描装置的扫描精度为0.5mm。
在本发明的一实施例中，ts为240微秒。
在本发明的一实施例中，N的值为50～300。
在本发明的一实施例中，本振信号的频率为13.530GHz～20.822GHz。
在本发明的一实施例中，本振信号的频率为10.833GHz～16.667GHz。
本发明提供的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置和方法通过对比太赫兹波强度和相位信息，重构缺陷在材料中的大小、位置和深度，非常适合检测绝缘材料内部的缺陷，能够以非接触方式并在不破坏、不拆卸、不关机的情况下检测绝缘层内部是否存在气泡缺陷，对进一步评估材料质量对整体系统安全性的影响提供方法和数据支持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置的结构示意图；
图2a～图2d为本发明一实施例的待测样品不同深度处的x-y方向成像图。
附图标记说明：1-太赫兹发射源；2-透镜；3-太赫兹探测器；4-二维扫描装置；5-成像处理装置；6-待测样品。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明提供的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置的结构示意图，如图所示，本发明提供的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置包括：太赫兹发射源1、两个透镜2、太赫兹探测器3、二维扫描装置4和成像处理装置5，其中：
太赫兹发射源1用于发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，太赫兹发射源1发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
两个透镜2均为准直透镜并且平行设置在太赫兹发射源1与一待测样品6之间，用于将太赫兹发射源1发射的太赫兹波会聚至待测样品6的表面(此时太赫兹波不经过太赫兹探测器3)，经过两个透镜2后的太赫兹波变为准直信号并且该准直信号与待测样品6垂直，太赫兹波在待测样品6表面发生发射；
太赫兹探测器3设置在太赫兹发射源1的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号，在待测样品6表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜2后由太赫兹探测器3接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号；
二维扫描装置4用于控制太赫兹发射源1在距离待测样品6表面的一设定距离处以设定的扫描精度对待测样品6的表面进行扫描，二维扫描装置4在每一扫描位置处停留的时间为Nts,其中N为大于等于1的整数，二维扫描装置4定义与待测样品6表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
成像处理装置5与太赫兹探测器3连接，成像处理装置5用于接收中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当二维扫描装置4控制太赫兹发射源1遍历待测样品表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，成像处理装置5根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品6对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
一维成像数组是按照设定的时间窗口宽度(最大时间窗口宽度为ts)和时间间隔进行数据采集的。进入太赫兹探测器3的信号有两个，一个是固定振幅和频率的本振信号，由于传播路程不变，因此到达太赫兹探测器3的时间也不变，该信号可以用一个振幅相位频率不变的正弦函数描述，另一个是太赫兹发射源1发出并经过待测样品6反射到太赫兹探测器3，同样也可以用一个正弦函数描述，只不过这个正弦函数的振幅随着待测样品6不同位置的反射率变化，频率是周期变化的。两个正弦信号在太赫兹探测器3中进行相干叠加，会出现合频项和差频项，根据实际物理意义，利用低通滤波器保留差频项。由于本振信号都是不变的，因此差频项的幅值正比于反射点的反射率，差频项的频率值，也就是频率差正比于电磁波从反射点到达太赫兹探测器3的时间，同时正比于反射点到太赫兹探测器3的路程。因此太赫兹探测器3输出的频率差就可以转化为距离单位(深度单位)，做为横坐标，太赫兹探测器3输出的振幅值作为纵坐标。
另外，本发明还提供了一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，该方法为利用上述利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置实现，该方法包括以下步骤：
S1：太赫兹发射源1发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，太赫兹发射源1发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
S2：平行设置在太赫兹发射源1与待测样品6之间并且均为准直透镜的两个透镜2将太赫兹发射源1发射的太赫兹波会聚至待测样品6的表面，太赫兹波在待测样品6表面发生发射；
