C/GFRP層板沖擊損傷紅外脈沖雷達熱波成像檢測技術研究

王飛，史倩竹，高明宇，劉俊巖，徐麗霞，劉麗霞，王揚，陳明君，岳洪浩

1.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001 2.北京衛星制造廠有限公司，北京 100094

復合材料是指結合兩種或兩種以上材料優異性能的一類材料，其因較高的比強度與優異的可設計性在航空航天領域有著廣泛應用[1]。碳纖維增強復合材料（CFRP）與玻璃纖維增強復合材料（GFRP）分別采用碳纖維與玻璃纖維作為其增強相，是目前最為常見的兩種復合材料。CFRP復合材料模量高，但價格也高；GFRP 模量較低，價格也相對較低。碳纖維/玻璃纖維混雜增強復合材料（C/GFRP）結合了兩者的優勢，具有比強度高、比剛度高、韌性好以及價格低廉等優點[2]。C/GFRP目前廣泛用于風力發電葉片、直升機旋翼槳葉，以及火箭發動機殼體等領域。

C/GFRP 層板由于特殊的加工制造工藝與受使用環境等因素影響，容易出現分層及沖擊裂紋等缺陷，這些缺陷嚴重影響材料或結構的整體使用性能與使用壽命[3-5]。因此，對C/GFRP層板開展有效的無損檢測對于保障材料質量與結構件使用性能至關重要。目前針對C/GFRP分層及沖擊損傷的無損檢測方法主要包括目視檢測、超聲檢測、紅外視覺檢測、射線檢測等方法[6]，其中基于主動熱激勵加載的紅外熱波成像檢測方法由于具有非接觸、直觀、探測面積大等優勢，尤其適用于C/GFRP 層板分層/沖擊損傷的高效大面積檢測[7]。

國內外學者圍繞C/GFRP缺陷的紅外熱像檢測方法開展了廣泛而深入的理論與試驗研究工作。火箭軍工程大學趙志彬等[8]首先制備了C/GFRP，并采用紅外熱像儀對進行低速沖擊的C/GFRP試件進行在線監測，結果表明，紅外熱成像檢測方法非常適用于監測低速沖擊下的C/GFRP損傷演變過程，并能有效區分材料的損傷模式，但是對于損傷區域檢測信噪比較低。齊魯工業大學龔金龍等[9]采用增強型熱波雷達成像檢測方法檢測C/GFRP脫黏缺陷，結果表明，該增強方法可以有效識別徑深比為1.78的脫黏缺陷。意大利那不勒斯費德里克二世大學C.Meola等[10]采用紅外熱波成像方法檢測GFRP沖擊損傷，結果表明，可以通過紅外熱波成像的方法獲取材料的損傷閾值等信息。

目前，針對紅外熱波成像檢測技術的研究主要聚焦于熱流產生方式、熱流調制激勵形式、特征提取算法、圖像處理方法等方面。本文采用脈沖雷達熱波成像檢測技術針對C/GFRP的沖擊損傷開展檢測試驗研究。

1 紅外脈沖雷達熱波成像檢測技術

1.1 技術原理

紅外脈沖雷達熱波成像檢測技術是將線性頻率調制、高能量脈沖激勵及脈沖壓縮/匹配濾波等多種技術相結合的一種主動式紅外無損檢測方法。該方法與鎖相熱波成像檢測技術僅采用單一頻率信號作為激勵信號不同，脈沖雷達信號含有多個頻率成分。同時，與脈沖熱波成像的單一脈沖激勵相比，脈沖雷達信號包含多個脈沖序列，可以實現更多的能量注入。脈沖雷達信號如圖1所示。

