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《基于THz-TDS反射稀疏层析的高分子及木质复合材料无损检测技术》概括了目前太赫兹时域光谱无损检测技术在高分子复合材料和木质复合材料两方面的应用现状及其应用局限性。《基于THz-TDS反射稀疏层析的高分子及木质复合材料无损检测技术》从复合材料大尺度、快速、原位无损检测的实际需求出发，以聚甲基丙烯酰亚胺泡沫实验研究为例，将无掩模压缩感知拓扑优化与太赫兹时域光谱的有效稀疏表征相结合，通过定性、定量分析，明确了这种结合的方法在太赫兹时域光谱成像效率、三维重构质量上的优势，进而探索提升成像效率、重构质量的新途径；并结合木质复合材料太赫兹时域光谱无损检测的研究现状，对作者提出的改进的太赫兹时域光谱无损检测技术在木质复合材料的组分性质分析、夹层结构探伤以及辅助新材料开发方面的应用潜力进行了初探。
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目录前言第1章 绪论 11.1 THz-TDS无损检测技术在高分子复合材料、木质材料及木质复合材料中的应用 21.1.1 THz-TDS无损检测技术在高分子复合材料中的应用 41.1.2 THz-TDS无损检测技术在木质材料及木质复合材料中的应用 81.2 THz-TDS无损检测技术研究现状 111.2.1 THz-TDS快速成像方法研究现状 111.2.2 THz-TDS CS三维重构方法研究现状 151.2.3 THz-TDS成像质量提升方法研究现状 171.3 THz-CT成像相关理论及研究现状 181.3.1 THz-CT成像原理 181.3.2 飞行时间THz-CT成像原理 221.3.3 THz-TDS CT成像研究现状 241.3.4 本书所使用的THz-TDS反射CT成像平台 261.4 本书主要研究内容 28第2章 无掩模CS拓扑理论研究 302.1 传统压缩感知理论 302.2 基于信号奇异性度量的无掩模CS 312.2.1 常见光谱特征提取方法分析 322.2.2 基于THz-TDS小波变换模极大值奇异性度量的稀疏表征 352.2.3 基于THz-TDS稀疏表征的分块式自适应无掩模CS拓扑分布优化 412.3 小结 43第3章 基于无掩模CS的THz-TDS反射稀疏层析实验研究 443.1 PMI-GFRP夹层结构THz-TDS反射稀疏层析实验 443.1.1 样本制备 463.1.2 实验设置 503.1.3 传统扫描效率及成像质量分析 503.2 无掩模CS实验 563.2.1 PMI-GFRP夹层结构缺陷THz-TDS反射特征谱分析 563.2.2 基于信号奇异性检测的稀疏表征及其有效性验证 763.2.3 分块域扫描方案设计 823.2.4 特征区域扫描方案设计 843.2.5 基于FPGA的数据采集及存储 853.2.6 无掩模CS性能分析 893.3 PMI泡沫复合材料散射实验 903.4 小结 94第4章 基于退化机理及多域关联的稀疏三维重构 954.1 基于米氏散射理论的散射模型改进及数值模拟 954.2 基于散射的点扩散函数模型改进 1004.3 基于多域关联稀疏表征的THz-TDS反射层析三维重构 1034.3.1 基于信号奇异性分析的THz-TDS信号去噪与目标函数解卷积 1034.3.2 基于THz-TDS的多域关联稀疏表征及重构 1034.3.3 基于THz-TDS反射的无掩模CS的三维重构算法设计 1104.4 THz-TDS无损检测技术在木质复合材料中的应用 1124.4.1 木质复合材料质量评价应用 1134.4.2 木质夹层结构探伤应用 1194.4.3 新型木质复合材料设计应用 1224.5 小结 125第5章 基于THz-TDS无损检测的多域关联缺陷定性、定量分析 1265.1 基于多域关联稀疏表征的支持向量机缺陷类型定性分析 1265.2 基于THz-TDS无损检测的定量分析 1315.2.1 基于THz-TDS成像退化机理及多域关联稀疏表征的超分辨率重构 1315.2.2 THz-TDS无损检测稀疏三维重构 1345.2.3 基于重构结果的缺陷定量及误差分析 1355.3 小结 140第6章 总结 141参考文献 144
