CN115406933A - 一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种基于微波热成像技术的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法，属于吸波材料缺陷无损检测技术领域。该装置利用天线辐射的电磁信号致热吸波涂层，并借助红外热像仪测量涂层的内部缺陷的红外信号，通过改变致热功率使涂层表面的缺陷区域的温度达到动态平衡，结合热能与电磁能的转化关系，建立反射率、涂层入射场强以及缺陷区域温度的关系式，最终建立反射率与缺陷深度的关系。本发明方法不需考虑线缆损耗的影响，使得缺陷深度计算结果更为准确。

Description

一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法

技术领域

本发明属于吸波材料缺陷无损检测技术领域，具体涉及一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法。

背景技术

随着材料领域的不断发展，吸波涂层材料广泛应用于电磁技术领域，如隐身飞机、雷达等，该材料能够将入射至系统表面的电磁波能量大幅度衰减，增强其隐身效果。此外，吸波涂层材料还可用于微波设备的电磁环境管理上，通过对电磁波精准的约束和屏蔽，从而更好地实现信号的利用和传播。如果吸波涂层存在内部缺陷，则会大幅影响其电磁屏蔽性能，因此，通过无损缺陷检测方式把控吸波涂层质量，对后续产品的性能和安全性有很重要的意义。

红外热成像是一种非接触、大面积成像的缺陷无损检测技术，通过对微波涂层加热，再测量温度分布情况可以快速清晰地看出吸波涂层的缺陷情况。目前大部分红外热成像技术采用光激励致热涂层的方式，其原理利用高强度的光信号与涂层表面进行热交换，然后根据固体热传导使热量沿着涂层厚度方向传递，从而致热整个涂层。但这种方法效率不高，对于太厚的目标也难以见效。微波激励将涂层吸收的电磁能转化为热能，且只要涂层内部存在微波损耗，便能实现加热。这种方式相当于涂层内部每一个与微波作用的地方都是热源，因此属于一种整体加热方式。结合吸波涂层对微波的强吸收效应，以及电磁波对涂层具有一定穿透深度的特性，可得知微波致热比一般的光激励有着更高的致热效率和检测深度。

目前基于红外热成像的缺陷深度检测技术多采用拟合，“SiC涂层缺陷的脉冲红外热波无损检测关键技术研究”的论文中提出通过直接拟合或神经网络等方法得出缺陷深度与表面温度关系实现检测目的，其不足在于过程复杂，需通过样本训练模型，且最终模型无法适应其它测试环境。虽然现在已有通过分析微波反射关系准确得出缺陷深度的相关研究，如专利“一种基于微波致热的缺陷深度信息提取方法(专利号：202210171651.1)”，但该方案仅提出了一种微波致热下的缺陷深度信息提取方法，并未搭建设计具体的实现装置，同时提取方法中对涂层表面电场强度测试、线缆损耗以及缺陷处热对流影响等因素并未考虑，使得缺陷检测的精度仍不够高。

因此如何设计具体的检测装置方案，能够基于微波致热手段实现对微波涂层缺陷的提取就成为研究热点。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置及方法。该装置利用天线辐射的电磁信号致热吸波涂层，并借助红外热像仪测量涂层的内部缺陷的红外信号，通过改变致热功率使涂层表面的缺陷区域的温度达到动态平衡，结合热能与电磁能的转化关系，建立反射率、涂层入射场强以及缺陷区域温度的关系式，最终建立反射率与缺陷深度的关系，从而实现缺陷深度值的准确测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置，包括信号源、可调衰减器、功率放大器、定向耦合器、检波器、信号处理模块、红外热像仪、天线和微波暗箱；

其中，信号源、可调衰减器和功率放大器依次连接，功率放大器的另一端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的输出端与天线连接，耦合端与检波器的输入端连接，检波器的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与红外热像仪连接；

红外热像仪、天线和待测吸波涂层材料均设置在微波暗箱内，所述微波暗箱用于隔绝电磁干扰；待测吸波涂层材料设置于天线正下方，天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热；红外热像仪以一定角度设置于吸波涂层斜上方，以测量吸波涂层表面的温度分布；

所述信号源用于产生微波信号；可调衰减器用于调整功率放大器输入端的输入功率，以实现功率放大器的输出功率可调，从而使得吸波涂层缺陷处能达到恒温状态；功率放大器用于放大输入微波信号的功率，检波器用于检测定向耦合器耦合端的输出功率，信号处理模块用于接收热像仪温度数据并输出温度分布图以及计算缺陷深度。

