CN111122585B - 基于fdtd的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，解决在太赫兹波段检测时微观缺陷无法被精确的识别，以及在针对微观缺陷检测时没有准确的微观缺陷模型的时序特征波形对照标准的问题。包括以下步骤：获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法。
背景技术
太赫兹无损检测由于受光学仪器精度及采样频率的影响，对微米量级的微观缺陷的检测效果并不理想。在时序上，太赫兹无损检测对于微观缺陷的检测原理是利用材料与缺陷的光学参数与介电性质不同，太赫兹波具有良好的穿透效果，遇到不同光学参数的介质变化会产生反射回波。使用太赫兹时域光谱技术是目前为止在实际检测中检测精度最高的检测手段，但是仍由于微观缺陷的厚度过于薄或者缺陷直径过小，会产生无法区分微观缺陷的反射回波和金属板的反射回波或两回波重叠在同一时序位置中，时域波形的变化难以区分；并且在实际对于微米量级的微观缺陷的检测中，理论上应该产生的多次回波，但是由于空气噪声的影响，在实际检测的时域谱上由于多次回波与空气噪声量级相当，产生无法观测的效应。微观缺陷的产生往往会引起原本介质产生设计以外的情况。在太赫兹波段，时序上对于材料微观缺陷的检测无法给出一个定量的检测标准。目前的微观缺陷精度制作苛刻、并且实验对照组过于复杂，直接做实验进行定性定量分析显然是不符合实际的。
由于基于时域有限差分方法是时间域上对于电磁场正向求解，因为使用时域有限差分方法，将实际检测的太赫兹光源进行信号处理，将实际信号通过编译导入仿真软件，获取与实际检测信号最接近的光源信息，并建立色散介质与非色散介质的光学参数模型对材料进行优化、建立色散介质的微观缺陷仿真模型及非色散介质的微观缺陷仿真模型。通过电磁仿真，获取不同介质模型、不同厚度的微观缺陷时序特征波形。因此，可以完成对太赫兹波段微观缺陷仿真模型更加精确的反演微观缺陷是否存在以及更加精确的完成标定微观缺陷的微观厚度。
发明内容
本发明的目的是解决在太赫兹波段检测时微观缺陷无法被精确的识别，以及在针对微观缺陷检测时没有准确的微观缺陷模型的时序特征波形对照标准的问题。提出了一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；
步骤2、对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；
步骤3、建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；
步骤4、太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。
进一步地，所述步骤1获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理具体包括以下步骤：
1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；
1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)；
1-3.对太赫兹反卷积后时域信号E(t)进行一维傅里叶变换，得到太赫兹反射式参考信号的频域信息E(w)，并获取参考信号振幅信息|E(w)|及相位信息φ(w)。
进一步地，所述步骤2对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合具体包括以下步骤：
通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段色散介质的光学参数；
2-2.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段非色散介质的光学参数；
2-3.去除不同介质光学参数的奇异点；
2-4.将不同介质进行透射式检测，得到随频率变化的光学参数并使用德拜优化模型进行优化。
进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
3-1.通过FDTD仿真软件建立反射式仿真微观缺陷模型；
3-2.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段不同厚度的反射式微观缺陷模型；
3-3.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段微观缺陷分布不同位置的反射式模型；
3-4.基于FDTD仿真软件对微观缺陷进行电磁场仿真；
3-5.利用不同对照组实验的反射回波的幅值及相位变换、反射回波飞行时间差、多次反射回波波形构建与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形。
进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
4-1.通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况；
4-2.完成标定微观缺陷的微观厚度。
更进一步地，所述步骤4-1通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况，在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时，通过与无微观缺陷的参考波形进行对比，依据波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变换判断是否含有微观缺陷。
更进一步地，所述步骤4-2完成标定微观缺陷的微观厚度，在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波明确可分时，通过光在介质中的传播计算微观缺陷的厚度d：
其中，c为真空中的光速，n为微观缺陷的缺陷介质折射率，Δt为两个波形的飞行时间差。
本发明有益效果如下：
针对现有基于时域有限差分仿真方法在太赫兹波段的微观缺陷的时序缺陷判定及检测方法在实验中，太赫兹波段对于色散及非色散介质中含有微观缺陷(微米量级)，不能检出是否含有缺陷以及不能判断厚度尺度的问题，本发明提出建立不同种类介质微观缺陷仿真模型，获取理论波形从而分析指导实际试验的可检测的尺度。该方法提取构建了实际太赫检测信号的光源输入及太赫兹波段的光学参数提取及优化，得到了多组与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形。通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况以及完成标定微观缺陷的微观厚度。该方法是基于计算机建模仿真和数学仿真等软件算法，易于操作而且具有准确的计算结果以及较高的检测效率，可以达到在宽光谱太赫兹波段微米量级的纵向分辨率。
