CN112504998B - 一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法 - Google Patents

一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，建立收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统；构建太赫兹无损成像系统的强度与入射角度的关系模型；利用太赫兹无损成像系统对无缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线；利用太赫兹无损成像系统对有缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，识别缺陷。本发明通过对太赫兹无损成像系统的光反射模型的建立和后期的太赫兹图像处理，使得镜面反射成像和漫反射成像相结合。

Description

一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法
技术领域
本发明涉及太赫兹检测技术，具体涉及一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法。
背景技术
太赫兹(THz)波因其宽带宽、能量低、穿透力强等特点被广泛应用于生物、化学等诸多领域。在无损检测中，主动太赫兹成像在检测大多数干燥、非金属和非极性材料的内部缺陷方面具有独特的优势。为了探索太赫兹波成像技术检测泡沫材料缺陷的可能性，美国纽约州伦塞勒工学院太赫兹研究中心的研究人员测量了一系列预先设置缺陷的泡沫材料样品进行无损检测，结果在同时使用的四种检测方法(其它为超声、射线和红外波)中太赫兹波效果最好。充分证明太赫兹波可以很好的对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤。对航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的成功探测使得THz波技术在无损检测领域异军突起，成为无损检测行业的新技术之一。
考虑到成本问题，目前大部分有源太赫兹无损检测系统采用的是单个源和单个探测器，通过单像素逐点扫描实现成像。而旋转镜机械扫描由于能大幅度的提升成像速度得到了广泛使用。对于太赫兹波来说，大多数物体表面处于粗糙和光滑之间。物体表面的反射由两部分组成：漫反射和镜面反射。利用收发同路式像方旋转镜机械扫描的太赫兹无损成像系统进行大视场成像时，在视场范围内，入射光无法全部垂直于被测物，整个视场无法全部实现理想镜面反射成像，缺陷无法被全部识别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，包括以下步骤：
步骤一、建立收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统；
步骤二、构建太赫兹无损成像系统的强度与入射角度的关系模型；
步骤三、利用太赫兹无损成像系统对无缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线；
步骤四、利用太赫兹无损成像系统对有缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别。
步骤二中，构建太赫兹无损成像系统的强度与入射角度的关系模型，具体方法为：
步骤2.1、构建视场范围内约束光束质量的经验函数，表示为：
Figure GDA0002915508070000021
其中，
Figure GDA0002915508070000022
为衍射中心归一化强度；θ为入射光角度；p1、p2为拟合参量；
步骤2.2、构建入射光角度对反射光强影响的双向反射分布函数，具体采用Torrance-Sparrow模型，表示为：
Figure GDA0002915508070000023
其中，BRDF为双向反射分布函数；F为菲涅耳因子；D为微面分布函数；G为几何衰减函数；k(0≤k≤1)是将漫反射与镜面反射联系起来的参量；
步骤2.3、确定反射光强与BRDF关系，表示为：
I＝I0·BRDF·cos(θ)
其中，Io为入射光强；I为反射光强；
步骤2.4、确定最终的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系，表示为：
Figure GDA0002915508070000024
步骤三和步骤四中，进行太赫兹无损检测成像测试，具体方法为：
将泡沫材料固定在铁板上，并放置在成像平面上；
利用太赫兹无损检测成像系统，获取每个数据点上的太赫兹强度信息和位置信息，并保存数据；
读取强度信息和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像。
步骤三中，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线，具体方法为：
读取无缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出每个数据点的入射光角度，获得无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布；
用强度与入射角度关系的模型进行无缺陷泡沫材料的强度与入射角关系特定曲线的拟合。
步骤四中，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别，具体方法为：
读取有缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出每个数据点的入射光角度；
根据有缺陷泡沫材料的每个数据点的入射光角度，计算出在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值；
用有缺陷泡沫材料的每个数据点的强度数据除以在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值，获得有缺陷泡沫材料的每个数据点的校正强度，并保存数据；