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第1章绪论 由于复合材料具有多相界面结构，其缺陷类型不同于传统材料，常见的缺陷有裂缝、蒙皮脱黏、空洞、分层、刺穿、机械损伤或热损伤等。这些类型的缺陷成为影响复合材料构件耐久性和安全性的关键。因此，需在生产和现场操作过程中对这些缺陷进行监控。各种能够表征纤维增强复合材料损伤和缺陷的无损检测技术已经发展起来。涡流法、超声波法、热成像测量方式、错位散斑干涉法和微波检测法是常用的复合材料无损评价技术。涡流法和超声波法受流体匹配式的检测方式以及复合材料对超声波强衰减的限制，其成像的分辨率明显下降，检测效果较差。大多复合材料的隔热性使得热成像测量方式受到样品厚度的影响。错位散斑干涉法则对分层的敏感性较低。微波检测法由于波长较大，其成像分辨率低于由太赫兹波检测法获得的结果。另外，检测和识别的非并行也影响了检测结果的有效性[1-2]。 太赫兹波在电磁频谱中的频率范围为0.1～10THz，位于微波和红外频率区域之间，这个区域的波长范围从0.03mm到3mm，具有穿透和识别非金属复合材料缺陷的*特能力。因此，太赫兹成像技术是一种极具前景的复合材料无损检测技术，可以作为微波技术、红外技术和其他无损检测技术的有效补充工具。 美国伦斯勒理工学院原太赫兹研究中心主任、罗切斯特大学光学院院长张希成教授在《自然》（Nature）、《自然光子学》（Nature Photonics）、《科学》（Science）国际期刊和英国广播公司等媒体的访谈中曾表示：“可能*需要太赫兹的工业应用应该是无损探测、质量控制和缺陷检查。我曾经和300多家公司联系过，80%以上的公司表示他们*需要无损探测。”[3] 基于太赫兹的无损检测技术拥有传统手段无法比拟的技术优势，成为现有无损检测手段的有力补充，为工业技术革新提供了前景广阔的发展机遇。按照太赫兹波的频带宽度不同或时域连续性可将太赫兹波分为连续太赫兹波和脉冲太赫兹波，其中脉冲太赫兹波包含成像目标几何信息以及强度、相位等信息，可实现三维图像重构，便于目标物定性、定量分析及鉴别。 在基于THz-TDS的各种探测模式中，反射成像一直以来都被认为是更接近于实际应用的探测目标物体特性的方法，也是*有可能在工业应用中采用的太赫兹成像技术，是唯一一种可以检验和识别埋在不可穿透材料中目标物的方法[4-5]。反射式测量可以提供样本表面和内部的距离信息，因此可以对物体的三维图像进行重构，对太赫兹波不透明的大而厚的物体的探测更有利[3]。 尽管基于传统光栅扫描的THz-TDS技术能够实现全面的目标信息采集，但其逐点扫描的方式导致检测效率难以提升，同时数据量庞大，最终造成对缺陷目标的鉴别决策显著迟滞[6]。而检测对象的大尺度以及准确定量分析等需求又对THz-TDS无损检测技术的应用提出了新要求。但现有方法受硬件加工、获取数据不完备等的限制，使THz-TDS无损检测的发展受到阻碍。为克服上述技术瓶颈，本书另辟蹊径，提出在不改变系统结构、不增加硬件成本的基础上，基于THz-TDS反射稀疏层析理论的分析，结合成像退化机理，从无掩模CS三维重构角度，研究提升大尺度检测对象的成像质量及直观鉴别力，为拓展新的THz-TDS无损检测研究途径奠定了理论与实践基础，具有重要科学意义。 