进一步地，天线优选为喇叭天线，天线工作功率应为大于2W。

一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤1.天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热，并采集热像图，；

步骤2.调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；

步骤3.计算得到天线的加热功率，结合缺陷区域温度达到稳定状态下的温度值，计算得到涂层缺陷区域的反射率R；

步骤4.基于多层介质电磁波反射模型，根据涂层缺陷区域的反射率R计算得涂层内部的缺陷深度。

进一步地，本发明装置还可以实现对吸波涂层内部缺陷几何特征的提取，具体过程为：调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；待稳定加热一段时间后，停止对吸波涂层加热，获取降温过程中具有最佳信噪比的热像图，基于热像图利用边缘检测算法得到缺陷的几何特征。

进一步地，步骤3中天线的输入功率P_in的具体计算过程为：

式中，P_c为检波器的测量功率，C为定向耦合器耦合度、IL为定向耦合器插损参数。

进一步地，步骤3中涂层缺陷区域的反射率R的具体计算过程为：

当缺陷区域温度达到动态平衡时，微波涂层吸收的功率与耗散的功率之间的关系如下：

Q_a＝Q_conv+Q_rad＝hΔS₁(T_obj-T_amb)+εσΔS₁[(T_obj)⁴-(T_amb)⁴] (1)

式中，Q_a为微波涂层吸收的功率，Q_conv为热对流消耗的功率，Q_rad为热辐射消耗的功率，h为热对流系数，T_obj为缺陷区域的绝对温度，T_amp为环境绝对温度，ε为红外反射率，σ为玻尔兹曼常数，ΔS₂为缺陷区域的面积，ΔS₁＝2ΔS₂，η₀为空气的波阻抗，R为缺陷区域的微波反射率，E_i0为涂层表面的入射场强；

同时根据天线尺寸和位置计算得到涂层表面的入射场强E_i0，如下：

式中，a为天线口径的长边，b为天线口径的短边，P_in为天线的输入功率，λ为自由空间的入射波波长，r为天线口径到样品表面的距离；

联立以上各式，即可得到涂层缺陷区域的反射率R，如下：

进一步地，热对流系数h室内环境一般取5W/(m²·k)；红外反射率ε优选为0.9。

本发明的机理为：定向耦合器输入端的大部分信号传输至输出端，耦合端信号仅来自输入端的少量信号，基于此，利用检波器检测出耦合端的信号功率，再根据定向耦合器的性能参数计算其输入端的信号功率，最后得到其输出端的功率值，即为天线的准确输入功率值，而天线的输入功率对微波涂层缺陷深度的计算准确性至关重要；同时根据天线尺寸和位置信息能够准确计算微波涂层表面的入射场强，因此本发明方法不需考虑线缆损耗的影响，使得缺陷深度计算结果更为准确。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明通过改变对微波涂层的加热功率，建立了反射率、涂层入射场强度以及缺陷区域温度的关系式，再利用反射率与缺陷深度的关系计算出深度值，最终得到的缺陷深度值结果更加准确。

附图说明

图1为本发明吸波涂层内部缺陷的检测装置结构示意图。

图2为待测吸波涂层样品在升温过程某时刻的热像图。

图3为多层介质电磁波反射模型的原理图。

图4为待测吸波涂层样品缺陷中心与无缺陷位置处实测的温度变化曲线。

图5为待测吸波涂层样品降温过程某时刻的热像图。

图6为边缘检测算法的计算结果。

图中，1为信号源，2为可调衰减器，3为功率放大器，4为定向耦合器，5为检波器，6为数据处理端，7为吸波材料，8为喇叭天线，9为吸波涂层，10为内部缺陷，11为涂层基底，12为红外热像仪，13为微波小暗箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

一种基于微波热成像技术的吸波涂层内部缺陷检测装置，其结构示意图如图1所示，包括信号源1、可调衰减器2、功率放大器3、定向耦合器4、检波器5、信号处理模块6、喇叭天线8、红外热像仪12和微波暗箱13；所述定向耦合器4为三端口器件，分别为输入端14、输出端15、耦合端16；

