发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测方法及装置。

本发明的技术方案是按以下方式实现的，本发明的一种太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测方法，该方法是利用连续太赫兹波检测系统的太赫兹发射源对样品风力叶片泡沫芯材发射太赫兹电磁波，根据被泡沫芯材透射和/或反射后的太赫兹波强度得到样品的太赫兹图像；

连续太赫兹波检测系统对风力叶片芯材进行扫描式成像；连续太赫兹波检测系统使太赫兹波聚焦在风力叶片泡沫芯材上，尤其粘接层处，风力叶片泡沫芯材会对太赫兹波产生损耗，而粘接缺陷的边缘对太赫兹波的散射效应，会影响太赫兹波的强度分布，获得层析图像，尤其粘接层处的层析图像，根据焦平面附近的图像，可直观判断出粘接面有无缺陷；

连续太赫兹波检测系统的一次二维扫描可以同时采集风力叶片泡沫芯材不同深度的太赫兹反射回波，形成层析成像，实现太赫兹无损检测。

得到泡沫芯材太赫兹图像后，将所得原始RGB图像转换为相应的灰度图像，并进行中值滤波，消除孤立的噪声点；根据连续太赫兹图像中缺陷的灰度值分布特点，选择图像分割算法对其进行分割，从而提取缺陷前景，实现对缺陷面积定量。

通过将强度信号线性量化成RGB图像可以得出样品物体内部的形状、缺陷及边缘位置；不同频率的太赫兹波被透镜汇聚到样件的不同深度，太赫兹波穿过泡沫芯材与粘接层后被金属基板反射，在混频器中与入射信号进行混频并被太赫兹探测器接收，其中含有被测量的相对距离信息，经过锁相放大器的信号放大传输至上位机进行图像处理。

连续太赫兹波检测系统的工作运算是：

信号发射接收所用时间为τ，

太赫兹源发射的初始频率f₀，

带宽B，

周期T，

调频斜率μ＝B/T，

设太赫兹发射头到目标的距离为R，

ct为太赫兹波在空气中的传播速度，则τ＝2R/c_t，

分别用实线和虚线表示太赫兹源发射频率ft和经金属基板反射后太赫兹波频率fr，

f₀为ft的初始值，

f₁则为fr的终值，

t为检测时间，

发射信号频率为:ft＝f₀+μt 式(1)

反射信号频率为:fr＝ft(t－τ)＝f₀+μ(t－τ) 式(2)

混频器的作用是使发射信号频率与反射信号频率相减得到中频信号频率f_if，表示为:f_if＝ft－fr＝μτ＝2BR/(T_cT) 式(3)

于是有:R＝T_cTf_if/(2B) 式(4)

频带宽B和周期T在特定情况下，混频器中频信号输出f_if与到材料的距离R成正比，根据中频信号f_if可得出太赫兹透镜到材料的距离，中频信号的振幅反映了被测材料的折射率，通过混频器发出的差拍信号，即可实现目标材料的振幅与相位成像；锁相放大器将信号放大后交送上位机，再经由图像处理后，可显示Z厚度方向0～1000mm纵深范围内任一深度样件的方向X-Y二维截面太赫兹图像。

对于所获得的太赫兹图像，结合中值滤波，采用模糊c均值FCM聚类算法对缺陷图像进行处理，分割得到含有目标缺陷信息的二值图像，定位目标缺陷信息所示的缺陷位置，并计算像素点得到缺陷面积。

对于缺陷图像处理方法，分为[1]缺陷图像分割和[2]缺陷面积估算检测两步；

[1]缺陷图像分割

缺陷图像分割算法通过迭代运算实现目标函数：类内误差平方和函数的不断优化，在图像分割的应用就是根据图像中像素和c个聚类中心的每一个中心间的加权隶属度，对目标函数进行多次迭代优化，得到聚类目标函数数J最小时的聚类中心矩阵P与模糊划分矩阵U；

u_ij表示第j个样本属于第i个聚类的隶属度，U由u_ij构成；在模糊聚类算法中，其聚类目标函数J为：

式(5)中:

n为图像中总像素个数；

m为加权指数，决定分类模糊程度；

d_ij＝||p_i-x_j||是样本x_j与聚类中心p_i两者间的欧式距离，所有p_i构成P；

为约束引入拉格朗日乘子λ，则聚类目标函数可以写成：

为得到聚类目标函数J最小时的模糊划分矩阵U，对目标函数J求关于λ和u_ij的偏导数，令其为0，则有:

