CN115326745A - 一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无损检测领域，具体为一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其包括以下步骤；S1、基于DAST和DASC晶体组装THz时域光谱系统；S2、输出稳定的THz波；S3、THz波在特定材料中的光学参数提取及分析；S4、待检测材料的缺陷功率谱成像分析；S5、对比结合S3和S4构建无损检测技术模型；S6、通过无损检测技术模型对电力安全工器具进行无损检测。本发明利用硬件系统辐射并扫描实际样件，得到系统的输出信号，然后选择相应的重建算法进行处理，实现了被测目标的THz成像。该方法不仅为电力安全工器具的质量管理提供技术支持，而且还为其他电力安全检测技术提供了一种新的方法和途径。
Description
技术领域
本发明涉及无损检测技术领域，尤其涉及一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法。
背景技术
THz无损检测技术作为一种新兴的基于射线的无损检测技术，可不需要超声必备的耦合剂，并且对于很多非极性材料和电介质材料具有很强的穿透力，能够实现塑料、陶瓷、橡胶、木材、泡沫材料等不透明物体的检测。与射线检测时使用的其他频段电磁波相比，THz的单光子能量仅有毫电子伏特量级，不会因为电离而损坏被检测物质，也不会伤害检测人员和污染环境，加上非接触的检测方式使THz检测成为真正意义上的无损检测技术。此外，典型的THz脉宽在皮秒量级，通过THz取样技术，能够明显抑制周围环境噪声的干扰。因此，就橡胶和复合绝缘材料的无损检测而言，THz无损检测技术凭借其安全、有效、非接触及抗干扰等特性更具优势，而电力安全工器具主要由橡胶和复合绝缘材料制成，因此THz无损检测技术在电力安全工器具上存在巨大的应用潜力。
但现有技术中THz主要用于安全检查和军事制导，用于材料无损检测的还比较少，且它们的带宽窄，带宽中心频率比低，从而分辨率差，平面和距离分辨率相差较大，还难以在电力安全工器具上进行精准的无损检测。
发明内容
本发明目的是针对背景技术中存在的现有THz无损检测技术难以应用于电力安全工器具上的问题，提出一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法。
本发明的技术方案：一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，包括以下步骤；S1、基于DAST和DASC晶体组装THz时域光谱系统；S2、输出稳定的THz波；S3、THz波在特定材料中的光学参数提取及分析；S4、待检测材料的缺陷功率谱成像分析；S5、对比结合S3和S4构建无损检测技术模型；S6、通过无损检测技术模型对电力安全工器具进行无损检测。
优选的，S1中，THz时域光谱系统由飞秒激光器、THz波产生和探测装置以及时间延迟控制装置组成；飞秒激光器产生波长为780nm的激光，经分束器分成两束，一束激光作为泵浦光，另一束激光作为探测光，其中，泵浦光经太赫兹光电导天线产生THz辐射，两束光均会聚至电光晶体且光程相等，THz辐射使电光晶体发生双折射效应，λ/4波片使探测光变成椭圆偏振光，沃拉斯顿棱镜产生两束彼此分开、振动方向互相垂直的线偏振光，平衡式光电探测器通过检测这两束线偏振光获得THz辐射强度。
优选的，S2中，对THz时域信号进行反卷积处理，设经过样品反射后由探测器接收到的信号为y(t)，由平面反射镜反射后由探测器接收到的信号设为x(t)，引入样品的传递函数h(t)，则有：
即经过样品反射的信号y(t)为由平面镜反射的信号x(t)与传递函数h(t)的卷积，通过反卷积处理技术将THz-TDS系统的THz时域信号转化成一个形似高斯脉冲的无旁瓣单峰脉冲，时域信号在在半波宽度上有明显减少，进而提高系统的纵向分辨能力。
优选的，S3中，光学参数包括透射率、折射率和吸收系数；采用复折射率n～(ω)＝n(ω)-jk(ω)来表征材料的光学性能，其中实数部分n(ω)为材料的折射率，表征材料的色散特性，它决定着光在材料中的传播速度，虚部部分k(ω)为消光系数，表征光波在材料中传播时的衰减，即透射率，它与描述材料吸收特性的吸收系数α(ω)有如下关系：α(ω)＝2ωk(ω)/c，其中c为真空中的光速；检测方式为透射模式和反射模式。
优选的，S4中，在橡胶和复合绝缘材料中预制脱粘、夹杂和空洞缺陷，分别采用THz时域光谱对反射和透射的两种方式进行成像比较研究，为获得内部缺陷的信息，使用扩展时间窗口的方法进行检测，按这种方法，脱粘缺陷成像中，反射和透射成像都能检测到橡胶复合材料预制在底层内部的缺陷；成像方法包括峰值、振幅值对比成像法，能量对比成像法，特定频率成像法以及层析成像法。