读取有缺陷泡沫材料的校正强度和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像，其中光斑内，缺陷处强度值较低；光斑外，缺陷强度值较高；通过观察光斑内外强度值的变化，可以实现缺陷识别。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：将镜面反射成像和漫反射成像相结合，通过无缺陷太赫兹图像的数据拟合对有缺陷太赫兹图像进行强度校正，能够利用收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统实现对泡沫材料内部缺陷的有效检测。
附图说明
图1为本发明泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法的总体流程图。
图2为本发明的收发同路式成像系统的准光学系统的示意图。
图3为本发明的收发同路式成像系统的成像示意图。
图4为本发明的收发同路式成像系统的扫描轨迹图。
图5为本发明的无缺陷泡沫材料和有缺陷泡沫材料的实物图，其中(a)为无缺陷泡沫材料的实物图，(b)为本发明的有缺陷泡沫材料的实物图。
图6为本发明的无缺陷泡沫材料和有缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像，其中(a)为无缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像，(b)为有缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像。
图7为本发明的无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布及拟合得到的无缺陷泡沫材料的强度与入射角度关系的特定曲线图，其中(a)为无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布图，(b)为数据拟合得到的无缺陷泡沫材料的强度与入射角度关系的特定曲线。
图8为本发明的有缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布及强度校正后的有缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布图，其中(a)为有缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布，(b)为强度校正后的有缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布。
图9为本发明的经强度校正后的有缺陷泡沫材料的太赫兹图像。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，包括以下步骤：
步骤一、建立一个收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统；
收发同路，使太赫兹无损成像系统的入射角度和反射角度一致，使得入射角度只需考虑与法线方向的夹角即可。像方旋转机械扫描，使扫瞄镜在水平和垂直两个方向同时做圆周运动，通过调整这两个维度的转速，实现逐点扫描。入射光角度在视场中心处为0，并且入射角度随着与视场中心距离的增加而增加。
步骤二、构建步骤一建立的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系的模型；
在步骤二中，太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系的模型构建，包括以下步骤：
(1)构建视场范围内约束光束质量的经验函数；
不一致的光束质量会对反射光强度造成影响，必须采用经验函数整体性的约束视场范围的光束质量，本发明中，约束光束质量的经验函数为：
Figure GDA0002915508070000041
其中，
Figure GDA0002915508070000042
为衍射中心归一化强度；θ为入射光角度；p1、p2为拟合参量。
(2)构建描述入射光角度对反射光强影响的双向反射分布函数(BRDF)；
双向反射分布函数描述了物体反射光波的性质，模型的构建与入射光和反射光的几何结构，及物体的固有性质有关，通常分为经验模型和物理模型。本发明中，BRDF采用Torrance-Sparrow模型。该模型为物理模型采用微面理论，对粗糙物体表面的反射光模型进行建模，表示为：
Figure GDA0002915508070000051
其中，k是一个将漫反射与镜面反射联系起来的参量(0≤k≤1)；F为菲涅耳因子；D为微面分布函数；G为几何衰减函数。
(3)确定反射光强与BRDF关系；
不同的BRDF模型之间，反射光强与BRDF的关系存在些许差异，这是因为光反射的几何模型不一致所引起的。本发明中，反射光强与BRDF关系为:
I＝I0·BRDF·cos(θ)
其中，Io为入射光强；I为反射光强。
(4)确定最终的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系。
消除光束质量和系统固有放大倍数A对反射光强的影响，得到最终关系式：
Figure GDA0002915508070000052
步骤三、利用太赫兹无损成像系统对无缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线；
在步骤三中，太赫兹无损成像系统的成像步骤包括：
(1)将泡沫材料固定在略大于被测物的铁板上，并放置在成像平面上；
(2)利用所述太赫兹无损检测成像系统，获取每个数据点上的太赫兹强度信息和位置信息，并保存数据；
(3)读取强度信息和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像；
对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线，具体方法为：
(1)读取无缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
(2)利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出每个像素点的入射光角度，获得无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布；
(3)用强度与入射角度关系的模型进行无缺陷泡沫材料的强度与入射角关系特定曲线的拟合；
