CN108732125A - 一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，包括：进行材料内部缺陷检测，通过对待测材料目标进行二维平面扫描获得目标的散射数据；对目标的散射数据关于频域作傅里叶逆变换到时间域；对反应在被测材料前表面和后表面的时域信号加门函数；经过门函数处理后的信号关于时域作傅里叶变换；求解三维像函数并进行三维图像显示材料样品的内部缺陷。本发明针对主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统，重点考虑太赫兹波在材料内部发生折射与反射情况，通过高斯迭代算法计算出太赫兹波实际的传播路径与损耗，利用改进的距离偏移算法重构目标的三维图像分布，从而实现利用太赫兹波进行材料内部缺陷检测的目的。

Description

一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法。

背景技术

太赫兹三维全息成像技术具有空间分辨率高、抗干扰能力强、穿透能力强等优点，可应用于复合材料检测、隐身涂层材料检测、隔热材料内部缺陷检测等领域。传统的太赫兹成像系统结构复杂，采用透镜聚焦原理，在算法反演过程中没有考虑电磁波的路径折射情况，非常不利于提高材料内部缺陷的检测准确度。

现有技术中，利用主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统进行材料内部缺陷检测技术，通过对待测材料目标进行二维平面扫描获得目标的散射数据，然后利用散射数据进行三维图像重构，获得目标的三维图像分布，从而直观的显示出材料内部的缺陷，其基本的工作原理如图1所示。

三维成像的任务就是依据测量目标得到的散射数据s(x',y',k)，重构目标的散射系数分布δ(x,y,z)，同时给出目标三维散射分布图。三维成像算法过程可用表述为如下方程：

上述方程中式(1)对X'Y'平面测量的散射场回波信号s(x',y',k)沿横向测量平面进行平面波展开，得到沿任意α方向传播的平面波在测量面z＝z₀上的分量值S(k_x,k_y,k)，平面波沿z方向传播z₀距离，即方程组中式(2)等号右边的距离偏移处理，得到任意α方向传播的平面波在z＝0坐标平面上的分量。通过方程组中式(3)的变量代换得到任意α方向传播平面波的完整波谱S'(k_x,k_y,k_z)，所有传播方向的平面波叠加得到目标三维散射强度分布δ(x,y,z)，最后利用目标三维散射强度分布进行材料内部缺陷分析。

现有的以主动式太赫兹调频连续波成像技术、太赫兹时域光谱仪成像技术等为基本原理的材料内部缺陷检测的主要缺点是没有考虑电磁波在目标材料内部的实际传播速度而仍然默认为3e8m/s，当电磁波在由空气中入射到材料内部进行传播时，会发生折射现象，从而降低该方法对缺陷检测的位置精度。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，本发明综合考虑电磁波传播到材料内部的传播速度，利用高斯迭代算法精确计算出电磁波精确的传播路径，再结合改进的距离偏移算法，通过重构目标的三维图像精确分布，完成目标缺陷分布的直观显示，提高缺陷检测的位置精度。

一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，包括：

利用主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统进行材料内部缺陷检测，通过对待测材料目标进行二维平面扫描获得目标的散射数据；

对目标的散射数据关于频域作傅里叶逆变换到时间域；

对反应在被测材料前表面和后表面的时域信号加门函数，抑制反应在被测材料前表面和后表面的时域上的强反射信号；

经过门函数处理后的信号关于时域作傅里叶变换；

求解被测材料样品的基本介电常数、利用高斯迭代原理求解太赫兹波精确的传播路径、测量收发天线的方向图增益，求解三维像函数并进行三维图像显示材料样品的内部缺陷。

进一步优选的技术方案，利用高斯迭代原理求解太赫兹波精确的传播路径时，发射天线的发射信号到达缺陷的实际传播路径R为：

入射信号传播路径：反射信号传播路径：

其中，η表示太赫兹波折射点与缺陷之间的水平方向距离，变量D表示发射天线与缺陷在水平方向的距离，h表示发射天线到介质材料前表面的距离，d表示缺陷到前表面的距离，ε_r表示介质材料的介电常数。