附图说明
图1是基本发明流程图；
图2是编译实际检测的太赫兹光源的时域信号波形图；
图3是编译实际检测的太赫兹光源的频域信号波形图
图4是在FDTD中介质的光学参数优化拟合图；
图5是在FDTD中介质的光学参数优化拟合图；
图6是基于时域有限差分方法的太赫兹波段微观缺陷尺度成像模型；
图7是在微观缺陷的反射回波与基底金属板不可明确区分或重叠时的时序特征波形；
图8是在微观缺陷的反射回波与基底金属板明确可分时的时序特征波形。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，具体包括如下步骤：
步骤1、编译实际检测的太赫兹光源。对太赫兹光源进行信号处理，将实际信号通过编译导入FDTD仿真软件；
1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；
1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)，反卷积公式为：
E(t)＝F-1{F[E0(t)]·W(ω)} (1)
其中，W(ω)为维纳滤波器。维纳滤波器作为反向滤波器避免发散。维纳滤波器可定义为：
其中，a为被测信号功率与噪声功率的比值，也可假设其为常数。
1-3.对太赫兹反卷积后时域信号E(t)进行一维傅里叶变换，获取频域信息E(w)以及获取参考信号振幅信息|E(w)|及相位信息φ(w)。一维傅里叶变换的表达式为：
E(w)＝F[E(t)] (3)
其中，E(w)为太赫兹反射式参考信号的频谱信息，F表示为傅里叶变换方法。
对于太赫兹反射式光源参考信号的频谱E(w)是复数，复数形式表达式为：
E(w)＝RE(w)+iIE(w) (4)
获取太赫兹频谱信号的相位信息φ(w)，以及太赫兹频谱信号的振幅信息|E(w)|，公式如下：
其中，RE(w)为太赫兹频谱信号的实部，IE(w)为太赫兹频谱信号的虚部。实际检测的太赫兹光源信号进行编译后的时频域信号波形如图2、图3所示。
步骤2所述的对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合，以非色散介质HDPE为例，具体方法如下：
2-1.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段色散介质的光学参数即折射率和消光系数；
2-2.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段非色散介质的光学参数即折射率和消光系数；
2-3.去除不同介质光学参数的奇异点；
获取色散介质或非色散介质的光学参数，将不同介质的光学参数中低频段或高频段的奇异点去除。
2-4.获取复折射率模数据进行参数优化拟合，实验及拟合曲线。德拜模型公式为：
其中εs,p零频时的相对介电常数；ε∞，p为无穷大频率时的相对介电常数；τp为极点弛豫时间。将不同介质进行透射式检测得到随频率变化的光学参数使用德拜优化模型进行优化，得出仿真使用的光学参数连续曲线。得到的非色散介质HDPE光学参数的实际及拟合曲线如图4、图5所示。
步骤3、仿真模型样本库的建立；
3-1.通过FDTD(时域有限差分法)仿真软件建立反射式仿真微观缺陷模型；
3-2.通过FDTD仿真软件建立色散介质的太赫兹波段不同厚度的反射式微观缺陷模型；
3-3.通过FDTD仿真软件建立非色散介质的太赫兹波段不同厚度的反射式微观缺陷模型；
3-4.通过FDTD仿真软件建立色散介质的太赫兹波段微观缺陷分布不同位置的反射式模型；
3-5.通过FDTD仿真软件建立色散介质的太赫兹波段微观缺陷分布不同位置的反射式模型；
建立不同厚度、不同位置的色散介质及非色散介质的反射微观缺陷模型如图6所示。
3-6.基于FDTD仿真软件对微观缺陷进行电磁场仿真；
3-7.利用不同对照组实验的反射回波的幅值及相位变换、反射回波飞行时间差、多次反射回波波形构建与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形。
步骤4、太赫兹波段微观缺陷仿真模型反演微观缺陷的存在以及完成标定微观缺陷的微观厚度。
4-1.通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况；
在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时，可以通过与无微观缺陷的参考波形进行对比，依据波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变换判断是否含有微观缺陷。
4-2.完成标定微观缺陷的微观厚度。
在微观缺陷的反射回波与基底金属板明确反射回波可分时，可以通过光在介质中的传播反演微观缺陷的厚度d，计算公式为：
其中，d为微观缺陷厚度，c为真空中的光速，n为微观缺陷的缺陷介质折射率，Δt为两个波形的飞行时间差。
实施例1：
本发明能够对在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时，可以通过与无微观缺陷的参考波形进行对比，依据波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变换判断是否含有微观缺陷，可判断是否含有微观缺陷的精度为高于60微米。首先根据图6建立时域有限差分电磁仿真理论模型，用建立的模型对微观缺陷的厚度尺寸进行计算机仿真，并模拟得到不同缺陷模型的特征波形。
如图7为微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时的时域特征波形图。图7中虚线表示在2mm厚非色散介质与金属基底间无缺陷的参考波形，图7中实线表示在2mm厚非色散介质与金属基底间连接处存在60微米微观缺陷的波形。图7的缺陷模型设置是在非色散介质中在2mm厚介质与金属基底连接处存在60微米微观缺陷，图7中对照参考无缺陷模型设置是在2mm厚非色散介质与金属基底间无缺陷；图7横坐标表示时间，纵坐标表示归一化幅值。图7中无缺陷参考波形中，59.67ps为太赫兹波从空气到非色散介质表面产生的反射回波，80.27ps为太赫兹波从非色散介质到金属表面产生的反射回波主脉冲，主脉冲左侧为左旁瓣并且在79.89ps时出现。图7中60微米微观缺陷波形中，59.67ps为太赫兹波从空气到非色散介质表面产生的反射回波主脉冲，80.04ps为太赫兹波从非色散介质到金属表面产生的反射回波，主脉冲左侧79.66ps处出现与左旁瓣相叠加的波谷，主脉冲左旁瓣加深并且与波谷无法区分。在图7中，60微米微观缺陷波形的波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变化与参考波形明显可以区分。所以，可以通过多参数特征波形变换，判断是否含有微观缺陷。通过仿真可以指导在实际检测存在缺陷的样块时，多大尺度的微观缺陷可以通过波形的变化判断，多大尺度的微观缺陷可以通过时序波形计算。