优选的，S5中，在支持向量机的模型上，选择时域、频域和时频域的信号能量误差A1，低瓣谐波频域能量A2，频谱最大值A3为相关特征向量，建立回波仿真模型，并通过基K平均聚类算法对数据进行压缩，提高训练精度；通过归一化处理训练样本集，满足程序运行收敛的速度，可以有效地避免最小化奇异值引发的干扰，提高训练的速度，在支持向量机模型的基础上，针对特征向量的非线性问题，对特征进行加权，应用列联表对各特征的重要性进行分析。
优选的，S6中，对每个电力安全工器具进行二维逐点式扫查，扫查方向为X方向和Y方向，步进距离为0.5mm，系统每在Y轴方向步进0.5mm，就会在X轴上以0.5mm步进行扫查，并将THz探测器采集的各点的THz时域波形与该点所在的空间坐标进行对应，进而获得与空间坐标对应的THz波形数据阵列，最后通过算法，从该数据阵列中提取所需的被检物信息并对其进行重构，获得对应的THz图像。
与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：根据电力安全工器具的无损检测场合，分别制备了相应的被测样品，计算了样品的折射率，将硬件系统与重建算法相结合，利用硬件系统辐射并扫描实际样件，得到系统的输出信号，然后选择相应的重建算法进行处理，实现了被测目标的THz成像。该方法不仅为电力安全工器具的质量管理提供技术支持，而且还对其他电力安全检测技术提供一种新的方法和途径，有力保障了电网安全。
附图说明
图1为本发明一种实施例的流程图；
图2为THz时域光谱系统的结构示意图；
图3为THz辐射波产生和探测系统的光路示意图。
具体实施方式
实施例一
如图1和图3所示，本发明提出的一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，包括以下步骤；
S1、基于DAST和DASC晶体组装THz时域光谱系统，用来输出THz波；
S2、输出稳定的THz波；对THz时域信号进行反卷积处理，设经过样品反射后由探测器接收到的信号为y(t)，由平面反射镜反射后由探测器接收到的信号设为x(t)，引入样品的传递函数h(t)，则有：
即经过样品反射的信号y(t)为由平面镜反射的信号x(t)与传递函数h(t)的卷积，通过反卷积处理技术将THz-TDS系统的THz时域信号转化成一个形似高斯脉冲的无旁瓣单峰脉冲，时域信号在在半波宽度上有明显减少，进而提高系统的纵向分辨能力；
S3、THz波在特定材料中的光学参数提取及分析，主要对THz波在橡胶和复合绝缘材料中的传播进行参数提取以及性能分析；
S4、待检测材料的缺陷功率谱成像分析，主要分析THz波在橡胶和复合绝缘材料中不同缺陷下的功率谱成像；
S5、对比结合S3和S4构建无损检测技术模型；在支持向量机的模型上，选择时域、频域和时频域的信号能量误差A1，低瓣谐波频域能量A2，频谱最大值A3为相关特征向量，建立回波仿真模型，并通过基K平均聚类算法对数据进行压缩，提高训练精度；通过归一化处理训练样本集，满足程序运行收敛的速度，可以有效地避免最小化奇异值引发的干扰，提高训练的速度，在支持向量机模型的基础上，针对特征向量的非线性问题，对特征进行加权，应用列联表对各特征的重要性进行分析；
S6、通过无损检测技术模型对电力安全工器具进行无损检测；深入研究常见的无损检测应用场合，包括精确测量物体的厚度和所在距离、探测目标表面和较低折射率物体的内部结构或缺陷、实现较大折射率材料的内部探测和测量倾斜或弯曲物体的表面形貌，并分别提出相应的处理算法；同时，基于时域有限差分法，设置系统的仿真参数与实际硬件系统一致，对上述各类场景进行电磁仿真，从而模拟回波信号。检验上述算法的有效性，分别采用相应算法处理仿真输出信号，以得到预期的成像效果，并将其他领域的算法创新地应用于THz成像探测。
本实施例中，组装了THz时域光谱系统，分析其工作原理和相关的性能指标，对不同厚度的橡胶和复合绝缘材料进行了光谱特性实验，通过实验获得的时域谱，利用快速傅里叶变换得到具有相位和幅值的频域谱，并提取橡胶和复合绝缘材料的光学参数，结合折射率和吸收系数光谱变化，可以区分橡胶和复合绝缘材料的物理性质、化学性质的差异性，通过对不同厚度材料的THz波段光学参数分析和对比，分析它们在透射模式下的透射率、折射率和吸收系数。根据上述电力安全工器具的无损检测场合，分别制备了相应的被测样品，计算了样品的折射率，将硬件系统与重建算法相结合，利用硬件系统辐射并扫描实际样件，得到系统的输出信号，然后选择相应的重建算法进行处理，实现了被测目标的THz成像。该方法不仅为电力安全工器具的质量管理提供技术支持，而且还对其他电力安全检测技术提供一种新的方法和途径，有力保障了电网安全。
