聚乙烯構件減薄缺陷的太赫茲掃頻可視化定量檢測*

高乾祥，李 勇，王若男，方 陽，楊西含，陳振茂

（機械結構強度與振動國家重點實驗室陜西省無損檢測與結構完整性評價工程技術研究中心西安交通大學 航天航空學院，陜西 西安 710049）

0 引 言

聚乙烯（polyethylene，PE）構件具有連接可靠、耐腐蝕、強度高、抗開裂和沖擊等特性，被廣泛應用于地下油氣運輸、給排水等工程領域［1］，然而，在制造、安裝及使用過程中，會產生減薄、夾雜、斷裂等缺陷［2］，其中，減薄缺陷是嚴重危害PE構件的結構完整性和使用安全性的損傷之一。因此，及時發現減薄缺陷并對其進行無損定量評估，對于確保PE構件的完整性和安全性，預防油、氣、水泄露等安全事故的發生至關重要。目前針對PE構件的無損檢測方法有射線檢測技術［3］、超聲檢測技術［4］、微波檢測技術［5，6］等，但這些方法均存在一定的局限性。

太赫茲（THz）檢測技術［7］是利用太赫茲波在異質界面發生吸收、反射、透射和散射的特性，通過掃描并記錄帶有被測材料成分、結構和缺陷信息的太赫茲反射或透射波信號的一種新型技術。太赫茲檢測技術具有非接觸性、非電離、非破壞性、高空間分辨率及檢測頻帶寬等特點［8，9］。目前在安全檢測、天文學、醫療掃描成像、通信和雷達、文物保護等方面具有重要的應用前景［10～15］。近年來，太赫茲檢測技術逐漸應用于非金屬材料、結構的無損定量檢測。徐繼升等人采用反射式太赫茲時域光譜系統，基于小波散射網絡實現了PE 管道熱熔接頭缺陷的太赫茲識別［16］。Palka N等人使用太赫茲波對超高分子量PE 復合材料分層缺陷進行成像處理，并結合信號處理與飛行時間，對PE試件三維成像［17］。Ren J J 等人采用太赫茲時域光譜法，研究不同老化程度的PE管的光譜特性，得到PE管道吸收系數與老化程度之間的關系［18］。

本文聚焦于0.22 ～0.33 THz頻段，研究基于太赫茲檢測的PE構件減薄缺陷定量評估方法。通過搭建檢測平臺，細致分析PE構件亞表面減薄缺陷太赫茲檢測信號響應特性，以時域信號面積作為信號特征，實現了PE構件缺陷成像，并結合圖像處理對缺陷進行三維尺寸定量評估。

1 太赫茲檢測原理與實驗平臺

太赫茲檢測PE 試件的原理示意如圖1 所示，喇叭天線發射一定帶寬的太赫茲波到PE 試件表面，透射進入PE試件內部，在試件背面異質界面處反射，所形成的反射波沿原路徑返回，喇叭天線接收并輸出檢測回波信號。當PE試件存在減薄缺陷時，相較于無缺陷情況，電磁場的分布發生改變，導致太赫茲反射波的幅值、相位等電場參數發生變化，實驗中反射波的能量大小由S11參數表征，通過分析有無缺陷處S11參數的變化量即可獲得PE試件缺陷信息。矢量網絡分析儀最大輸出頻率為40 GHz，通過矢網擴頻模塊擴頻到0.22 ～0.33 THz頻段，喇叭天線發射擴頻后的太赫茲波，通過透鏡聚焦，焦距為100 mm，試件放置于焦距處，設置掃描臺對試件二維平面掃查，掃查范圍為200 mm×200 mm，步長為2 mm×2 mm。實驗中，PE試件如圖2（a）所示，試件尺寸為200 mm×200 mm×25 mm，試件預制缺陷尺寸如圖2（b）所示，其中，a，b，c 和d 分別為缺陷邊長與直徑，h為缺陷深度。

圖1 太赫茲檢測原理與實驗平臺

圖2 PE試件

2 實驗結果與討論

2.1 信號特征提取與缺陷成像

通過實驗得到PE 試件各位置頻域信號S11幅值，如圖3（a）所示，太赫茲波在PE試件內部傳播時無缺陷處與減薄缺陷處損耗不同，致使有無缺陷處的S11幅值呈現出差異，但差異的規律性不強。圖3（a）通過傅里葉逆變換得到時域信號，如圖3（b）所示，其中，無缺陷處時域信號如圖3（c）所示。圖3（b）中，中心處代表PE 試件后表面的PE—空氣界面的反射峰峰值位置不同。缺陷3#的中心反射峰峰值位于最左側，無缺陷的中心反射峰峰值位于最右側。這是因為缺陷3#的深度最大，太赫茲在其中的傳播時間最短，在缺陷1#處的傳播時間次之，在無缺陷處的傳播時間最長。這導致有無缺陷處以及不同缺陷尺寸處時域信號曲線與時間采樣點軸所圍面積，即時域信號面積不同。因此，將時域信號面積作為信號特征，對PE試件進行缺陷成像，結果如圖3（d）所示。由圖3（d）可得，圖像中缺陷邊界清晰，不同深度的減薄缺陷由于時域面積值大小差異，呈現出數值顏色差異，如階梯型缺陷10#在圖3（d）中所示。