S3：在待测样品6表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜2后由太赫兹探测器3接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号，太赫兹探测器3设置在太赫兹发射源1的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号；
S4：二维扫描装置4控制太赫兹发射源1在距离待测样品6表面的一设定距离处以设定的扫描精度对待测样品6的表面进行扫描，二维扫描装置4在每一扫描位置处停留的时间为Nts,其中N为大于等于1的整数，二维扫描装置4定义与待测样品6表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
S5：成像处理装置5与太赫兹探测器3连接，成像处理装置5接收中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当二维扫描装置4控制太赫兹发射源1遍历待测样品6表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，成像处理装置5根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品6对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图。
在本发明中，待测样品6可以为层状绝缘材料，也可以为其他材料，也即，使用本发明能够在不损坏材料本身的情况下对多种材料内部的缺陷进行检测。
其中，二维扫描装置4的扫描精度可以设为0.5mm，即在待测样品6表面每0.5mm×0.5mm的面积上扫描一次。
其中，太赫兹发射源1发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts可以为240微秒，也可以设置为其他数值，可以根据实际检测需要而定。
其中，N的值可以为50～300，也即，在待测样品6表面的每一扫描位置处扫描的次数为50～300次，也可以设置为其他数值，可以根据实际检测需要而定。
本发明中使用的本振信号的频率为13.530GHz～20.822GHz，也可以为10.833GHz～16.667GHz，可以根据实际检测需要而定。
图2a～图2d为本发明一实施例的待测样品不同深度处的x-y方向成像图，从连续成像得到的201张不同层面的图中获取其中有典型性的4张。图2a～图2d对应不同的深度处，从整体的成像结果来看，图中呈现出的大大小小的亮斑即为待测样品6中的气泡缺陷。这些缺陷具有不同的形状、不同的大小，并且无规律地分布在待测样品6中。图中用圆圈标记出的缺陷为较大的缺陷。这些缺陷为环形亮斑，其长度及宽度约为2mm，相比于那些细小的白色光点，这些缺陷显得十分耀眼。这些大的气泡缺陷是待测样品6应用时的主要隐患，若缺陷的体积过大，会导致材料结构不稳定，在强烈冲击下甚至会有解体的危险，对使用者造成不可挽回的经济损失，甚至严重危害人身安全。图中的白色光点与上述环形亮斑相比，体积明显缩小。从图中可以看出，这些白色光点的数量明显要多于环形亮斑，但是由于它们的体积十分微小，所以并不会对待测样品6的性能造成较大影响，属于缺陷的合理范围内。在图中，我们还能看出一条白色与黑色相间的条纹，这是由干涉产生的条纹，并不属于材料的缺陷。但是这些明条纹如果太过密集，会对结果造成严重的干扰，不易观察分析缺陷的信息，目前干涉条纹的问题还很难解决。
下面具体分析每幅图呈现出来的信息：
(1)当探测相对深度为12/201时(如图2a所示)，可以看到，待测样品6的左上角有一个明显的环形亮斑，此处即为待测样品6中的大缺陷，将这个缺陷标记为缺陷1。在这个层面中，除了上述提到的大缺陷外，其他部分并未发现明显大缺陷(结果中黑白相间的波纹是系统的干涉条纹)。
(2)当探测相对深度为58/201时(如图2b所示)，可以看到在这个层面中，右下角多出了一个明显的大缺陷，将其标记为缺陷2，而上述提到的缺陷1仍然存在。与图2a中相比，缺陷1的形状、大小发生了变化。这就体现了太赫兹成像分层检测的结果。上述实验表明，在12/201和58/201两个不同的深度处，缺陷1的形状不同，我们可以推测这个缺陷可能是某个不规则的几何体。缺陷2的出现说明了待测样品6中的缺陷可能无规则分布在各个层面中，使用本发明则可以清楚的将这些隐藏在深处的缺陷扫描出来，并在深度方向对其进行定位。除了以上两个明显的缺陷，实验结果还显示在缺陷2的右边出现了一块模糊的区域，这时我们无法断定其是否为缺陷，暂时将他命名为假定缺陷3。
(3)当探测相对深度为96/201时(如图2c所示)，可以看出，(2)中最后分析出的假定缺陷3确实是真实存在的缺陷，图2c中成像结果明显比图2b清晰，说明在这个深度附近缺陷3的截面面积比(2)中大，进而我们可以推断缺陷3的主要位置是在96/201深度附近。而缺陷1和缺陷2依然存在，并且大小形状再次发生变化，由此可以得出与(2)中相同的结论，同时可看出缺陷1具有很长的深度，目前已经贯穿了84个单位层面，也说明了缺陷1的不规则性。
(4)当探测相对深度为138/201时(如图2d所示)，可以观察到缺陷1、缺陷2、缺陷3的面积再次发生了改变。可以看出，在(32～138)/201的层面范围中，左上角的缺陷一直存在，且形状发生变化。对此可以推断这个缺陷是个类似球形的空洞，而且很深，所以此处缺陷一直延留在不同的层面上。图2a和图2b中缺陷的数目不同，这表明了在这个样品中，缺陷分布在不同的深度。
综合上述分析可以得出结论：此待测样品6中具有很多大大小小的缺陷(主要是气泡)。由于本发明可以显示待测样品6中不同层面的成像结果，因此不仅可以定性的描述缺陷分布的位置和深度及单个缺陷的纵深，更能建立合适的参考系定量的对缺陷的几何位置进行计算表示。