进一步优选的技术方案，根据snell定律构造如下方程：

利用高斯迭代求解方程g(η)＝0即可求得η，带入式(1)即可求得发射太赫兹信号到达缺陷的实际传播路径。

进一步优选的技术方案，太赫兹波由缺陷到达接收天线的实际传播路径R′：

R′＝b′₂+b′₁ (3)

b′₂缺陷的散射信号在介质中的传播路径，b′₁缺陷的散射信号在空气中的传播路径。

进一步优选的技术方案，目标三维像函数可表示为：

其中，x,y,z代表成像区域的坐标，f表示工作频率，x′,y′表示接收信号对应的x,y向坐标,S₃(x′,y′,f)为经过门函数处理后的信号关于时域t作傅里叶变换后的信号，k表示波数，j是复数的虚部表示，G_T、G_R分别表示发射天线和接收天线的方向图增益。

进一步优选的技术方案，被测材料样品的基本介电常数通过查找说明书获得或采用基本的材料测试方法测试材料样品无缺陷时求解出材料样品无损伤时基本介电常数。

进一步优选的技术方案，发射天线和接收天线的方向图增益通过查找说明书获得或进行实际的测试获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统，重点考虑太赫兹波在材料内部发生折射与反射情况，通过高斯迭代算法计算出太赫兹波实际的传播路径与损耗，利用改进的距离偏移算法重构目标的三维图像分布，从而实现利用太赫兹波进行材料内部缺陷检测的目的。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为主动式太赫兹调频连续波扫描成像方法；

图2为太赫兹波介质材料中的传播示意图；

图3基于高斯迭代的太赫兹材料内部缺陷检测流程。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图3所示，提供了一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法。

太赫兹材料内部缺陷检测方法的原理如下：

如图2所示，当太赫兹波由空气中传播入射进入被测材料样品中后，首先入射到被测材料的前表面被反射，再经过空气传播按路径a₁a′₁由接收天线接收，前表面反射信号最强；另外一部分太赫兹波折射到材料内部，当太赫兹波遇到不连续介质(即缺陷位置)时被反射，按传播路径b₁b₂b′₂b′₁被接收天线接收，该路径对应的接收信号反映了介质材料内部信息；此外，还有一路比较强的太赫兹波信号被材料的后表面反射，按传播路径b₁b₃b′₃b′₄折射后再被接收天线接收。可见，只有第二路太赫兹波反映了介质材料内部的缺陷情况，其他两路信号需要予以抑制以提高系统的测试精度，本发明首先采用时域门技术来抑制路径a₁a′₁、b₁b₃b′₃b′₄对应的强散射信号，时域门技术具体为：对采样数据进行时域傅里叶变换，对路径a₁a′₁、b₁b₃b′₃b′₄对应的时域信号加类似时域滤波器的门函数可以对其进行有效的抑制。因此发射天线的发射信号到达缺陷的实际传播路径R为：

入射信号传播路径：反射信号传播路径：

其中，η表示太赫兹波折射点与缺陷之间的水平方向距离，变量D表示发射天线与缺陷在水平方向的距离，h表示发射天线到介质材料前表面的距离，d表示缺陷到前表面的距离，ε_r表示介质材料的介电常数。

根据snell定律构造如下方程：

利用高斯迭代求解方程g(η)＝0即可求得η，然后带入式(1)即可求得发射太赫兹信号到达缺陷的实际传播路径。同理可求得太赫兹波由缺陷到达接收天线的实际传播路径R′：

R′＝b′₂+b′₁ (3)

b′₂缺陷的散射信号在介质中的传播路径，b′₁缺陷的散射信号在空气中的传播路径。

实际测试过程中，扫描架进行X′Y′二维平面扫描，则接收太赫兹信号可以表示为：

x,y,z代表成像区域的坐标，f表示工作频率，x′,y′表示接收信号对应的x,y向坐标，k表示波数，j是复数的虚部表示。

其中，G_T、G_R分别表示发射天线和接收天线的方向图增益。于是目标三维像函数可表示为：

对式(5)进行积分求和，即可得到被测介质材料样品的三维图像重构，用于太赫兹材料内部缺陷检测。

在具体实施时，本发明提出的基于高斯迭代的太赫兹材料内部缺陷检测方法的基本步骤如下：本发明的成像方法流程图如图3所示：

1)数据采集。根据成像分辨率、成像范围等因素设置x方向扫描长度LX，y方向扫描长度LY，扫描间隔、扫描点数等参数，系统完成数据工作，采集数据为S(x′,y′,f)；

