第十五章 太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用

第十五章太赫兹在无损检测及航天器检测中的应用
15.1 应用时域太赫兹探测航天飞机隔离层中的缺陷
太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的探测。

通过逐点扫描的方法得到各个点的时域波形。

然后分析波形的变化来判断缺陷的大小，形状，位置和种类。

太赫兹脉冲成像技术有微波成像系统的优点：
（1）对非金属的穿透能力强，其衰减系数比超声波小2-3个数量级；
（2）有极宽的频谱可供使用，可根据被测对象的特点选择不同的测试频率；
（3）除能检测体积型缺陷外，还能检测x射线难以检测的平面型缺陷，如裂纹、分层、脱粘等；
（4）非接触式检测，无需使用祸合剂，避免了祸合剂对特殊构件的污染和相互作用；
（5）检测效率高，易于实现实时监控；
（6）测量本身就是电信号，无需进行非电量的转换，从而简化了传感器与处理器的接口；
（7）在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温环境中对检测信号的传播影响极小。

2003年2月1日，刚刚完成16天航行的哥伦比亚号航天飞机即将返回地球，还有16分钟着陆的时候，在距离得克萨斯上空62公里的高空发生爆炸。

机上7名宇航员全部遇难。

5个月之后，虽然尚未对事故原因做出明确的定论，但是事故调查委员会相信哥伦比亚号的悲剧应该归因于外置燃料箱的泡沫隔离层的脱粘所致，如图 15-1所示。

图15-1 哥伦比亚号航天飞机失事原因
如上图所示，（a）为哥伦比亚号航天飞机，图中白色箭头所指之处就是泡沫脱粘的地方，（b）外置燃料箱的泡沫隔离层内部结构的示意图，（c）航天飞机机翼被泡沫所砸出的洞。

在初步报告中，调查委员会认为：根据地面上的长焦距摄像显示，在航天飞机升空的过程当中有一块泡沫材料脱落并与机身发生了撞击。

导致这种悲剧的原因可能是由于泡沫中存有缺陷，一块手提箱大小的泡沫绝缘材料在起飞过程中发生脱离，然后击中航天飞机的左翼并在隔热板上砸出一个洞来。

当航天飞机重返大气层的时候，隔热板上的这个洞使3000摄氏度的高温气体进入了左翼，融化了它的金属支架，最终导致机毁人亡。

在一次模拟试验中，美国宇航局的研究人员将泡沫隔离块射向航天飞机机翼, 泡沫隔离块在飞机机翼的隔热板上撞出一个16英寸大小的洞。

这一实验有力地支持了上述假设。

据称，这已经不是第一次发生泡沫隔离材料撞击航天飞机的事情了，类似的情况在以前的发射中至少发生过7次。

因此，泡沫材料中缺陷的检查成为确保之后航天飞机安全发射的关键所在。

太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测发射中缺陷的四种技术之一。

这四种技术包括：太赫兹成像，X光成像，超声波成像和激光剪切力成像。

已经证明：泡沫塑料材料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率。

因此，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。

图 15-2和图 15-3分别给出了航天飞机使用的泡沫绝缘材料SOFI（Sprayed-On Foam Insulation）在太赫兹频段的吸收率和折射率曲线，以及对它进行检测的太赫兹成像装置。

传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个
时域波形，从而提供了多维信息。

举例来说，记录各个交界层反射的太赫兹脉冲后，利用太赫兹成像就能看到不同层中存在的缺陷。

图 15-2 SOFI对太赫兹波的吸收系数曲线和折射率曲线
图 15-3 太赫兹波成像装置和SOFI（Spray-on Foam Insulation）的照片
通过测量一系列预先存在缺陷的泡沫材料样品，可以来研究太赫兹成像技术在检测泡沫材料缺陷方面的应用。