圖1 脈沖雷達信號Fig.1 Chirp-pulsed radar signal

當采用光強按線性頻率調制信號（Chirp 信號）規律變換的熱流對試件進行主動式熱加載時，通過將紅外熱像儀采集到的熱波信號與連續線性調頻雷達信號進行互相關匹配濾波運算，獲取熱波信號的峰值與延遲信息。由于線性頻率調頻雷達信號具有較大的時寬帶寬積，通過匹配濾波運算可以達到增強信噪比的作用。因此，當采用連續線性調頻雷達信號作為熱加載信號時，可實現不同深度缺陷的一次性可靠檢測。脈沖雷達信號是連續線性調頻雷達信號與脈沖信號進行卷積運算得到的一種信號形式。脈沖雷達信號將兩者相結合，既保證了信號具有較大的可壓縮性，同時又保證有較多的能量注入，從激勵信號源上保證了此方法具有高信噪比特性。紅外雷達熱波無損檢測技術結合了雷達探測技術與紅外熱波成像檢測技術的優勢，通過對不同熱流加載方式的選擇，使得該技術對試件檢測具有更好及更廣泛的適用性。其中脈沖雷達信號PR(t)可表達為

式中，Q為熱流功率密度，ω1為起始頻率，ω2為終止頻率，k為頻率變換速率，T為掃描時間，p為脈沖次數。

1.2 特征提取算法

雙路正交解調算法（DOD）的構想來源于紅外鎖相熱波成像檢測技術。雙路正交解調算法獲取的相位信息對加熱不均、外部環境擾動及表面發射率不均造成的影響不敏感，這也是該算法在鎖相熱波成像檢測技術中得以廣泛應用的主要緣由。雙路正交解調算法應用于紅外脈沖雷達信號特征提取，可顯著提高抑制噪聲能力。為獲取雙路正交解調特征幅值與相位，首先需要通過式（3）與式（4）獲取熱波信號的同相相關函數R與正交相關函數Q

式中，H( )為Heaviside函數，tp為單個脈沖持續時間。

心理學家齊克森米哈里在《心流：最佳體驗的心理學》一書中提到這樣一個案例：在荷蘭一家醫院里，有一名患有精神分裂癥的女性患者，住院已超過10年，思路不清、病況嚴重，一直以來都情緒淡漠。

首先將通過紅外熱像儀采集到熱圖像序列，如圖2 所示，其中采集到的圖像序列為三維矩陣，其（i,j）像素所對應的溫度響應曲線為T(i,j,t)。

圖2 熱圖像序列示意圖Fig.2 Schematic diagram of thermal image sequence

所有像素點的溫度曲線與同向及正交信號作互相關運算，進而可以得到其互相關函數

但是實際獲取的溫度信號為離散數據，因此，在實際應用中需要應用互相關匹配濾波的離散形式，設溫度信號采樣幀數為N，溫度響應信號為T(i,j,n)，其互相關函數為

式中，像素（i,j）位置的溫度響應信號由雙路正交解調算法獲取的幅值與相位定義為

2 材料與方法

2.1 C/GFRP混雜增強復合材料試件制備

采用INSTRON 公司的CEAST 9350 型落錘沖擊試驗系統對碳纖維/玻璃纖維混雜增強復合材料（C/GFRP）試件開展不同沖擊能量下的撞擊試驗，該試驗系統如圖3所示。其中沖擊頭直徑為16mm，該設備的沖擊速度范圍為0.77～24m/s，可實現對試件的高速沖擊，沖擊能量范圍為0.59～1800J。模擬低速沖擊損傷試件光學圖片如圖4所示。所采用的C/GFRP 試件為玻璃纖維與碳纖維逐層交錯鋪放，鋪放角度為0°與90°，單層碳纖維厚度為0.12mm，單層玻璃纖維厚度為0.13mm，板材總厚度為4.50mm。如圖4 所示，由左至右試件分別編號為#ES1、#ES4、#ES5、#ES7及#ES9，其沖擊能量依次為5.49J、11J、13J、18J以及25J，以上試件后續將用于分析不同沖擊能量對熱波特征的影響。

