CN111122502A - 基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法 - Google Patents

基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，针对高孔隙率胶接结构的渗胶现象，根据膜间渗透理论优化原有太赫兹波传播仿真模型，提出基于渐变折射率模型的太赫兹传播仿真模型，实现了对渗胶界面的有效仿真，为渗胶界面的折射率检测和渗胶厚度分析提供理论基础；针对渗胶界面厚度难以有效计算的问题，粒子群优化算法对渐变折射率模型进行优化，利用优化后的渐变折射率模型可获取材料的渗胶厚度，达到对材料厚度各区域厚度估计及均匀性评估的目的；针对渗胶界面的粘接质量分析，可通过优化后的传播仿真模型获得的仿真波形与实际各区域波形进行相关系数计算获得各区域相关系数值，作为粘接质量评估的一个标准。

Description

基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法
技术领域
本发明属于胶接结构渗胶界面无损检测领域，具体涉及一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法。
背景技术
随着胶接结构类型的日益增多，其应用已比较广泛。部分胶接结构材料孔隙率较大，对于孔隙率较高的材料如PMI材料，采用传统无损检测方法如超声、红外等技术有一定局限性，而太赫兹技术具有穿透性等优点，因此越来越多的高孔隙率材料采用太赫兹无损检测技术检测胶接质量及胶接均匀性。
但是在实际胶接过程中，容易出现胶层在胶接材料中的渗透现象，导致形成渐变界面，在太赫兹检测中，界面渐变导致了胶接界面折射率的差异，在胶接均匀性方面若采用单一折射率评价其厚度均匀性存在一定误差；由于渐变界面的产生，致使界面太赫兹回波脉宽变化，若存在脱粘等缺陷，缺陷回波信息将混杂在界面回波中，为检测带来一定难度。
现有的太赫兹传播仿真方法主要集中于各层材料厚度的检测，并未考虑到高孔隙率材料渗胶导致的太赫兹波形的变化，无法对胶接结构渗胶提供理论指导。因此，针对高孔隙率材料的渗胶厚度分析及粘接情况分析亟需一种合适的优化仿真方法。
发明内容
本发明的目的在于，提高渐变折射率结构的厚度检测精度和缺陷识别能力；将膜间渗透理论融合太赫兹传播仿真技术，优化太赫兹传播仿真模型，达到利用太赫兹传播仿真模型对致密性较低材料的胶层渗透问题进行分析，同时估算其渗胶厚度及折射率，为此，本发明提出了一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化仿真方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，包括以下步骤：
步骤一、配置太赫兹时域光谱系统为透射式检测方式，分别记录无样品状态下及放置检测样品状态下的太赫兹时域信号，获取检测样品高孔隙率材料及胶的光学参数；
步骤二、配置太赫兹时域光谱系统为反射式检测方式，利用反射式太赫兹时域光谱系统，采集调整至焦距处的金属板反射太赫兹频域信号，将其除以金属板反射率及镜头至金属板的空气相位延迟，获得仿真输入信号；
步骤三、利用反射式太赫兹时域光谱系统采集高孔隙率材料胶接结构的太赫兹时域信号，设置行列采集步长分别为M、N，获得M×N×T的太赫兹数据集合IM，T为数据长度；
步骤四、建立初始传播仿真模型：利用菲涅尔系数和电磁波传播方程，在频域上建立初始THz传播仿真模型；利用逆傅里叶变换将其转变为时域上的太赫兹传播仿真模型；
步骤五、设置渐变折射率模型初值：根据洛伦兹—洛伦茨理论获得初始理论渐变折射率层的曲线，在渐变折射率曲线上每隔相同距离选取一个折射率作为折射率初值；
步骤六、设置适应度函数：选取实际太赫兹检测集合IM中的某一区域的某典型太赫兹信号或平均信号Wm,n(t)，该处的仿真模拟太赫兹信号为ER(t)，利用皮尔森相关系数作为两者适应度函数；
步骤七、粒子群算法优化仿真模型；