步骤四、利用太赫兹无损成像系统对有缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别。
步骤四中的成像步骤与步骤三相同。而结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别，具体方法为：
(1)读取有缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
(2)利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出每个数据点的入射光角度；
(3)用有缺陷泡沫材料的每个数据点的入射光角度，计算出在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值；
(4)用有缺陷泡沫材料的每个数据点的强度数据除以在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值，获得有缺陷泡沫材料的每个数据点的校正强度，并保存数据；
(5)读取有缺陷泡沫材料的校正强度和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像；其中光斑内，缺陷处强度值较低；光斑外，缺陷强度值较高；通过观察光斑内外强度值的变化，可以实现缺陷识别。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，包括以下步骤：
步骤一、建立一个收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统；
在本实施例中，太赫兹无损成像系统主要包括：太赫兹辐射源、准光学系统，半导体探测器，电子学系统；其中，太赫兹辐射源为220GHz连续波太赫兹辐射源；准光学系统包括主镜、次镜、扫描镜、三级镜和分束片；电子学系统包括信号处理模块、电机控制模块、扫描成像模块、显示模块，如图2所示。该系统采用双焦点的配置，优化了视场范围内的分辨率。太赫兹成像系统的焦距为7.7m，在8m处进行成像，如图3所示。像方旋转机械扫描，使扫瞄镜在水平和垂直两个方向同时做圆周运动，通过调整这两个维度的转速，实现50cm×90cm视场范围的逐点采集，得到的扫描轨迹如图4所示。
步骤二、构建步骤一建立的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系的模型，包括以下步骤：
步骤2.1，构建视场范围内约束光束质量的经验函数，表示为：
Figure GDA0002915508070000071
其中，
Figure GDA0002915508070000072
为衍射中心归一化强度；θ为入射光角度；p1、p2为拟合参量。
步骤2.2，构建描述入射光角度对反射光强影响的BRDF函数，表示为：
Figure GDA0002915508070000073
其中，k(0≤k≤1)是一个将漫反射与镜面反射联系起来的参量；F为菲涅耳因子；D为微面分布函数；G为几何衰减函数。本实施例中，D,G采用Trowbridge-Reitz(TR)分布。
步骤2.3，确定反射光强与BRDF关系，表示为：
I＝I0·BRDF·cos(θ)
其中，Io为入射光强；I为反射光强。
步骤2.4，确定最终的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系，表示为：
Figure GDA0002915508070000074
步骤三、利用太赫兹无损成像系统对无缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线；
步骤四、利用太赫兹无损成像系统对有缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别。
在步骤三/四中，太赫兹无损成像系统的成像步骤包括：
(1)将尺寸为60cm×120cm的泡沫材料(如图5所示)固定在略大于被测物的铁板上，并放置在成像平面上；
(2)利用所述太赫兹无损检测成像系统，获取每个数据点上的太赫兹强度信息和位置信息，并保存数据；
(3)读取强度信息和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像；
图5示出了无缺陷泡沫材料和有缺陷泡沫材料的实物图。图6示出了无缺陷泡沫材料和有缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像。由于视场范围内，入射光线不能全部垂直于被测物的表面，导致无法在整个视场进行理想镜面反射成像。随着入射角度的增加，反射信号中镜面反射分量越来越小，漫反射分量越来越大，太赫兹图像上会出现光斑。参见图6中(a)所示的无缺陷泡沫材料对应的原始太赫兹图像，其视场中心出现巨大光斑。缺陷的存在导致不均匀界面的产生，部份光线偏离原来的传播方向，造成在缺陷处镜面反射减少和漫反射的增加。如图6中(b)所示，在光斑内，入射角度较小，镜面反射占主导地位，缺陷处镜面反射的减少造成光斑内缺陷的强度值降低；在光斑外，入射角度较大，漫反射占主导地位，缺陷处漫反射的增加造成光斑外缺陷的强度值升高。由于镜面反射和漫反射强度的差异过大，从步骤四得到的有缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像中不能够完全识别出被测物的缺陷，因此需要使用从步骤三得到的无缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像的特定曲线对有缺陷泡沫材料的原始太赫兹图像进行强度校正。
步骤三中、应用步骤二中的模型对无缺陷泡沫材料的太赫兹图像进行数据拟合，得到强度与入射角度的特定曲线，包括以下步骤：
(1)读取无缺陷泡沫材料的太赫兹图像(如图6中(a)所示)的每个数据点的强度信息和位置信息；
(2)利用位置信息，通过几何光线追踪法计算出每个数据点的入射光角度，获得无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布；
(3)用强度与入射角度关系的模型进行无缺陷泡沫材料的强度与入射角关系特定曲线的拟合；