其中，所述信号源1用于产生微波信号，并将微波信号传输至可调衰减器2，可调衰减器2用于调节微波信号的功率大小，并将调节功率后的微波信号传输至功率放大器3，功率放大器3用于放大微波信号的功率，并将放大后的微波信号传输至向耦合器4的输入端14，输入端14输入的大部分微波信号经输出端15输出至喇叭天线8，少部分微波信号经耦合端16输出至检波器5；由于耦合端16与输出端15具有高度的隔离度，因此利用检波器5可测得耦合端16微波信号的功率大小，再根据定向耦合器4的耦合度计算输入端14的功率大小；检波器5的输出端与信号处理模块6的输入端连接，信号处理模块6的输出端与红外热像仪12连接，信号处理模块6用于接收和分析检波器5传输的微波信号数据；

红外热像仪12、喇叭天线8和待测吸波涂层材料均设置在微波暗箱13内，待测吸波涂层材料包括涂层基底11和涂层基底表面的吸波涂层9；待测吸波涂层材料设置于喇叭天线8正下方，喇叭天线8发射电磁波垂直入射至吸波涂层9，以使吸波涂层加热；红外热像仪12以一定角度设置于吸波涂层9斜上方，以测量吸波涂层表面的温度分布；微波暗箱13的内壁均设置吸波材料7，用于减小高功率微波对人体的辐射影响。

实施例1

本实施例中，喇叭天线8采取角锥喇叭天线，工作频率为5.8GHz，口径长边a＝80mm，短边b＝60mm，加热时正对吸波涂层9表面，且天线口径到吸波涂层9的垂直距离r＝72mm；功率放大器3的放大增益为43dB，最大输出功率为20W；红外热像仪12具有384*288的图像分辨率，温度分辨率小于50mK；吸波涂层9工作于C波段，厚度为1.9mm，底部含6mm*6mm、深度为0.5mm的方形缺陷(缺陷深度定义为涂层上表面到缺陷的距离，因此缺陷深度为1.9-0.5＝1.4mm)；涂层基底为铝板。

一种基于微波热成像技术的吸波涂层内部缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤1.启动信号源1，经可调衰减器2、功率放大器3作用后，产生的高功率信号由定向耦合器4输出至天线，天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，根据微波加热原理实现吸波涂层的快速致热；

步骤2.利用热像仪12追踪热像图中的高亮区域，即为缺陷区域；图2为加热过程中的热像图，可发现图中存在缺陷区域和非缺陷区域；此时实时监控缺陷区域的温度变化，并配合可调衰减器2调整加热功率，使缺陷区域的温度趋于稳定；图4为天线加热过程的温度变化过程，可知当温度T_obj＝37℃时，温度逐渐趋于稳定，此时环境温度T_amb＝24℃；

步骤3.利用定向耦合器4和检波器5测得输出端15的功率大小P_in＝2W，具体计算过程为：

式中，P_c为检波器的测量功率，C为定向耦合器耦合度、IL为定向耦合器插损参数；

步骤4.结合缺陷区域温度达到稳定状态下的温度值，计算得到涂层缺陷区域的反射率R，具体过程为：

当缺陷区域温度达到动态平衡时，微波涂层吸收的功率与耗散的功率之间的关系如下：

Q_a＝Q_conv+Q_rad＝hΔS₁(T_obj-T_amb)+εσΔS₁[(T_obj)⁴-(T_amb)⁴] (2)

式中，Q_a为微波涂层吸收的功率，Q_conv为热对流消耗的功率，Q_rad为热辐射消耗的功率，h为热对流系数，T_obj为缺陷区域的绝对温度，T_amp为环境绝对温度，ε为红外反射率，σ为玻尔兹曼常数，ΔS₂为缺陷区域的面积，ΔS₁＝2ΔS₂，η₀为空气的波阻抗，R为缺陷区域的微波反射率，E_i0为涂层表面的入射场强；

同时根据天线尺寸和位置计算得到涂层表面的入射场强E_i0，如下：

式中，a为天线口径的长边，b为天线口径的短边，P_in为天线的输入功率，λ为自由空间的入射波波长，r为天线口径到样品表面的距离；

联立以上各式，即可得到涂层缺陷区域的反射率R，如下：

步骤5.基于多层介质电磁波反射模型(参考名为“隐身涂层微波反射率现场检测技术研究”的博士论文中第二章的2.3.1小节)，该模型结构示意图如图3所示，根据涂层缺陷区域的反射率R计算得涂层内部的缺陷深度，涂层缺陷深度d1的数值结果可通过二分法计算，步骤如下：