步骤八、将输出渐变折射率模型代入传播仿真模型中。获得的dekz可以作为渗胶层厚度的离散值，采用粒子群、蚁群等优化算法可实现实际胶接结构中胶层厚度的优化拟合。利用改进后的仿真波形Eo(t)可计算实际检测信号与基于渐变折射率模型的传播仿真信号的相关系数，该相关系数可用于评价胶接结构的胶接质量。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对高孔隙率胶接结构的渗胶现象，根据膜间渗透理论优化原有太赫兹波传播仿真模型，提出基于渐变折射率模型的太赫兹传播仿真模型，实现了对渗胶界面的有效仿真，为渗胶界面的折射率检测和渗胶厚度分析提供理论基础。
针对渗胶界面厚度难以有效计算的问题，粒子群优化算法对渐变折射率模型进行优化，利用优化后的渐变折射率模型可获取材料的渗胶厚度，达到对材料厚度各区域厚度估计及均匀性评估的目的。
针对渗胶界面的粘接质量分析，可通过优化后的传播仿真模型获得的仿真波形与实际各区域波形进行相关系数计算获得各区域相关系数值，作为粘接质量评估的一个标准。
附图说明
图1为有机硅胶应变隔离垫折射率图；
图2为有机硅胶应变隔离垫消光系数图；
图3为渗胶界面实际典型波形图；
图4为初始传播仿真模型仿真波形图；
图5为初始传播仿真模型仿真波形图；
图6为渗胶界面仿真模型结构图；
图7为初始渐变折射率曲线图；
图8为渐变折射率传播仿真模型仿真波形图；
图9为本发明的流程示意图。
具体实施方式
为了使发明的目的、技术方案及优点更加地清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，包括以下步骤：
步骤一、配置太赫兹时域光谱系统为透射式检测方式，分别记录无样品状态下及放置检测样品状态下的太赫兹时域信号，求解检测样品高孔隙率材料的折射率n1(ω)、消光系数κ1(ω)及胶的折射率n2(ω)、消光系数κ2(ω)光学参数如图1、2所示。
步骤二、配置太赫兹时域光谱系统为反射式检测方式，将表面反射系数为r以上的金属板放置在太赫兹镜头下，采集太赫兹时域信号将其设置参考信号Emirror(t)，同时对其进行傅里叶变换获得其对应的参考频域信号Emirror(ω)；采用景深微调结构，调整太赫兹镜头与金属板之间的距离，对比实时、频域信号，及时更换参考信号直至时、频信号的能量均为最佳即可。将调整好后的太赫兹频域信号Emirror(ω)，除以金属板反射系数r及焦距产生的空气相位延迟P0(ω)，作为仿真输入信号Eref(ω)。
Figure BDA0002348435720000041
其中，
Figure BDA0002348435720000042
为空气的复折射率，c为光速，l0为太赫兹到金属板的距离即焦距，ω为频率，i为虚数单位。
步骤三、利用反射式太赫兹时域光谱系统采集高孔隙率材料胶接结构的太赫兹时域信号，设置行列采集步长分别为M，N，采集步距为1mm，获得M×N×T的太赫兹数据集合IM，其中Wm,n(t)为点(m,n)的太赫兹时域信号，典型波形如图3所示，其数据长度为T。
步骤四、建立初始传播仿真模型。根据电磁波传播理论，利用菲涅尔系数和电磁波传播方程，在频域上建立初始THz传播仿真模型，
如图4所示，经过两层结构样品的反射太赫兹波可写为：
Figure BDA0002348435720000043
其中，Eref(ω)和H(ω)分别为输入的参考信号和仿真模型的传递函数；
Ri,i+1(ω),Ti,i+1(ω)分别为太赫兹波通过第i层介质到第i+1层介质所对应的反射系数和透射系数的傅里叶变换；Pi(ω)为太赫兹波在不同介质传输等效时间延迟后产生的相移。记该段材料几何厚度为li，Pi(ω)的表达式为：
Figure BDA0002348435720000051
其中，
Figure BDA0002348435720000052
为材料的复折射率，
Figure BDA0002348435720000053
c为光速，ω为频率，i为虚数单位。
利用逆傅里叶变换将其转变为时域上的太赫兹传播仿真模型，即设仿真模型中入射THz脉冲经过傅里叶变换可表示成Eref(ω)，反射THz光谱ER(ω)与反射式传递函数HR(ω)之间的函数关系,反射式THz波的时域信号如图5所示为其频域信号所对应的逆傅里叶变换，即：
Figure BDA0002348435720000054
步骤五、设置渐变折射率模型初值，渗胶模型如图6所示根据洛伦兹—洛伦茨理论，假定可得：