2)频域IFFT。对采样数据S(x′,y′,f)关于频域f作傅里叶逆变换到时间t域，得到S₁(x′,y′,t)；

3)设置距离门。对S₁(x′,y′,t)反应在被测材料前表面和后表面的时域信号采用距离门技术，抑制二者对应在时域上的强反射信号，得到S₂(x′,y′,t)；

4)频域FFT。对S₂(x′,y′,t)关于时域t作傅里叶变换，得到S₃(x′,y′,f)；

5)求解被测材料样品的基本介电常数ε_r。通过查找说明书或采用基本的材料测试方法测试材料样品无缺陷时求解出材料样品无损伤时基本介电常数。

6)高斯迭代求解传播路径。参考公式(1)、(2)、(3)的求解原理，利用高斯迭代原理求解太赫兹波精确的传播路径R＝b₁+b₂及R′＝b′₂+b′₁；

6)测量收发天线的方向图增益G_T、G_R。通过查找说明书或进行实际的测试，得到发射天线和接收天线的方向图增益G_T、G_R；

7)求解三维像函数δ(x,y,z)。把步骤4)的计算结果S₃(x′,y′,f)、步骤6的)测试结果、像素坐标(x,y,z)按公式(5)进行积分求和，计算被测材料样品的三维像函数δ(x,y,z)。

8)样品内部缺陷显示。对步骤7)的计算结果进行三维图像显示、二维图像显示等分析材料样品的内部缺陷。

本发明提出的检测方法适用于主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统。

本发明中，提高介电常数的求解精度、天线增益方向图测试精度能够显著提高缺陷检测精度。

本发明中利用折射定律精确求解太赫兹波的传播路径，从而提高太赫兹三维成像精度，进而增加材料内部缺陷检测精度的思想。

本发明针对的是一种主动式的太赫兹扫描成像系统，利用折射定律精确求解出太赫兹波在被测材料中的传播路径，能够提高太赫兹材料样品三维成像精度，最后显著提高材料内部缺陷检测精度，与现有技术相比，可以在不增加任何硬件成本的条件下，提高缺陷检测准确度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，包括：

利用主动式太赫兹调频连续波扫描成像系统进行材料内部缺陷检测，通过对待测材料目标进行二维平面扫描获得目标的散射数据；

对目标的散射数据关于频域作傅里叶逆变换到时间域；

对反应在被测材料前表面和后表面的时域信号加门函数，抑制反应在被测材料前表面和后表面的时域上的强反射信号；

经过门函数处理后的信号关于时域作傅里叶变换；

求解被测材料样品的基本介电常数、利用高斯迭代原理求解太赫兹波精确的传播路径、测量收发天线的方向图增益，求解三维像函数并进行三维图像显示材料样品的内部缺陷。

2.如权利要求1所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，利用高斯迭代原理求解太赫兹波精确的传播路径时，发射天线的发射信号到达缺陷的实际传播路径R为：

入射信号传播路径：反射信号传播路径：

其中，η表示太赫兹波折射点与缺陷之间的水平方向距离，变量D表示发射天线与缺陷在水平方向的距离，h表示发射天线到介质材料前表面的距离，d表示缺陷到前表面的距离，ε_r表示介质材料的介电常数。

3.如权利要求2所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，根据snell定律构造如下方程：

利用高斯迭代求解方程g(η)＝0即可求得η，带入式(1)即可求得发射太赫兹信号到达缺陷的实际传播路径。

4.如权利要求3所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，太赫兹波由缺陷到达接收天线的实际传播路径R′：

R′＝b′₂+b′₁ (3)

b′₂缺陷的散射信号在介质中的传播路径，b′₁缺陷的散射信号在空气中的传播路径。

5.如权利要求4所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，目标三维像函数可表示为：

其中，x,y,z代表成像区域的坐标，f表示工作频率，x′,y′表示接收信号对应的x,y向坐标,S₃(x′,y′,f)为经过门函数处理后的信号关于时域t作傅里叶变换后的信号，k表示波数，j是复数的虚部表示，G_T、G_R分别表示发射天线和接收天线的方向图增益。

6.如权利要求1所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，被测材料样品的基本介电常数通过查找说明书获得或采用基本的材料测试方法测试材料样品无缺陷时求解出材料样品无损伤时基本介电常数。

7.如权利要求1所述的一种基于高斯迭代算法的太赫兹材料内部缺陷检测方法，其特征是，发射天线和接收天线的方向图增益通过查找说明书获得或进行实际的测试获得。