1.1THz-TDS无损检测技术在高分子复合材料、木质材料及木质复合材料中的应用 复合材料一般结合了多种材料的*特性能，不仅保持了各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能，形成一种具有定制性能的适用于特定应用领域的新型材料。由于复合材料具备高比强度、强工艺可塑性、耐腐蚀性等优势，且以泡沫等高分子复合材料为芯材设计的夹层结构能够在不牺牲强度的情况下使结构尽可能轻，因此，复合材料已被广泛应用于汽车工业、土木工程、民用航空、航海工程等对此类性能要求较高的领域[7]。复合材料夹层结构的常见芯材如图1.1所示。 图1.1复合材料夹层结构的常见芯材 高分子复合材料、木质材料及木质复合材料是夹层结构芯材的典型代表，如含有芳纶纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚氨酯泡沫等的高分子复合材料、木质材料颗粒增强金属基复合材料以及木塑复合材料等已成为航空航天、射电天文、风力发电等设备组件的重要部件不可或缺的*选芯材。 然而，与金属结构相比，复合材料的本质复杂以及材料内部的孔隙结构、低折射等固有特性，使得疲劳、断裂的成因更不好理解，传统的无损检测手段往往失效，技术革新迫在眉睫。而太赫兹的半透明性、非电离性等特点，使得其比传统射线法成像对比度更高，比微波成像分辨率更高，散射相对小，穿透性优于可见光和近中红外光，非电离，比X射线更安全等[4]。尤其是基于相干测量的脉冲太赫兹波同时包含了宽频带强度、相位等信息，获取信息更加丰富，成像方法更加灵活，且所成图像具备“图谱合一”特性，有潜在的目标定性、定量鉴别力，更适合无损检测应用中目标信息的准确表征[6]。 1.1.1THz-TDS无损检测技术在高分子复合材料中的应用 高分子复合材料在力学、加工成型等方面的优异性能，使其备受航空航天领域的推崇[8]。高性能泡沫材料作为高分子复合材料的典型材料，其优良的比强度、大承载力、抗蠕变及抗疲劳等性能，使其逐渐成为很多关键部件结构设计中芯材的优选材料。然而其*特的孔隙结构也给传统无损检测的有效性、准确性、直观性带来了新的难题。 与传统手段相比，太赫兹无损检测技术在高分子复合材料及其夹层结构应用中拥有无法比拟的技术优势，基于THz-TDS的无损检测技术更是因其检测信号所携带信息的丰富性，表现出巨大的应用潜力[9]。这就使太赫兹无损检测技术有力弥补了现有无损检测手段的不足，成为保障运行安全、避免重大经济损失的关键。太赫兹无损检测在高分子复合材料及其夹层结构中的典型应用如图1.2所示。 图1.2太赫兹无损检测在高分子复合材料及其夹层结构中的典型应用TPS为热防护系统（thermal protection system） THz-TDS无损检测技术由于具有宽带性、高信噪比、相干性和指纹谱性等特点，更有利于拓展太赫兹无损检测技术的研究数据及应用范畴，因而逐渐成为研究热点[10]。国外研究起步较早，1996年，美国伦斯勒理工学院的张希成等研制出可实时太赫兹成像系统[11]。2004年，日本筑波大学的Hattori等[12]*次搭建了基于光学外差探测技术的太赫兹成像，但成像像素点比较少，且很难真正实现实时成像。2005年，荷兰的vanderValk等[13]实现了太赫兹偏振成像，为太赫兹成像技术开辟了新方向。2003～2005年，美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）在航天飞机的外挂燃料箱绝热泡沫无损检测中使用了太赫兹成像技术。张希成的科研团队开发了一款连续波太赫兹便携式成像系统，该系统基于电光晶体和CCD相机实现实时成像，已被NASA批准并使用在航天飞机泡沫的实际检测中。