Figure BDA0002348435720000055
其中，h为形成的渐变折射率层厚度，dj为渐变折射率层第j层的厚度，
Figure BDA0002348435720000056
为胶层折射率，
Figure BDA0002348435720000057
为应变隔离垫的折射率，
Figure BDA0002348435720000058
为渐变折射率层第j层的折射率。利用该式可获得初始理论渐变折射率层的曲线，如图7所示在渐变折射率曲线上隔相同距离选取一个折射率作为折射率初值，其中选取的折射率不应小于5个，折射率初值
Figure BDA0002348435720000059
各层厚度初值均为dkz。
步骤六、设置适应度函数，选取实际太赫兹检测集合IM中的某一区域的某典型太赫兹信号或平均信号Wm,n(t)，该处的仿真模拟太赫兹信号为ER(t)，适应度函数可表示为
Figure BDA0002348435720000061
其中
Figure BDA0002348435720000062
为ER(t)平均值，
Figure BDA0002348435720000063
为Wm,n的平均值，Cov(ER,Wm,n)为两者的协方差，
Figure BDA0002348435720000064
仿真模拟太赫兹信号的标准差，
Figure BDA0002348435720000065
为Wm,n(t)的标准差，t为信号的长度。
步骤七、粒子群算法优化仿真模型，设置粒子群初值为
Figure BDA0002348435720000066
种群数量为5000，迭代终止条件为相关系数变化率小于1×10-4，输出渐变折射率模型
Figure BDA0002348435720000067
Figure BDA0002348435720000068
各层厚度为dekz，
Figure BDA0002348435720000069
步骤八、将输出渐变折射率模型(包括各层折射率和厚度)代入传播仿真模型中，见公式：
Figure BDA00023484357200000610
其中，Ri,i+1(ω),Ti,i+1(ω)分别为太赫兹波通过第i层介质到第i+1层介质所对应的反射系数和透射系数的傅里叶变换；Pkz(ω)为太赫兹波在渐变折射率界面传输等效时间延迟后产生的相移。
Figure BDA00023484357200000611
同时，获得的dekz可以作为渗胶层厚度的离散值，采用粒子群、蚁群等优化算法可实现实际胶接结构中胶层厚度的优化拟合。
可利用改进后的仿真波形Eo(t)如图8所示计算实际检测信号与基于渐变折射率模型的传播仿真信号的相关系数，该相关系数可用于评价胶接结构的胶接质量。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、配置太赫兹时域光谱系统为透射式检测方式，分别记录无样品状态下及放置检测样品状态下的太赫兹时域信号，获取检测样品高孔隙率材料及胶的光学参数；
步骤二、配置太赫兹时域光谱系统为反射式检测方式，利用反射式太赫兹时域光谱系统，采集调整至焦距处的金属板反射太赫兹频域信号，将其除以金属板反射率及镜头至金属板的空气相位延迟，获得仿真输入信号；
步骤三、利用反射式太赫兹时域光谱系统采集高孔隙率材料胶接结构的太赫兹时域信号，设置行列采集步长分别为M、N，获得M×N×T的太赫兹数据集合IM，T为数据长度；
步骤四、建立初始传播仿真模型：利用菲涅尔系数和电磁波传播方程，在频域上建立初始THz传播仿真模型；利用逆傅里叶变换将其转变为时域上的太赫兹传播仿真模型；
步骤五、设置渐变折射率模型初值：根据洛伦兹—洛伦茨理论获得初始理论渐变折射率层的曲线，在渐变折射率曲线上每隔相同距离选取一个折射率作为折射率初值；
步骤六、设置适应度函数：选取实际太赫兹检测集合IM中的某一区域的某典型太赫兹信号或平均信号Wm,n(t)，该处的仿真模拟太赫兹信号为ER(t)，利用皮尔森相关系数作为两者适应度函数；
步骤七、粒子群算法优化仿真模型；
步骤八、将输出渐变折射率模型代入传播仿真模型中。
2.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤一获取的光学参数包括检测样品高孔隙率材料的折射率n1(ω)、消光系数κ1(ω)及胶的折射率n2(ω)、消光系数κ2(ω)。
