Page 78 - 无损检测2023年第九期
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安 康, 等:

   基于微波时间反演算法的复合材料内部损伤检测

   纤维增强复合材料的硬度、 延展性等机械特性, 严重                         自适应的空时聚焦特性使得时间反演算法在探测领
   威胁航空航天、 汽车、 建筑等领域中复合材料部件的                         域具有了巨大的应用潜力。 2017 年, WANG 等                 [ 17 ]

   使用安全。因此, 研究高效、 准确的复合材料无损检                         通过设置近场辅助源, 提出了一种实现超分辨率成

   测技术具有重要意义。                                        像的时间反演算法。 2018 年, MUKHERJEE 等               [ 18 ]
       目前, 常用的无损检测技术包括微波检测技                          研究了微波时间反演算法用于复合材料无损检测的
   术 [ 1 ] 、 超声检测技术  [ 2-3 ] 、 红外热成像检测技术     [ 4-5 ] 、  可行性, 并通过试验证明了该技术具有检测复合材
   X 射线检测技术       [ 6-7 ] 、 涡流检测技术 [ 8-9 ] 等。其中, 微   料和金属黏接层中单个和多个脱黏损伤的能力。


   波检测技术具有非接触、 实时、 高效、 高对比度的优                        2021 年, MUKHERJEE 等     [ 19 ] 提出了一种结合多个
   势, 是进行快速复合材料无损检测的重要手段。美                           辐射源的时间分辨信息进行复合材料损伤检测的微



   国在 20 世纪 60 年代就采用微波技术对大型导弹                        波时间反演算法, 其可以对复合材料中的平面型损
   固体发动机玻璃钢壳体中的缺陷和内部质量进行检                            伤进行检测, 并通过仿真进行了验证。
   测。我国的陆荣林等           [ 10-11 ] 采用微波反射技术对不               文章基于二维时域有限差分算法对复合材料模
   同复合材料中的空洞型缺陷进行了检测, 结果证明                           型进行数值仿真, 结合微波时间反演算法和积分能
                                                     量法对复合材料内部较小损伤进行检测, 研究了不
   了微波检测技术对复合材料中缺陷检测的有效性。
                                                     同传感器排列方式和传感器数量对检测结果的影
   2019 年, MEIER 等   [ 12 ] 使用了毫米波雷达对复合材

                                                     响, 实现了复合材料内部较小损伤的检测, 并讨论了
   料散射场进行测量, 利用信号相位的高灵敏度对复
                                                     提升检测质量的关键因素。
   合材 料 内 部 的 断 层 损 伤 进 行 了 成 像。 2020 年,
   AMINEH 等    [ 13 ] 提出了一种基于近场微波三维成像                1 微波时间反演算法
   和波束空间变换的方法实现了对非金属管道中缺陷
                                                       微波时间反演算法是指在使用微波脉冲信号辐
   的检测, 并进行了相关试验验证。
                                                     射待测材料后, 将信号接收单元记录的辐射信号或
       在复合材料的无损检测中, 微波检测技术可以
                                                     者散射信号在时间上进行反转, 然后将反转后的信
   弥补其他常规检测方法的不足( 如超声波在复合材
                                                     号从相应的接收单元处辐射回原辐射区域或散射区
   料中衰减大、 难以检测内部较深缺陷; X 射线检测技
                                                     域, 则反转后的信号将在同一时刻在原始信号源或
   术对平面型缺陷的检测灵敏度低等缺点), 对复合材
                                                     目标所在的位置产生自适应的相干叠加, 即为自适
   料结构中的孔隙、 疏松、 基体开裂、 分层和脱黏等缺
                                                     应的空时同步聚焦特性。
   陷具有较高的灵敏度。然而, 微波检测技术分辨率
                                                     1.1 时间反转不变性
   通常较低, 在损伤小于所适用的微波波长时, 不容易
                                                       时间反演算法的基本理论是基于波动方程在无
   被检测到。
                                                     耗和时不变介质中的时间反转不变性。由于电磁场
       时间反演算法最早由 FINK 在 1992 年提出,
                                                     波动方程在时间上具有对称性, 所以波动方程包含
   在超声领域得到了广泛应用。微波时间反演算法
                                                     两个解: 一个解是描述发散波的解 ( r , t ), 另一个
                                                                                    ϕ
   是将信号接收单元记录的辐射信号或者散射信号
                                                     是描述收敛波的解 ( r , t )。发散波是指从脉冲
                                                                           -
                                                                      ϕ
   在时域中进行一种反转操作, 然后将反转后的信
                                                     源辐射出的电磁波, 收敛波则是指从空间中收敛至
   号从相应的接收单元处辐射回原辐射区域或散射
                                                     脉冲源位置处的电磁波。在时间反转的操作下, 这
   区域, 则反转后的信号会自适应地在辐射源或者
                                                     两个解依旧满足波动方程。因此, 收敛波将会沿着

   散 射 体 处 产 生 空 时 聚 焦。 2004 年, LEROSEY
                                                     发散波的传播路径在脉冲源的位置处实现自适应聚
   等 [ 14 ] 完成了第一个微波电磁场中的时间反转试
                                                     焦。给出标量波动方程如下             [ 20 ]
   验, 在一个具有高品质因素的腔体中, 采用单发射
                                                                             ∂ 2
                                                                   (,)
                                                                2
                                                                                 (,)
   天线 - 单接收天线的结构利用时间反演算法实现了                                    ▽ ϕ rt - μ ε  ∂t 2 ϕ rt = 0      ( 1 )

   在 发 射 天 线 位 置 处 的 空 时 聚 焦。 2007 年,                式中: ε 和  μ  为介电常数和磁导率。
   CARMINATI等    [ 15 ] 在时间反转腔中从矢量波的角度推              1.2 无损检测中的时间反演算法

   导了时间反演算法的空时聚焦特性。 2010 年, DE                         在微波时间反演算法中, 时间反转后的信号
   等 [ 16 ] 给出了单色时间反转镜的理论推导, 同样推导                    会自适应地在该信号所经过的目标或信号源处聚
   得到了时间反演算法的空时聚焦特性。这种对环境                            焦, 然而在传感器上测量得到的信号通常是脉冲
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          2023年 第45卷 第9期
          无损检测
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