实施例二
如图2所示，本发明提出的一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，相较于实施例一，S1中，THz时域光谱系统由飞秒激光器、THz波产生和探测装置以及时间延迟控制装置组成；飞秒激光器产生波长为780nm的激光，经分束器分成两束，一束激光作为泵浦光，另一束激光作为探测光，其中，泵浦光经太赫兹光电导天线产生THz辐射，两束光均会聚至电光晶体且光程相等，THz辐射使电光晶体发生双折射效应，λ/4波片使探测光变成椭圆偏振光，沃拉斯顿棱镜产生两束彼此分开、振动方向互相垂直的线偏振光，平衡式光电探测器通过检测这两束线偏振光获得THz辐射强度。由于THz脉冲的周期远大于探测光脉宽，因此实际上是探测光射入被THz电场调制的探测装置并对当前时刻的THz脉冲电场进行测量，通过可调时间延迟时间装置改变泵浦光和探测光之间的光程差，即可改变入射THz脉冲和探测光之间的相对时间延迟，实现探测光对不同时刻THz脉冲电场的采样测量，最后获得THz脉冲在时间域的电场信号,在此基础上，搭建测量平台，实现和拓展测量功能。
实施例三
本发明提出的一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，相较于实施例一，S3中，光学参数包括透射率、折射率和吸收系数；采用复折射率n～(ω)＝n(ω)-jk(ω)来表征材料的光学性能，其中实数部分n(ω)为材料的折射率，表征材料的色散特性，它决定着光在材料中的传播速度，虚部部分k(ω)为消光系数，表征光波在材料中传播时的衰减，即透射率，它与描述材料吸收特性的吸收系数α(ω)有如下关系：α(ω)＝2ωk(ω)/c，其中c为真空中的光速；检测方式为透射模式和反射模式。THz波在缺陷绝缘材料中的传播模型和数值模拟：基于矩阵光学知识和光的电磁理论可以提出一种解决电磁波入射绝缘材料特性的研究方法，假设入射电磁波为线性极化波，入射角度很小或垂直入射样本且传播方向沿z轴方向，将整个模型分为三层介质层，分别用0、1和2表示，0和2表示介质层为空气，1表示介质层为绝缘材料。根据电磁波理论基础可知，当电磁波入射样本表面时，电磁波是从一种介质进入另一种介质，一部分电磁波在分界面z＝0处反射回空气中，形成反射波，另一部分电磁波穿透分界面z＝0进入样本中，形成透射波，经过样本内部微观结构的作用后到达下一个分界面，同理一部分电磁波被分界面z＝1反射回样本中，另一部分穿透z＝1到达空气中。因此，通过电磁波传输特性模型和散射理论方程的推导可知，散射的强度与材料内部微观结构有着密切联系，因此本实施例考虑基于该理论通过仿真讨论绝缘材料微观结构孔径、密度与散射以及THz传输过程能量损耗之间的关系。
S4中，在橡胶和复合绝缘材料中预制脱粘、夹杂和空洞缺陷，分别采用THz时域光谱对反射和透射的两种方式进行成像比较研究，为获得内部缺陷的信息，使用扩展时间窗口的方法进行检测，按这种方法，脱粘缺陷成像中，反射和透射成像都能检测到橡胶复合材料预制在底层内部的缺陷，该研究可为橡胶和复合绝缘材料底层内部缺陷的成像方法提供了可靠的依据；成像方法包括峰值、振幅值对比成像法，能量对比成像法，特定频率成像法以及层析成像法。
本实施例中，首先需要探究THz波在橡胶和复合绝缘材料中的传播特性，建立THz波在材料中的传播仿真模型并选取合适的样品光学参数模型，在此基础上建立THz的缺陷检测模型，用以获取所检器具的缺陷分布作为器具质量评价的重要指标。
实施例四
本发明提出的一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，相较于实施例一，S6中，对每个电力安全工器具进行二维逐点式扫查，扫查方向为X方向和Y方向，步进距离为0.5mm，系统每在Y轴方向步进0.5mm，就会在X轴上以0.5mm步进行扫查，并将THz探测器采集的各点的THz时域波形与该点所在的空间坐标进行对应，进而获得与空间坐标对应的THz波形数据阵列，最后通过算法，从该数据阵列中提取所需的被检物信息并对其进行重构，获得对应的THz图像。
由于THz-TDS扫描成像系统对被检物是逐点式扫描采样成像的，此处定义系统获得的THz-TDS图像由M×N个像素点构成，其每一个像素点都对应着被检物上一个采样点的THz时域波形，每个像素点的采样次数L由采样时间Δt与时间窗口大小T决定：L＝T/Δt；对系统获得的THz-TDS图像而言，其数据总量为M×N×L，经典THz-TDS成像理论便是按一定的赋值规则将被检物上任一采样点(x，y)对应的THz脉冲E(t)转化该采样点处的灰度值I(x，y)。I(x，y)＝fxy(E(t))，其中，0≤x≤M，0≤y≤N，0≤t≤L。