3.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤二包括以下具体过程：
将表面反射系数为r以上的金属板放置在太赫兹镜头下，采集太赫兹时域信号并将其设置为参考信号Emirror(t)，同时对其进行傅里叶变换获得其对应的参考频域信号Emirror(ω)；采用景深微调结构，调整太赫兹镜头与金属板之间的距离，对比时域信号、频域信号，并实时更换参考信号；将调整后的太赫兹频域信号Emirror(ω)除以金属板反射系数r及焦距产生的空气相位延迟P0(ω)，作为仿真输入信号Eref(ω)：
Figure FDA0002348435710000021
其中，
Figure FDA0002348435710000022
为空气的复折射率，c为光速，l0为太赫兹到金属板的距离即焦距，ω为频率，i为虚数单位。
4.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤四包括以下具体过程：
根据电磁波传播理论，利用菲涅尔系数和电磁波传播方程，在频域上建立初始THz传播仿真模型：
反射太赫兹波可写为：
Figure FDA0002348435710000023
其中，Eref(ω)和H(ω)分别为输入的参考信号和仿真模型的传递函数；Ri,i+1(ω),Ti,i+1(ω)分别为太赫兹波通过第i层介质到第i+1层介质所对应的反射系数和透射系数的傅里叶变换；Pi(ω)为太赫兹波在不同介质传输等效时间延迟后产生的相移；
利用逆傅里叶变换将其转变为时域上的太赫兹传播仿真模型：
设仿真模型中入射THz脉冲经过傅里叶变换可表示成Eref(ω)，反射THz光谱ER(ω)与反射式传递函数HR(ω)之间的函数关系，反射式THz波的时域信号为其频域信号所对应的逆傅里叶变换，即：
Figure FDA0002348435710000031
5.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤五包括以下过程：
根据洛伦兹—洛伦茨理论，假定可得：
Figure FDA0002348435710000032
其中，h为形成的渐变折射率层厚度；dj为渐变折射率层第j层的厚度；
Figure FDA0002348435710000033
为胶层折射率；
Figure FDA0002348435710000034
为应变隔离垫的折射率；
Figure FDA0002348435710000035
为渐变折射率层第j层的折射率；
利用上式可获得初始理论渐变折射率层的曲线，在渐变折射率曲线上隔相同距离选取一个折射率作为折射率初值，折射率初值
Figure FDA0002348435710000036
Figure FDA0002348435710000037
各层厚度初值均为dkz。
6.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤六中设置的额适应度函数可表示为：
Figure FDA0002348435710000038
其中，
Figure FDA0002348435710000039
为ER(t)平均值，
Figure FDA00023484357100000310
为Wm,n的平均值，Cov(ER,Wm,n)为两者的协方差，
Figure FDA0002348435710000041
仿真模拟太赫兹信号的标准差，
Figure FDA0002348435710000042
为Wm,n(t)的标准差，t为信号的长度。
7.如权利要求1所述的一种基于脉冲太赫兹技术的渗胶界面折射率粒子群优化方法，其特征在于，所述步骤八将输出渐变折射率模型代入传播仿真模型，公式为：
Figure FDA0002348435710000043
其中，Ri,i+1(ω),Ti,i+1(ω)分别为太赫兹波通过第i层介质到第i+1层介质所对应的反射系数和透射系数的傅里叶变换；Pkz(ω)为太赫兹波在渐变折射率界面传输等效时间延迟后产生的相移。
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