圖3 信號特征提取與缺陷成像

2.2 缺陷尺寸定量評估

2.2.1 缺陷平面尺寸定量評估

基于以時域信號面積（time domain signal area，TDSA）為信號特征所成的PE試件缺陷圖像（圖3（d）），提取時域信號面積矩陣，對圖3（d）中x為30，60，90 mm三列位置作TDSA隨著y軸變化的曲線，如圖4（a）所示。

圖4 TDSA檢測結果

圖4（a）中，每個波谷的橫坐標值對應缺陷在圖3（d）中的y軸邊緣位置，整個時域信號面積矩陣的三維曲線變化如圖4（b）所示。圖4（a）缺陷處的曲線波谷處的時域信號面積數值均位于1.35 以下，將其設為閾值，對時域信號面積矩陣二值化，二值化后的結果如圖5 所示。由于原時域信號面積矩陣在深度較大減薄缺陷處TDSA值與缺陷邊緣處的TDSA 值均處于閾值二值化范圍，導致圖5 中深度較大減薄缺陷內部與邊界處混為一體，且邊緣范圍寬度較大，影響缺陷平面尺寸定量評估效果。

圖5 閾值二值化結果

使用Laplace算子對時域信號面積矩陣所成處理，其卷積核矩陣如式（1）所示，處理結果及三維曲線如圖6（a）所示，對圖6（a）中提取x為30，60，90 mm三列位置作Laplace邊緣檢測結果數值隨著y軸變化的曲線，如圖6（b）所示。式（1）如下

圖6 Laplace算子檢測結果

圖6（b）中的每個波峰的橫坐標值對應缺陷在圖6（a）中的y軸邊緣位置，圖6（b）缺陷處的曲線波峰處的數值均位于0.1以上，將其設為閾值，對Laplace 算子檢測結果矩陣進行二值化，再使用尋峰函數設置峰值大小，進而得到波峰位置，同樣對Laplace算子檢測結果矩陣進行二值化，將2種二值化所得矩陣疊加處理，結果如圖7 所示，圖中缺陷邊緣細窄，有利于缺陷平面尺寸定量評估。以曲線波峰作為缺陷平面尺寸評估特征，對PE 試件缺陷平面尺寸評估結果如表1所示，評估結果顯示，利用Laplace 算子與兩種二值化疊加的方法可以實現PE試件背面減薄缺陷平面尺寸的定量評估。

表1 缺陷定量評估結果

圖7 二值化處理結果

2.2.2 缺陷深度尺寸定量評估

太赫茲寬帶較大，因而其縱向距離分辨率較高，利用太赫茲這一特性可對PE 試件缺陷深度尺寸進行定量評估，0.22 ～0.33 THz 頻段的太赫茲波在PE材料中的距離分辨率為δr＝c／2B＝0.9 mm，其中，c為光速，B為系統的帶寬，εr為PE材料相對介電常數。

由圖3（c）可得，喇叭天線發射太赫茲波，依次經過聚焦透鏡、PE試件前表面、PE 試件后表面，圖中3 處峰值分別與3處位置相對應。試件各位置處前表面和后表面兩峰峰值位置間隔乘以距離分辨率δr，即為PE 試件每點處的厚度信息，再以PE 試件厚度減去缺陷處每點的厚度信息即可得到缺陷的深度信息，PE試件減薄缺陷深度尺寸評估結果如表1所示。評估結果顯示，缺陷深度尺寸檢測相對誤差最高為5.3%，表明利用太赫茲高縱向距離分辨率可以實現PE試件背面減薄缺陷深度尺寸的定量評估。

3 結 論

本文通過分析PE構件亞表面減薄缺陷太赫茲檢測信號響應特性，發現無缺陷處與減薄缺陷處的時域信號面積存在差異，以其作為信號特征對PE 試件二維成像。提取時域信號面積矩陣，進行閾值二值化處理，用Laplace 算子對時域信號面積缺陷成像圖邊緣檢測所得矩陣，結合閾值與尋峰疊加后的二值化方法，評估結果表明：該方法可對PE試件減薄缺陷平面尺寸定量評估，此外，利用太赫茲大帶寬、縱向分辨率高的特點，可對PE試件減薄缺陷深度尺寸定量評估，缺陷三維尺寸檢測精度可達94.67%。