这些样品均是由航天飞机燃料箱的制造商洛克希德--马丁公司按照真实航天飞机泡沫隔离材料的规格制造的。

图 15-3中的探测样品名为PAL Ramp Pannel SOFI。

这块样品面积为2英尺乘2英尺，材料的厚度分布从2英寸到9英寸。

另外，它还具有十分复杂的底板结构，包括三个纵桁和两个凸缘。

样品由两层SOFI组成，中间被绝热材料隔开。

其中预埋了两种燃料箱隔离层中可能出现的缺陷：空洞（空气泡）和脱胶（两层泡沫脱离或泡沫和底板脱离），大小从1/4英寸到2英寸。

这些预埋缺陷最深可达9英寸，最浅只有1/4英寸，不
仅分布在铝制底板上，同时也散布在纵桁和凸缘的边缘地带或底端。

将太赫兹脉冲从顶部和侧面入射，记录其反射波，并从57个缺陷中成功探测到49个。

有3个缺陷受其所在位置限制，太赫兹脉冲无法照射到。

图 15-4 空洞缺陷处的反射脉冲波形（虚线）与正常点的波形（实线）
图 15-3中还显示了太赫兹成像系统，太赫兹波从样品顶部进行扫描。

太赫兹脉冲的产生采用飞秒激光照射大孔径GaAs天线的方法，并通过4英寸焦距的抛物面镜聚焦在样品上。

反射的太赫兹射线经由一个平面镜反射后，被另一个抛物面镜会聚并聚焦到探测晶体上。

最终，利用电光晶体（<110>晶向的ZnTe晶体）通过电光取样的方式记录下太赫兹脉冲的时域波形。

在太赫兹波扫描样品的过程中,如果太赫兹脉冲在某一位置经过了缺陷，则此处的反射脉冲波形与临近的正常点波形会有所不同。

具体来说，如果通过的缺陷是空洞，那么这个脉冲所经过的光程比临近点要小，波形的变化具体体现在脉冲峰值的时间延迟和强度变化上。

如果通过的缺陷是脱胶，则由于缺陷上下表面反射脉冲的相互叠加，波形的变化一般体现在波包的展宽（频率变化）等细微变化上。

将每个像素点用一个波形特征值表示，样品中的缺陷就会在特征值的二位图中显现出来(见图 15-4)。

概括而言，图像处理过程主要用到的太赫兹波特征信息有三种：峰值到达时间，峰值强度和形状变化。

下文中将会分别讨论这三种信息的处理情况。

15.1.1将时间和强度的峰值信息处理
最直接的方法是将各波形最大值的强度和时间做成二维矩阵，用不同深浅的灰
度来代表强度大小，缺陷位置将会呈现与邻近位置反差较大的灰度。

缺陷部位对太赫兹波的调制往往很小，直接的强度和时间矩阵不能提供足够的反衬度。

交叉相关(cross correlation)的处理方法可以用来提高反衬度，更精确地定位缺陷位置。

该算法的表述如下：
[]∑∑∑−−−−−×−=i i i
mY d i Y mX i X mY d i Y mX i X d r 22
))(())(())(())(()(, (15-1)
其中，X 和Y 分别是两组时域空间的波列（X 为参考波）；r 是X 和Y 的交叉相关波列；d 是X 和Y 波列之间的时间延迟，也是r 波列中的序列号；i 是序列号；mX 和mY 分别是X 和Y 数组的平均值。

r 波列体现了Y 波列与X 波列之间的相关性。

但大多情况下，样品本身厚度不均或底板不平所造成的时间或强度的峰值变化会超过缺陷本身造成的变化。

利用一个平均值过滤器过滤二维峰值矩阵，将得到的矩阵与初始矩阵相减，可以减掉低频噪声，体现出缺陷的位置。

这种方法一般用来处理空洞缺陷。

15.1.2 对波形变化的处理
某些缺陷不能引起太赫兹脉冲峰值或峰值到达时间的明显变化（如小的脱胶），但在反射面处可能引起脉冲形状的变异。

处理这种变异就能测得缺陷的位置。

先将波形的时间和强度分别作归一化处理，使所有波形具有相同的峰值强度和时间。

之后，在几个窗口中比较波形的各个特征部分（极大值、极小值等等）。

这种方法对脱胶缺陷等差别较小的缺陷十分有效。

另外，还能通过计算归一化后波形的系统偏差来寻找异常点。

计算系统偏差的公式如下
2112)))((1(∑=−=n
i mX i X n s , (15-2)
也可将已知缺陷的波形设为标准波形，与所有波形进行比较或计算相关系数。

这种方法也对脱胶缺陷十分有效。

图 15-5 缺陷处的太赫兹波图像
如上图所示，(a) 利用从底板反射的太赫兹波得到的缺陷的像； (b) 利用从交界面反射的太赫兹波得到的缺陷的像；(c)图为从正侧面（(b)图的上部）入射样品的横截面图，它显示了部分缺陷的分布。