步骤5.1.设定求解区间与函数分别为d1∈[a,b]、

中点p1＝(a+b)/2，其中R为实测反射率，R_m为多层材料反射率的计算公式，在区间[a,b]满足

步骤5.2.如果

那么d1＝p1，终止；

步骤5.3.如果

步骤5.4.重复以上步骤，直到满足误差，停止迭代；

最终求解得到缺陷深度为1.3mm，相比实际数值1.4mm，缺陷深度的误差为0.1mm，精度较高。

关闭信号源1，使涂层降温，因缺陷热导率低，传热受阻，故缺陷区域的降温速率明显慢于非缺陷区域，因此降温过程可获取最佳信噪比的热像图，如图5所示；最后利用边缘检测算法可从热像图中获取缺陷的几何特征，如图6所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测装置，其特征在于，包括信号源、可调衰减器、功率放大器、定向耦合器、检波器、信号处理模块、红外热像仪、天线和微波暗箱；

其中，信号源、可调衰减器和功率放大器依次连接，功率放大器的另一端与定向耦合器的输入端连接，定向耦合器的输出端与天线连接，耦合端与检波器的输入端连接，检波器的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与红外热像仪连接；

红外热像仪、天线和待测吸波涂层材料均设置在微波暗箱内，所述微波暗箱用于隔绝电磁干扰；待测吸波涂层材料设置于天线正下方，天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热；红外热像仪以一定角度设置于吸波涂层斜上方，以测量吸波涂层表面的温度分布；

所述信号源用于产生微波信号；可调衰减器用于调整功率放大器输入端的输入功率，以实现功率放大器的输出功率可调，从而使得吸波涂层缺陷处能达到恒温状态；功率放大器用于放大输入微波信号的功率，检波器用于检测定向耦合器耦合端的输出功率，信号处理模块用于接收热像仪温度数据并输出温度分布图以及计算缺陷深度。

2.如权利要求1所述的吸波涂层内部缺陷检测装置，其特征在于，天线为喇叭天线，天线工作功率应为大于2W。

3.一种基于微波热成像的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.天线发射电磁波垂直入射至吸波涂层，以使吸波涂层加热，并采集热像图，；

步骤2.调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；

步骤3.计算得到天线的加热功率，结合缺陷区域温度达到稳定状态下的温度值，计算得到涂层缺陷区域的反射率R；

步骤4.基于多层介质电磁波反射模型，根据涂层缺陷区域的反射率R计算得涂层内部的缺陷深度。

4.如权利要求3所述的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，对吸波涂层内部缺陷几何特征的提取，具体过程为：调整天线吸波涂层的加热功率，结合热像图，使缺陷区域的温度趋于稳定；待稳定加热一段时间后，停止对吸波涂层加热，获取降温过程中具有最佳信噪比的热像图，基于热像图利用边缘检测算法得到缺陷的几何特征。

5.如权利要求3所述的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤3中天线的输入功率P_in的具体计算过程为：

式中，P_c为检波器的测量功率，C为定向耦合器耦合度、IL为定向耦合器插损参数。

6.如权利要求3所述的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，步骤3中涂层缺陷区域的反射率R的具体计算过程为：

当缺陷区域温度达到动态平衡时，微波涂层吸收的功率与耗散的功率之间的关系如下：

Q_a＝Q_conv+Q_rad＝hΔS₁(T_obj-T_amb)+εσΔS₁[(T_obj)⁴-(T_amb)⁴] (1)

式中，Q_a为微波涂层吸收的功率，Q_conv为热对流消耗的功率，Q_rad为热辐射消耗的功率，h为热对流系数，T_obj为缺陷区域的绝对温度，T_amp为环境绝对温度，ε为红外反射率，σ为玻尔兹曼常数，ΔS₂为缺陷区域的面积，ΔS₁＝2ΔS₂，η₀为空气的波阻抗，R为缺陷区域的微波反射率，E_i0为涂层表面的入射场强；

同时根据天线尺寸和位置计算得到涂层表面的入射场强E_i0，如下：

式中，a为天线口径的长边，b为天线口径的短边，P_in为天线的输入功率，λ为自由空间的入射波波长，r为天线口径到样品表面的距离；

联立以上各式，即可得到涂层缺陷区域的反射率R，如下：

7.如权利要求6所述的吸波涂层内部缺陷检测方法，其特征在于，室内环境下热对流系数h为5W/(m²·k)；红外反射率ε为0.9。

Images