本发明提供的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置和方法通过对比太赫兹波强度和相位信息，重构缺陷在材料中的大小、位置和深度，非常适合检测绝缘材料内部的缺陷，能够以非接触方式并在不破坏、不拆卸、不关机的情况下检测绝缘层内部是否存在气泡缺陷，对进一步评估材料质量对整体系统安全性的影响提供方法和数据支持。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，包括：太赫兹发射源、两个透镜、太赫兹探测器、二维扫描装置和成像处理装置，其中：
所述太赫兹发射源用于发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，所述太赫兹发射源发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
两个透镜均为准直透镜并且平行设置在所述太赫兹发射源与一待测样品之间，用于将所述太赫兹发射源发射的太赫兹波会聚至所述待测样品的表面，太赫兹在所述待测样品表面发生反射；
所述太赫兹探测器设置在所述太赫兹发射源的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号，在所述待测样品表面发射后的太赫兹波再次经过两个透镜后由所述太赫兹探测器接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号；
所述二维扫描装置用于控制所述太赫兹发射源在距离待测样品表面的一设定距离处以设定的扫描精度对所述待测样品的表面进行扫描，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为Nt s，其中N为大于等于1的整数，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
所述成像处理装置与所述太赫兹探测器连接，所述成像处理装置用于接收所述中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当所述二维扫描装置控制所述太赫兹发射源遍历所述待测样品表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图；
待测样品不同深度处的x-y方向成像图呈现出不同形状的亮斑，其中，白色亮点为合理缺陷，白色与黑色相间的条纹为干涉产生的条纹，长度及宽度约为2mm的环形亮斑为隐患缺陷，隐患缺陷会导致材料结构不稳定。
2.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，所述待测样品为层状绝缘材料。
3.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，所述二维扫描装置的扫描精度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，ts为240微秒。
5.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，N的值为50～300。
6.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，本振信号的频率为13.530GHz～20.822GHz。
7.根据权利要求1所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的装置，其特征在于，本振信号的频率为10.833GHz～16.667GHz。
8.一种利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：一太赫兹发射源发射频率范围在325GHz～500GHz之间变化的连续调频太赫兹波，所述太赫兹发射源发射的太赫兹波由325GHz变化至500GHz的周期为ts；
S2：平行设置在所述太赫兹发射源与一待测样品之间并且均为准直透镜的两个透镜将所述太赫兹发射源发射的太赫兹波会聚至所述待测样品的表面，太赫兹波在所述待测样品表面发生反射；
S3：在所述待测样品表面反射后的太赫兹波再次经过两个透镜后由一太赫兹探测器接收并与其内部的本振信号混频后得到一中频信号，所述太赫兹探测器设置在所述太赫兹发射源的下端，其内部具有一频率为定值的本振信号；
S4：一二维扫描装置控制所述太赫兹发射源在距离待测样品表面的一设定距离处以设定的扫描精度对所述待测样品的表面进行扫描，所述二维扫描装置在每一扫描位置处停留的时间为Nts，其中N为大于等于1的整数，所述二维扫描装置定义与所述待测样品表面平行的表面为x-y平面以及定义与x-y平面垂直的方向为z方向；
S5：一成像处理装置与所述太赫兹探测器连接，所述成像处理装置接收所述中频信号并对其进行处理，以得到对应其中一个扫描位置的一维成像数组，当所述二维扫描装置控制所述太赫兹发射源遍历所述待测样品表面的所有扫描位置之后，得到的多个一维成像数组构成一三维成像数据阵列，所述成像处理装置根据该三维成像数据阵列输出与该待测样品对应的x-y方向成像图、x-z方向成像图和y-z方向成像图；
待测样品不同深度处的x-y方向成像图呈现出不同形状的亮斑，其中，白色亮点为合理缺陷，白色与黑色相间的条纹为干涉产生的条纹，长度及宽度约为2mm的环形亮斑为隐患缺陷，隐患缺陷会导致材料结构不稳定。
9.根据权利要求8所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，其特征在于，ts为240微秒。
10.根据权利要求8所述的利用太赫兹成像检测层状绝缘材料内部缺陷的方法，其特征在于，N的值为50～300。
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