本实施例中，在正常区域和缺陷区域分别选取一点，得到的THz时域波形信号存在明显差异。经对比可知正常区域与缺陷区域的波形差异出现在底波前的波谷位置，缺陷区域在该位置的幅值明显高于正常区域，这是由于THz波从胶层入射到空气层中时是从光疏介质到光密介质不发生半波损失导致其与上表面回波之间存在数值为的相位差。两波形底波之间的幅值和飞行时间的差异则是由于空气层和胶层折射率不同造成的。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。
Claims (7)
1.一种电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、基于DAST和DASC晶体组装THz时域光谱系统；
S2、输出稳定的THz波；
S3、THz波在特定材料中的光学参数提取及分析；
S4、待检测材料的缺陷功率谱成像分析；
S5、对比结合S3和S4构建无损检测技术模型；
S6、通过无损检测技术模型对电力安全工器具进行无损检测。
2.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S1中，THz时域光谱系统由飞秒激光器、THz波产生和探测装置以及时间延迟控制装置组成；飞秒激光器产生波长为780nm的激光，经分束器分成两束，一束激光作为泵浦光，另一束激光作为探测光，其中，泵浦光经太赫兹光电导天线产生THz辐射，两束光均会聚至电光晶体且光程相等，THz辐射使电光晶体发生双折射效应，λ/4波片使探测光变成椭圆偏振光，沃拉斯顿棱镜产生两束彼此分开、振动方向互相垂直的线偏振光，平衡式光电探测器通过检测这两束线偏振光获得THz辐射强度。
3.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S2中，对THz时域信号进行反卷积处理，设经过样品反射后由探测器接收到的信号为y(t)，由平面反射镜反射后由探测器接收到的信号设为x(t)，引入样品的传递函数h(t)，则有：
即经过样品反射的信号y(t)为由平面镜反射的信号x(t)与传递函数h(t)的卷积，通过反卷积处理技术将THz-TDS系统的THz时域信号转化成一个形似高斯脉冲的无旁瓣单峰脉冲，时域信号在在半波宽度上有明显减少，进而提高系统的纵向分辨能力。
4.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S3中，光学参数包括透射率、折射率和吸收系数；采用复折射率n～(ω)＝n(ω)-jk(ω)来表征材料的光学性能，其中实数部分n(ω)为材料的折射率，表征材料的色散特性，它决定着光在材料中的传播速度，虚部部分k(ω)为消光系数，表征光波在材料中传播时的衰减，即透射率，它与描述材料吸收特性的吸收系数α(ω)有如下关系：α(ω)＝2ωk(ω)/c，其中c为真空中的光速；检测方式为透射模式和反射模式。
5.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S4中，在橡胶和复合绝缘材料中预制脱粘、夹杂和空洞缺陷，分别采用THz时域光谱对反射和透射的两种方式进行成像比较研究，为获得内部缺陷的信息，使用扩展时间窗口的方法进行检测，按这种方法，脱粘缺陷成像中，反射和透射成像都能检测到橡胶复合材料预制在底层内部的缺陷；成像方法包括峰值、振幅值对比成像法，能量对比成像法，特定频率成像法以及层析成像法。
6.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S5中，在支持向量机的模型上，选择时域、频域和时频域的信号能量误差A1，低瓣谐波频域能量A2，频谱最大值A3为相关特征向量，建立回波仿真模型，并通过基K平均聚类算法对数据进行压缩，提高训练精度；通过归一化处理训练样本集，满足程序运行收敛的速度，可以有效地避免最小化奇异值引发的干扰，提高训练的速度，在支持向量机模型的基础上，针对特征向量的非线性问题，对特征进行加权，应用列联表对各特征的重要性进行分析。
7.根据权利要求1所述的电力安全工器具的THz时域光谱的无损检测方法，其特征在于，S6中，对每个电力安全工器具进行二维逐点式扫查，扫查方向为X方向和Y方向，步进距离为0.5mm，系统每在Y轴方向步进0.5mm，就会在X轴上以0.5mm步进行扫查，并将THz探测器采集的各点的THz时域波形与该点所在的空间坐标进行对应，进而获得与空间坐标对应的THz波形数据阵列，最后通过算法，从该数据阵列中提取所需的被检物信息并对其进行重构，获得对应的THz图像。
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