57个预埋缺陷中含有25个空洞和32个脱胶。

与脱胶处相比，空洞太赫兹图像的对比度更高。

太赫兹波能显示出0.25英寸到1.5英寸大小的空洞，其中绝大多数具有很高的可信度。

少数缺陷可信度不高的原因是它们与某些结构距离太近。

例如金属螺钉，这些结构在太赫兹波图像上具有极高的对比度，因此影响了缺陷的分辨。

32个脱胶缺陷中有24个可以被太赫兹成像技术探测到。

没有被探测到的缺陷中有3个缺陷无法被太赫兹波照射到。

大于1英寸的脱胶一般能被清晰地分辨出来，而小于0.5英寸的脱胶则很难探测到。

15.2 连续太赫兹波成像系统的无损检测
连续太赫兹波（CW）成像系统所成的像仅仅能提供相关的强度数据，但并不提供任何关于它的深度、频域和时域的信息。

然而，透射能量图在很多应用方面已经足够了。

在深度损耗、频域和时域的信息交换中，CW 成像是一种集成、简单、快速、相对便宜的系统。

系统中利用耿氏二极管振荡器做源，无偏置肖特基二极管做探测器，成像采取反射式。

与脉冲成像系统相比，此系统省去了泵浦-探测成像系统，所需的元件数量很少，光学复杂性大大减小。

同时系统也无需时间延迟扫描，成像速度得到了大幅度提高（CW成像系统原理可以参见本书第5章）。

整套系统装置如图 15-6所示，这套装置是首都师范大学物理系太赫兹光谱与成像实验室的0.2THz 连续波成像系统的实物照片，它主要包含五个部分：THz组件、平移台、电路板、电源和计算机。

其中，最主要的部分是THz组件，它集发射器、探测器、聚焦和传导光束的元件于一体。

图 15-6 (a)0.2THz连续波成像系统实物图；(b)样品实物图。

SOFI是航天飞机所使用的绝缘泡沫，在太赫兹波段有低反射率和吸收。

而用于检测的泡沫含三十个人工缺陷，如图 15-6b所示。

由于对光的散射作用，缺陷显示为暗的边缘。

其检测结果如图15-7所示，30处缺陷只检测出28处，而那两处缺陷之所以没有被检测出来，是因为泡沫板后面的两个金属反射板的倾角太大，导致信号丢失。

图 15-7 泡沫板的检测结果
上文所介绍的检测结果主要是美国伦斯勒理工大学太赫兹研究中心的实验结果，接下来将会介绍一下首都师范大学物理系太赫兹波谱与成像实验室（以下简称为太赫兹实验室）在航天材料的无损检测方面所作的一些研究工作。

太赫兹实验室利用图 15-6(a)所示的CW系统已经成功检测出了预埋在铝制泡沫面板中的四个人工缺陷。

其中，被检测样品是由火箭燃料箱泡沫隔离层材料制成
的，即通过发泡工艺在铝制底板上“喷”出来约20mm厚的泡沫材料。

样品大小为450mm×371mm，样品照片如图 15-8(a)所示，人工缺陷试样如图 15-8(b)所示，它是利用“贴膜”制备的人工缺陷，即将金属箔粘贴在铝板表面，使得泡沫材料与铝板有明显的脱粘。

而所得到的检测图像如图 15-8(c)所示。

从图 15-8(c)中可以明显区分出缺陷和背景来，四个缺陷的具体位置，大致形状和大小也可全部分辨出。

背景中的条纹为干涉条纹，它主要是由入射到样品的光束和从铝制底板反射回的光束干涉引起的，由于底板不是完全平整和光束难以完全正入射，条纹很难消除。

同时图 15-8(c)中缺陷有明显的明暗交替变化，这是因为只粘住了金属箔的四周，中间部分有空气，使金属箔发生了褶皱凸起（如图 15-8(b)所示）。

边缘部分和褶皱处发生的散射导致了反射回探测器中的能量相对较低（黑暗区域）。

若金属箔与铝制底板粘合完好，就可以消除由褶皱引起的黑暗区域，如图 15-8(c)中左下角的那处缺陷。

图 15-8 （a）为样品实物图，（b）为人工缺陷（金属箔），（c）为探测结果图在对航天材料的无损检测当中，对自然脱胶（泡沫层和底板间脱离）所形成的缺陷处进行准确的检测，目前还是 CW系统无损检测技术的一个难题。