圖3 CEAST 9350型落錘沖擊試驗系統Fig.3 Drop tower impact systems of CEAST 9350

圖4 模擬低速沖擊損傷試件Fig.4 Simulated low-speed impact damage sample

圖5是#ES9試件受沖擊后板材兩面的狀況。由圖5可以看出，經25J能量沖擊以后，在沖擊位置出現等效直徑為7mm的凹陷，同時出現向周圍擴展的裂紋。在板材沖擊反面出現明顯的裂紋開裂現象，最長的裂紋達到14mm，同時后面出現大面積凸起現象，進而懷疑內部可能存在較大面積脫黏。后續將采用紅外脈沖雷達熱波成像檢測方法對以上試件開展檢測研究。

圖5 #ES9試件低速沖擊后板材兩側光學照片Fig.5 Images of both sides of the plate after the low-speed impact of #ES9 specimen

為了較好地研究脈沖雷達熱波成像檢測技術對于C/GFRP材料脫黏缺陷的檢測能力，制備平頂孔模擬脫黏缺陷試件#ES2，試件及模擬缺陷尺寸如圖6所示，制備具有不同徑深比的模擬脫黏缺陷平頂孔共計12個。

圖6 #ES2光學圖片及尺寸Fig.6 The optical image and size of #ES2

2.2 紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統

紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統工作原理如下：計算機軟件系統產生脈沖雷達調制信號，該信號通過數據采集卡函數輸出功能輸出脈沖雷達模擬信號。輸出的模擬信號分為完全相同的兩路信號：一路用于同步觸發紅外熱像儀采集圖像，另一路控制激光器電源，這樣可以保證采集的熱波信號與參考信號具有相位一致性與同步性。紅外熱像儀采集到的熱波圖像序列傳輸到計算機進行后續的數據處理與熱波特征提取。脈沖雷達熱波成像檢測系統示意圖如圖7所示。其中脈沖雷達熱波成像檢測系統由以下幾部分組成：高性能制冷型焦平面紅外熱像儀（FLIR，6520SC，響應波長為3.6～5.2μm， 像元尺寸為640pixel×512pixel，全窗口最大采樣頻率為147Hz），808nm 半導體激光器（Jenotik，JOLD-45-CPXF-1L，峰值功率為45W，最高調制頻率為5kHz），數據采集卡（NI， 6259USB，具有4 通道模擬輸出，輸出采樣率為833Ks/s）。其中為了實現激光能較為均勻的照射試驗樣件，準直鏡（F810SMA-780，焦距為36.01mm）以及工程漫射體（ED1-S20-MD，投射波長范圍為380～1100nm）通過套筒與激光光纖相連。

圖7 脈沖雷達熱波成像檢測系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of chirp-pulsed radar thermography

圖8 給出的為本文開展試驗所用到的紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統。在本文開展檢測試驗過程中，采用的激光調制參數為：初始頻率為0.05Hz，終止頻率為0.10Hz，掃描時間為20s，激勵脈沖寬度為3s，激光功率密度為3600W/m2。

圖8 紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統Fig.8 Infrared chirp-pulsed radar thermography detection system

3 試驗結果與討論

紅外熱像儀可以采集到脈沖雷達熱流作用于沖擊試驗件表面誘發的熱圖像序列。圖9 給出的數據為基于10s 時熱圖像中#ES9沖擊損傷C1與正常位置C2的熱輻射響應信號及脈沖雷達激勵信號。由圖9 可以看出，由于激光器采用單側45°照射試件，進而造成表面加熱不均現象，該現象影響沖擊點位置的有效識別。沖擊作用試件后造成局部纖維分層或脫黏現象，導致熱阻增大，進而導致沖擊位置的輻射響應信號高于未沖擊位置的輻射響應信號。僅依靠熱圖像序列進行缺陷識別，存在效率低及識別準確度差等問題，因此，需要借助信號的時/頻域特征處理方法對輻射響應信號進行快速提取以實現沖擊損傷位置的高效識別。

圖9 沖擊損傷C1與正常位置C2處輻射響應信號Fig.9 Thermal radiation signal at impact damage location C1 and normal location C2