由式(7)、式(8)得：

令目标函数关于聚类中心p_i的偏导数为0，则有:

最终得到p_i的更新公式：

该算法的主要实现步骤为：

(4)确定聚类中心个数c和加权指数m，设定迭代阈值ε＞0，初始迭代次数为0，并初始化聚类中心矩阵P；

(5)计算更新U^(N),P^(N)；

(6)若||P^(N+1)-P^(N)||＜ε停止迭代，否则将置迭代系数N＝N+1，并返回步骤(2)继续迭代；

针对风力叶片泡沫芯材缺陷的连续太赫兹图像，目标缺陷即为一类；该算法的主要思想：评价聚类性能的准则函数在多次迭代过程后达到最优，并将数据集划分为不同的聚类，从而使生成的每个聚类达到内紧凑与类间独立；粘接层中存在的缺陷使反射回波的强度存在差异，在连续太赫兹波图像上，粘接缺陷体现为一种单独的聚类，像素聚类与图像分割一致，从而将缺陷图像与其它类分隔开；

[2]缺陷面积估算

将粘接层太赫兹图像进行图像分割得到含有缺陷信息的二值图像，遍历图像中所有缺陷像素点，即可求出缺陷类像素点的总和；

由于连续太赫兹系统的的X轴步进精度和Y轴的步进精度均为1mm，则每个像素点的所代表的真实面积为1mm²；所以缺陷类像素点总和的数值即为缺陷面积的数值。

连续太赫兹波检测系统的太赫兹发射源发射的太赫兹波采用频率范围为0.3～1.5THz的反射式连续太赫兹波；能够通过频率源、信号源的整合发射稳定频率范围的太赫兹信号，太赫兹波功率300mW～5W；

连续太赫兹波检测系统的太赫兹探测器，其探测频率范围0.1～2.0THZ。

风力叶片芯材采用陶瓷、石墨、高分子复合材料、塑料或泡沫的非金属芯材。风力发电叶片使用的泡沫主要是玻璃钢夹芯结构的芯材。

一种实现太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测方法的装置，其结构是：

在太赫兹发射源的发射轴向上配置有喇叭天线、混频器、太赫兹透镜、样品风力叶片泡沫芯材、反射板，

于太赫兹发射轴向上在太赫兹透镜的上游配置有混频器，

在混频器与发射轴交点处的垂直方向配置有太赫兹探测器，

太赫兹探测器连接锁相放大器，锁相放大器连接上位机；

以上构成连续太赫兹波检测系统。

连续太赫兹波检测系统的太赫兹发射源发射的太赫兹波采用频率范围为0.3～1.5THz的反射式连续太赫兹波；能够通过频率源、信号源的整合发射稳定频率范围的太赫兹信号，太赫兹波功率300mW～5W；

连续太赫兹波检测系统的太赫兹探测器，其探测频率范围0.1～2.0THZ；

喇叭天线材质采用金属金，发射角度范围-60°～60°；

混频器：使发射信号频率与反射信号频率相减得到中频信号，中频信号的振幅反映了被测材料的折射率，通过混频器发出的差拍信号，即可实现目标材料的振幅与相位成像；

锁相放大器是从干扰环境中分离出特定载波频率信号的放大器；

太赫兹透镜采用高纯硅太赫兹透镜，直径40cm，焦距30cm。

本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明的一种太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测方法及装置利用太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测装置对泡沫芯材进行扫描式成像；太赫兹检测泡沫芯材的分辨率为10-20μm，通过对泡沫芯材的高分辨率成像分析各种缺陷的成像特征进而有效的分辨缺陷泡沫芯材，提高风力发电叶片运行的整体安全性。

太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测装置因为采用二维图像成像的方式相对于超声波无损检测技术更加直观、更易于辨别缺陷种类缺陷位置，提高检测效率的同时也减少对泡沫芯材资源的浪费。

本发明能够通过确定风力发电泡沫芯材中的缺陷位置进行泡沫芯材缺陷的检测，提高了风力叶片泡沫芯材的检测效率；同时也提升了风力发电叶片整体的安全性能。通过将缺陷种类、位置信息反馈给缺陷处理单元，实现了缺陷泡沫板材的重复利用，减少了资源的浪费。

本发明的一种太赫兹主动式风力叶片泡沫芯材无损检测方法及装置设计合理、结构简单、安全可靠、使用方便、易于维护，具有很好的推广使用价值。