与扫描成像相比，额外的定时延迟与重构算法的配合，能够检测到扫描步长为0.02mm时峰值时间偏移为0.67ps，成像速度虽有改善但仍有待提升[14-15]。2006年，Banks等[16]基于二维麦克斯韦方程组，以聚氨酯（polyurethane，PU）泡沫为研究对象，建立法向入射的太赫兹平面波脉冲传播模型。该项研究实验通过对带有熔合线的PU泡沫板进行检测发现，应用**电磁学理论可描述并区分熔合线及周围泡沫材料。2007年，Chiou等[17]应用太赫兹成像技术分析了航天飞机外部燃料箱泡沫的多种缺陷，给出了一些信号处理及建模方法改进。Nair等[18]针对PU泡沫-金属结构脱黏以及分层缺陷的检测结果，提出了基于小波变换的信号处理方法，提高了成像对比度，使得缺陷更易辨识。Melapudi等[19]基于光纤追踪模型的近似法，以PU泡沫、空气、金属结构作为实验样本，进行了THz-TDS检测实验。2009年，White等[20]应用THz-TDS成像技术对航空发动机涡轮叶片的热障涂层厚度进行了检测，通过成像结果可以清晰反映涂层厚度的均匀性。2010年，Stoik等[21]应用THz-TDS技术对飞机上使用的玻璃纤维复合材料的损伤包括空洞、分层、机械损伤及热损伤进行了无损检测，结果表明，局部热损伤未明显改变玻璃纤维的折射率及吸收系数。在进一步的成像研究中，研究者应用幅度、相位信息成像获得了空洞缺陷的定位，通过主脉冲后的反射效应可获得分层深度信息，同时检测出了弯*应力损伤和模拟隐藏裂纹。2010年，德国凯泽斯劳滕大学的Wiegand等[22]分别对太赫兹发射、探测光束进行了线聚焦，结合两个互补金属氧化物半导体阵列的差分探测技术实现了太赫兹差分实时成像系统。同年，Quast等[23]基于Synview公司的连续太赫兹成像系统平台，在230～320GHz频段对玻璃纤维泡沫结构进行分析，检测出了人工缺陷。2011年，Roth等[24]基于太赫兹层析技术对航天飞机热保护系统的泡沫材料的扫描检测，与Ｘ射线微聚焦层析结果进行对比发现，前者可实现对泡沫内部空洞缺陷的良好检测，效果更佳且更安全。同年，Rahani等[25]应用太赫兹成像技术对聚合物泡沫砖的热损伤进行了检测，实验发现高分子多孔浮石材料的介电性能随热暴露温度升高而升高。加拿大滑铁卢大学的Houshmand等[26]提出了棒滤波器的方法，实现了连续太赫兹波复合材料缺陷振幅、相位成像结果的滤波处理，结合图像融合实现检测。该方法在噪声特性难以确定的情况下，提高了太赫兹无损检测的有效性。2012年，Pastorelli等[27]基于尼康公司的THz-TDS系统，在0.15～4.2THz范围内检测了从纤维素衍生物到聚乙烯的多种复合材料。实验结果表明，上述检测对象中非极性聚烯丙烯烃和聚苯乙烯聚合物没有明显的可用于聚合物鉴别的特征。在接下来的实验中，研究者对增塑剂等添加物及化学结构的太赫兹特征进行了检测，证明了太赫兹成像光谱对增塑剂等添加物及化学结构的鉴别能力。在太赫兹脉冲三维成像的研究中，研究者对PU泡沫的内部空隙、裂纹等缺陷进行了检测识别，检验了太赫兹成像技术对多种复杂结构的复合物的成像能力。2014年，Angrisani等[28]针对航空复合材料出现的早期亚毫米裂纹的无损检测，开发了一套基于压缩采样的太赫兹检测系统，大大提高了检测速度。2016年，Abina等[29]基于太赫兹光谱及成像技术对热建筑保温材料聚合物泡沫进行了研究，计算了其吸收系数，并得出导热系数与吸收系数成反比关系的结论；此外，Abina等[29]应用太赫兹振幅成像使预置缺陷和泡沫材料内部结构清晰可见，证明了太赫兹无损检测技术对材料内部结构检测的能力。
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