本文采用雙路正交解調算法、互相關匹配濾波算法以及主成分分析算法對熱圖像序列輻射響應信號（熱波信號）進行特征提取，其中互相關匹配濾波算法及主成分分析為通用方法，故本文不做過多贅述[11]。圖10是#ES9試件不同特征提取算法下試件沖擊面的特征圖像。由圖10可以看出，表征能量屬性的DOD幅值圖、相關峰值圖、第一主成分以及第二主成分都受激光加熱不均影響較為嚴重，影響損傷特征的有效提取，而DOD相位圖以及相關延遲圖則可以較好地避免加熱不均現象。沖擊位置特征表現出圓環現象，這是由于沖擊位置受到外部撞擊后沖擊點處纖維鋪層被擠壓，而其周圍位置由于水平剪切力作用造成局部滑移，進而導致層與層之間出現脫黏現象，導致特征出現圓環現象。

圖10 #ES9沖擊面特征檢測結果Fig.10 The characteristic detection results of #ES9 impact surface

圖11是#ES9試件沖擊反面的特征檢測結果。由圖11可以看出，DOD 相位特征比相關延遲具有更好的細節檢測能力，可以較為清晰地看到材料的纖維編織。在25J的沖擊能量下，對于5mm厚的C/GFRP材料而言，可以造成整個層板的貫穿式破壞。沖擊反面出現以裂紋延伸范圍為直徑的圓形脫黏，相較于沖擊面而言，出現了脫黏區域擴大的現象。

圖11 #ES9沖擊反面特征檢測結果Fig.11 The characteristic results of #ES9 impact back surface

為研究紅外脈沖雷達熱波成像檢測技術對不同沖擊能量下損傷的檢測效果，采用紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統對#ES1、#ES4、#ES5以及#ES7開展檢測試驗研究。圖12是#ES7以及#ES5試件沖擊面及其反面的DOD相位特征圖像。由特征圖像可以看出，隨著沖擊能量的降低，損傷作用面積逐漸減小，當沖擊能量為13J 時，由#ES5 結果可以看出，沖擊點位置出現微小變化，對其反面未產生任何影響。

圖12 不同沖擊能量下的DOD相位特征檢測結果Fig.12 DOD phase map in different impact damage

為了更好地對不同沖擊能量下DOD 相位特征進行橫向對比，對DOD 相位特征圖像進行歸一化處理。圖13 是不同沖擊能量下沖擊損傷位置與無損傷區域歸一化DOD相位差值的變化趨勢。由圖13可以看出，隨著沖擊能量的降低，損傷位置與非損傷位置的歸一化DOD相位差也降低，對于給定的C/GFRP而言，當沖擊能量小于11J時，沖擊對材料的影響可忽略。

圖13 不同沖擊能量下損傷歸一化DOD相位特征Fig.13 The defect area DOD phase in different impact damage

圖14是#ES2試件輻射特征分布云圖及缺陷位置輻射響應曲線。由圖14 可以看出，輻射信號分布云圖對缺陷的識別效果較差，受加熱不均現象影響嚴重。選取#2 及#3 缺陷中心位置A和B繪制輻射響應信號時域曲線，其中C點為無缺陷位置。隨著缺陷深度加大，輻射響應信號降低，這是由于C/GFRP相較于空氣具有更高的導熱性能，平底孔缺陷深度越小，則更多能力會集聚在材料表層，進而導致其輻射響應信號幅值較高。同時由輻射響應信號曲線可以看出，在冷卻狀態下，缺陷與無缺陷位置具有更大的特征差異。

圖14 #ES2試件輻射特征分布云圖及缺陷位置輻射響應曲線Fig.14 Radiation characteristic distribution map of specimen#ES2 and radiation response curve in defect and non-defect area

圖15 是#ES2 特征檢測結果，由檢測結果可以看出，DOD 相位以及主成分分析結果可以識別所有平頂孔模擬缺陷，DOD 幅值圖、相關峰值圖以及相關延遲圖無法對較深的缺陷進行識別。為了更好地表征缺陷的識別效果，采用缺陷截線方式來分析缺陷識別結果。