实施例2：
本发明能够对在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波明确可分时，可以通过光在介质中的传播计算微观缺陷的厚度。可计算是否含有微观缺陷的厚度精度为高于100微米。首先根据图6建立时域有限差分电磁仿真理论模型，用建立的模型对微观缺陷的厚度尺寸进行计算机仿真，并模拟得到不同缺陷模型的特征波形。
如图8为微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波明确可分时的时域特征波形图。图8中虚线表示在2mm厚非色散介质与金属基底间无缺陷的参考波形，图8中实线表示在2mm厚非色散介质与金属基底间连接处存在200微米微观缺陷的波形。图8的缺陷模型设置是在非色散介质中在2mm厚介质与金属基底连接处存在200微米微观缺陷，图8中对照参考无缺陷模型设置是在2mm厚非色散介质与金属基底间无缺陷；图8横坐标表示时间，纵坐标表示归一化幅值。图8中无缺陷参考波形中，59.67ps为太赫兹波从空气到非色散介质表面产生的反射回波，80.27ps为太赫兹波从非色散介质到金属表面产生的反射回波主脉冲，主脉冲左侧为左旁瓣并且在79.89ps时出现。图8中200微米微观缺陷波形中，59.67ps为太赫兹波从空气到非色散介质表面产生的反射回波主脉冲，79.54ps为太赫兹波从非色散介质到金属表面产生的反射回波，主脉冲左侧旁瓣79.17ps与太赫兹光波从非色散介质到微观缺陷产生的波谷78.19ps可以明显区分。在图8中，200微米微观缺陷厚度可以通过公式(8)计算。通过仿真可以指导在实际检测存在缺陷的样块时，多大尺度的微观缺陷可以通过波形的变化判断，多大尺度的微观缺陷可以通过时序波形计算。
Claims (3)
1.一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；
步骤2、对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；
步骤3、建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；所述步骤3具体包括以下步骤：
3-1.通过FDTD仿真软件建立反射式仿真微观缺陷模型；
3-2.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段不同厚度的反射式微观缺陷模型；
3-3.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段微观缺陷分布不同位置的反射式模型；
3-4.基于FDTD仿真软件对微观缺陷进行电磁场仿真；
3-5.利用不同对照组实验的反射回波的幅值及相位变换、反射回波飞行时间差、多次反射回波波形构建与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形；
3-6.基于FDTD仿真软件对微观缺陷进行电磁场仿真；
3-7.利用不同对照组实验的反射回波的幅值及相位变换、反射回波飞行时间差、多次反射回波波形构建与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形；
步骤4、太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度；所述步骤4具体包括以下步骤：
4-1.通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况；在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时，通过与无微观缺陷的参考波形进行对比，依据波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变换判断是否含有微观缺陷；
4-2.完成标定微观缺陷的微观厚度：在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波明确可分时，通过光在介质中的传播计算微观缺陷的厚度d：
其中，c为真空中的光速，n为微观缺陷的缺陷介质折射率，Δt为两个波形的飞行时间差。
2.如权利要求1所述的一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，所述步骤1获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理具体包括以下步骤：
1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；
1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)；
1-3.对太赫兹反卷积后时域信号E(t)进行一维傅里叶变换，得到太赫兹反射式参考信号的频域信息E(w)，并获取参考信号振幅信息|E(w)|及相位信息φ(w)。
3.如权利要求1所述的一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，所述步骤2对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合具体包括以下步骤：
通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段色散介质的光学参数；
2-2.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段非色散介质的光学参数；
2-3.去除不同介质光学参数的奇异点；
2-4.将不同介质进行透射式检测，得到随频率变化的光学参数并使用德拜优化模型进行优化。
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