图7中(a)为无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布，入射角度越小镜面反射分量越大，反射信号越强，即随着入射角度的增加反射信号逐渐减小；图7中(b)为拟合得到的特定曲线，描述了无缺陷泡沫板对220GHz太赫兹波的反射特性，满足入射角度越小镜面反射分量越大，反射信号越强的分布趋势。
步骤四中，应用步骤三得到的曲线对有缺陷泡沫材料的太赫兹图像进行强度校正，以识别缺陷，包括以下步骤：
(1)读取有缺陷泡沫材料的太赫兹图像(如图6中(b)所示)的每个数据点的强度信息和位置信息；
(2)利用位置信息，通过几何光线追踪法计算出每个数据点的入射光角度，获得有缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布，如图8中(a)所示；
(3)用有缺陷泡沫材料的每个数据点的入射光角度，计算出在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值；
(4)用有缺陷泡沫材料的每个数据点的强度数据除以在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值，获得有缺陷泡沫材料的每个数据点的校正强度，并保存数据；
(5)读取有缺陷泡沫材料的校正强度和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像；其中光斑内，缺陷处强度值较低；光斑外，缺陷强度值较高；通过观察光斑内外强度值的变化，可以实现缺陷识别；
本实施例中，如图8中(a)所示，缺陷的存在改变了泡沫材料的强度与入射角的特性分布，使得强度不在随着入射角度的增加而逐渐减小。经校正，有缺陷泡沫材料的强度值之间的差距明显减小，强度与入射角的特性分布没有明显的分布趋势，产生新的强度分布，如图8中(b)所示。在最终的太赫兹图像(图9)中，在光斑内，入射角度较小，镜面反射占主导地位，缺陷处镜面反射的减少造成光斑内缺陷的强度值降低；在光斑外，入射角度较大，漫反射占主导地位，缺陷处漫反射的增加造成光斑外缺陷的强度值升高。缺陷在光斑内为小角度的镜面反射成像，在光斑外为大角度的漫反射成像。通过观察整个视场范围内的强度变化，缺陷可被轻易识别。从具体的结果来看，本发明能够有效的检测出泡沫材料的缺陷。
综上所述，本发明结合漫反射成像和镜面反射成像，可以解决收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统由于入射角度的影响无法实现大视场缺陷检测的问题。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、建立收发同路式像方机械旋转镜扫描的太赫兹无损成像系统；
步骤二、构建太赫兹无损成像系统的强度与入射角度的关系模型；
步骤三、利用太赫兹无损成像系统对无缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线；
步骤四、利用太赫兹无损成像系统对有缺陷泡沫材料制成的被测物进行太赫兹无损检测成像测试，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别；
步骤三中，对无缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行数据拟合，得到强度与入射角度关系的特定曲线，具体方法为：
读取无缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出每个数据点的入射光角度，获得无缺陷泡沫材料的强度与入射角的特性分布；
用强度与入射角度关系的模型进行无缺陷泡沫材料的强度与入射角关系特定曲线的拟合；
步骤四中，结合强度与入射角度关系的特定曲线，对有缺陷泡沫材料对应的太赫兹图像数据进行强度校正，以实现缺陷识别，具体方法为：
读取有缺陷泡沫材料的太赫兹图像的每个数据点的强度信息和位置信息；
利用位置信息，结合几何光线追踪法，计算出有缺陷泡沫材料的每个数据点的入射光角度；
根据有缺陷泡沫材料的每个数据点的入射光角度，计算出在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值；
用有缺陷泡沫材料的每个数据点的强度数据除以在无缺陷泡沫材料的强度与入射角特定曲线上所对应的拟合强度值，获得有缺陷泡沫材料的每个数据点的校正强度，并保存数据；
读取有缺陷泡沫材料的校正强度和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像，以实现缺陷识别，光斑内强度值低于设定阈值，或者光斑外强度值高于设定阈值的数据点，即为缺陷点。
2.根据权利要求1所述的泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，其特征在于，步骤二中，构建太赫兹无损成像系统的强度与入射角度的关系模型，具体方法为：
步骤2.1、构建视场范围内约束光束质量的经验函数，表示为：
Figure FDA0003294799210000021
其中，
Figure FDA0003294799210000022
为衍射中心归一化强度；θ为入射光角度；p1、p2为拟合参量；
步骤2.2、构建入射光角度对反射光强影响的双向反射分布函数，具体采用Torrance-Sparrow模型，表示为：
Figure FDA0003294799210000023
其中，BRDF为双向反射分布函数；F为菲涅耳因子；D为微面分布函数；G为几何衰减函数；k(0≤k≤1)是将漫反射与镜面反射联系起来的参量；
步骤2.3、确定反射光强与BRDF关系，表示为：
I＝I0·BRDF·cos(θ)
其中，Io为入射光强；I为反射光强；
步骤2.4、确定最终的太赫兹无损成像系统的强度与入射角度关系，表示为：
Figure FDA0003294799210000024
其中A为系统固有放大倍数。
3.根据权利要求1所述的泡沫材料的大视场太赫兹无损检测方法，其特征在于，步骤三和步骤四中，进行太赫兹无损检测成像测试，具体方法为：
将泡沫材料固定在铁板上，并放置在成像平面上；
利用太赫兹无损检测成像系统，获取每个数据点上的太赫兹强度信息和位置信息，并保存数据；
读取强度信息和位置信息，并进行三维插值，得到最终的太赫兹图像。
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