圖15 #ES2特征檢測結果Fig.15 The characteristic detection results of #ES2

圖16 是#ES2 試件截線位置DOD 相位特征（見圖15（b））輪廓。由圖16可知，在缺陷直徑≥4mm時，缺陷深度對特征檢測結果影響權重大于缺陷直徑。當缺陷深度≥2mm時，DOD 相位特征差異小于2°。其中#9 平底孔的DOD 相位特征出現異常波動現象，這是由于#9平底孔缺陷深度小（0.35mm），熱流橫向擴散效果無法忽略，熱波干涉現象明顯，進而誘導相位輪廓波動異常。

圖16 #ES2試件截線位置DOD相位特征輪廓Fig.16 DOD phase contours in #ES2 cut-line positions

基于特征輪廓曲線數據可以根據半寬幅法測量缺陷等效直徑，其中圖16 中給出了半寬幅法的示意圖，即取輪廓峰值與最低值的均值位置作為其測量直徑。其中在測量過程中像素分辨率為0.20mm/pixel，對于#9而言，需要對其輪廓數據f(x,y)進行修正，其修正后曲線方程F(x,y)如下

測量結果見表1。由表1 可以看出，對于直徑小或深度大的缺陷，測量誤差均較大，最大測量誤差缺陷為#8（直徑(D) =6mm，深 度(H) =2.10mm），對 于#6（D=6mm，H=1.10mm）、#7（D=6mm，H=1.00mm）以及#11（D=4mm，H=1.70mm）可以實現無偏差測量。對于給定缺陷尺寸范圍，多數孔的測量誤差為5%。

表1 基于半寬幅法獲取的平底孔直徑檢測結果Table 1 The equivalent diameter detection results of flat bottom holes based on half width method

為研究不同特征提取算法對缺陷特征的提取能力，針對#ES2 試件熱波特征開展多維度特征檢測信噪比研究。其中信噪比（SNR）定義如下

式中，〈RD〉為缺陷區域DOD 特征均值，〈RN〉為無缺陷區域DOD 相位特征均值，σN為無缺陷位置DOD 相位特征標準差。其中缺陷位置與無缺陷位置定義如圖13所示。

圖17 給出的為不同沖擊損傷位置處脈沖雷達信號多尺度特征檢測信噪比對比分析結果。由圖17 可以看出，DOD 相位特征對于C/GFRP 脫黏缺陷具有較好識別效果，在給定的缺陷直徑及深度范圍內，可以識別深度≥1.70mm，徑深比(D/H)≥2.35的脫黏缺陷。DOD幅值特征也優于互相關匹配濾波及主成分分析結果。

圖17 脈沖雷達信號多尺度特征缺陷檢測SNR分析Fig.17 The defect detection SNR analysis based on multidimensional characteristics of chirp-pulsed radar signal

4 結論

本文重點介紹了紅外脈沖雷達熱波成像檢測技術及雙路正交解調特征提取算法原理。采用落錘式沖擊試驗機對碳纖維/玻璃纖維混雜增強復合材料（C/GFRP）開展了不同能量下的低速沖擊試驗，進而制備沖擊損傷試件。采用紅外脈沖雷達熱波成像檢測系統對不同沖擊能量下的損傷試件開展了檢測試驗研究。利用多種時/頻域分析算法對熱圖像序列特征進行提取，實現了C/GFRP 試件沖擊損傷脫黏區域的有效識別，并分析了不同沖擊能量與脈沖雷達熱波DOD相位特征的內在聯系。結果表明，隨著沖擊能量的降低，損傷與非損傷位置歸一化DOD相位差也降低。針對C/GFRP 平頂孔模擬脫黏缺陷開展檢測研究，結果表明，DOD 相位特征對于C/GFRP 脫黏缺陷具有較好識別效果，在給定的缺陷直徑及深度范圍內，可以識別深度≥1.70mm、徑深比(D/H)≥2.35的脫黏缺陷。DOD幅值特征也優于互相關匹配濾波及主成分分析結果。