这是由于脱胶缺陷处的边缘散射不太强，而且航天泡沫在正常区域和脱胶区域的吸收也没有明显区别，所以对此难以加以检测。

现今不少研究人员正着力解决脱胶缺陷检测的问题，如伦斯勒理工学院太赫兹研究中心运用时域扫描的方法鉴别脱胶缺陷和CW 太赫兹成像技术检测人为加工边界后的脱胶缺陷。

虽然效果不明显，可信度也需进一步提高，但研究工作还是取得了一定的进展，这些充分表明利用THz波成像技术能够成功检测脱胶缺陷的可能性。

对于燃料箱隔热层常见的空洞（空气泡）缺
陷，国际上已成功利用CW太赫兹成像技术检测出。

而在太赫兹实验室也对这个问题进行了一定的研究，并取得了一些研究结果。

如图 15-9所示，(a)图中两个红色线圈所标示的是人工所作的空气膜，可以用它们来模拟航天材料的脱粘现象。

这两个空气膜是由0.4mm厚的刀片将泡沫与铝质底板分割而成的，它们的尺寸分别为55×25×0.4mm3（(a)图中下侧的那个），32×23×0.4mm3（a图中右上侧的那个）的空气膜。

（b）图为空气膜的俯视图，图中靠下的那条红色直线所表示的就是空气膜处（由于厚度态薄，以及相机的原因没有照清楚）。

图(c)则是探测结果图，(c)图中的两个红色圆圈所标示的对应于(a)图中所标示的那两个空气膜。

从(c)图还可以看出这两个缺陷，只是相对于四个金属箔所做的缺陷来说，显得十分不明显，这是由于空气膜的边缘散射现象不强所造成的。

其中(c)图中明暗相间的条纹同样也是干涉条纹。

另外太赫兹实验室又用0.4THz连续波系统队这个样品进行了检测，可见图15-9(d)。

图中绿色和黄色线圈所标示的区域为后来又新添加上的缺陷，它们的大小与厚度是不相等的，而蓝色线圈所圈的区域为0.2THz连续波系统所检测不出来的样品上固有的缺陷。

从这两个实验结果来看，利用CW成像系统对航天材料进行无损且非接触式检测是可行的，而且前景也是非常好的。

图 15-9 对航天材料脱粘的模拟探测
另外利用CW成像系统还可以对航天材料，如碳化硅（SiC），玻璃钢（FRP）等复合材料，进行探测。

太赫兹实验室对火箭尾焰出气筒（FRP－酚醛树
脂玻璃钢）的烧蚀程度进行了相关检测，其检测结果如图 15-10所示。

其中，(a)图为酚醛树脂玻璃钢的实物图，它本来是不导电的，太赫兹也对其也根本检测不了。

然而经过烧蚀后的玻璃钢就能导电了，从而也就可以利用太赫兹对其进行检测了。

追其导电的缘由，这是因为玻璃钢经过烧蚀后，发生碳化效应，从而使其导电性发生了根本性的变化。

烧蚀严重的地方，发生碳化也就比较严重，从而在太赫兹探测图片上显示的亮度也就比较亮（如图 15-10(b)、(c)）。

相反如果烧蚀比较轻的地方对应于太赫兹探测图象中比较暗的地方。

其中(b)图和(c)图是同一幅图象，后者只是前者的彩色表示，这样做的目的也就是让人能够更形象，更直观的看出烧蚀程度的不同。

从图(b)和图(c)当中可以直接看出烧蚀比较严重的地方（最明亮的地方），由此可以为相关的研究人员提供定性和定量的一些相关信息。

图 15-10 酚醛树脂烧蚀程度的测量
如上图所示，(a)为实物图。

(b) 、(c)为探测结果图，后者为前者的彩色变换。

(b) 、(c)两图中明亮的地方对应于烧蚀比较严重的地方。

暗的地方对应于烧蚀比较轻，或者没有烧蚀到的地方。

由此可见，利用太赫兹成像技术（这其中包括脉冲成像和连续波成像）能够成功得探测出航天泡沫材料中的空洞和脱胶缺陷，而且还能定性、定量的表示处航天材料的烧蚀程度。

同时能够在数据处理过程中应用系统偏差、相关系数、时间和强度峰值等多种图像处理技术。

这些实验结果充分证明了太赫兹技术在无损探测领域和航天器的检测领域具有十分广阔的应用前景。