(南京航空航天大学 自动化学院，南京 210016)

飞行器的研制是未来国家军事安全需求的重要体现，由于复合材料具有质量轻、强度高等优点，已成为飞行器大面积及特殊部件的重要选材。但是，复合材料的制造工艺复杂独特，生产过程中存在很多不稳定因素，导致复合材料的内部结构容易出现瑕疵，其中分层缺陷是最常见的内部缺陷。此外，复合材料在使用过程中也会因外部因素产生不同程度的损伤。因此，需要探索切实可行的方法检测复合材料，以提高飞行器的服役寿命[1]。

目前，超声检测法被广泛应用于材料的无损检测等工程应用领域，其检测精度及检测效率较高，但是常规超声法需要耦合剂，对材料表面要求较高。而激光超声技术具有超声检测法与光学法的独特优势，适用于高温、高压、强腐蚀等恶劣环境，能够真正实现非接触式测量[2]。国内外众多科研团队也对此技术进行了深入研究，TANAKA等[3]利用激光超声技术对碳钢中的微小内部缺陷进行了检测，检测精度得到提高；PERTON等[4]通过增加激光脉冲能量来评估黏合强度，验证了激光超声的可行性；FOMITCHOV等[5]开发了一种可工作于高温高压环境的激光超声系统，并成功检测出制造过程中复合材料部件固化的实时信息；FOCKE等基于激光超声对复合材料热成型过程中不同尺寸表面缺陷进行了检测，实现了对零件的全面扫描。国内周正干和沈中华团队在此方面的贡献颇为显著，沈中华等研究了激光超声的表面波热弹效应及表面波传播机制，探讨了针对不同材料表面缺陷的不同接收方法，取得了良好的检测效果[6]；周正干等[7]分别研究了传统超声法与激光超声法检测复合材料的分层缺陷，通过对比得出激光超声技术用于复合材料检测的独特优势。

多年来，国内外众多科研团队在激光超声仪器设备、检测系统性能和检测方式等方面进行了深入研究，并取得了丰硕的成果，但是激光超声损伤检测技术仍处于起步阶段，尚需进一步研究。第一，激光超声设备体积庞大，不易于携带，仅适用于试验研究；第二，激光超声检测方式主要有脉冲反射法与透射法，透射法仅能用于缺陷识别，而反射法多用于缺陷定位，识别性不强；第三，现阶段，试验人员多通过波形信号对缺陷信息进行分析定位，激光超声检测设备的可视化性能研究尚未成熟。笔者以激光超声损伤检测的可视化研究为立足点研究了一种复合材料内部分层缺陷的伪彩重构方法。首先，基于激光超声技术研究了一种复合材料厚度测量及分层缺陷的无损检测方法；其次利用构建好的激光超声系统，采用脉冲反射法对复合材料加筋板进行检测，将接收到的信号进行分析与处理，得到厚度及分层缺陷的相关信息，对分层缺陷进行定位;最后基于三次样条插值算法实现了复合材料内部分层缺陷的可视化伪彩重构。

1 激光超声检测技术基本原理

激光超声是指利用强度受调制的脉冲激光束在气体、液体及固体中激发产生超声波的物理过程[8]。当脉冲激光能量聚焦辐照被测材料表面时，部分激光能量会被固体材料本身吸收,并转化为热能及应力波动能，材料局部温度骤升产生热膨胀，热弹效应或热蚀效应在固体材料表面产生应变和应力场，使粒子产生波动，从而在材料内部及表面传播形成超声波[9]。因此，可以通过超声波在材料内部及表面传播过程中能量的衰减及路径的变化实现对材料缺陷信息、结构信息的表征。

图1 激光超声检测原理示意

激光超声检测原理示意如图1所示。图1(a)为脉冲反射法原理，是指脉冲激光器与激光干涉仪位于被测材料同侧，处于同点激发与接收，脉冲激光器激发出的超声波在材料内部传播，利用被测材料的缺陷回波及底面反射回波的能量幅值表征相关信息；图1(b)为透射法检测原理，是指脉冲激光器与激光干涉仪位于被测材料异侧，根据超声波的能量衰减程度来表征材料内部的缺陷情况[10]。

研究采用脉冲反射法对复合材料的厚度及内部分层缺陷进行了检测，使用脉宽为8 ns的Nd∶YAG脉冲激光器作为激光源，调节其输出能量约为200 mJ，焦斑直径为1 mm，测量用激光器的焦斑直径为200 μm。

2 复合材料分层缺陷检测及定位

目前,在先进的飞机机身及机翼等结构上，都广泛采用复合材料加筋板，不同厚度的加筋板使得飞机在结构强度得以保证的基础上，不仅节约了材料，还减轻了飞机的自重。但是复合材料加筋板在热压成型过程中容易产生内部缺陷，因此应用如图2所示的激光超声无损检测系统对复合材料不同厚度的部位及分层缺陷进行检测研究。

图2 检测装置及样品外观

2.1 超声波传播速度计算

复合材料中超声波的传播速度与超声波的激发方式及复合材料的不同结构有关，因此在进行厚度测量之前，需要先标定出碳纤维材料板内部的超声波传播速度，此后的厚度测量及缺陷定位将基于此波速进行计算。

选用热压成型后的标准碳纤维材料加筋板作为标准试件用于速度的标定计算，加筋板试件结构示意如图3所示，复合材料左侧标注的无缺陷区域为标准区域，总厚度为13 mm，其中薄板的厚度为3 mm，筋高为10 mm，模拟的内置分层缺陷位于右侧半筋高处，即距离上表面8 mm处。

图3 加筋板试件结构示意

在标准试件的左侧对应上表面施加激光超声点光源，采用脉冲反射法同点激励同点接收激光超声信号，将提取到的超声A扫信号进行小波降噪和带通滤波，由于需要快速得到信号的渡越时间(Time of Flight，TOF)，所以需要提取降噪滤波后的信号包络，使提取后的窄带激光超声信号具有较清晰的信号波形包络及较高的分辨率。采用基于Morlet小波的连续小波变换提取信号的时域包络图，迅速提取信号的包络波峰，计算渡越时间。

图4 标准试件无损区域A扫波形

标准试件无损区域A扫波形如图4所示，蓝色线代表激光超声一个往复周期内的信号波形，红色线代表经过连续小波变换后的信号包络时域图，读取包络图中峰值点对应的横坐标，即可计算出信号的渡越时间Δt0=t2-t1，已知无损区域的厚度d为13 mm，根据公式v=2d/Δt0可以计算出超声波的传播速度。由于一次样本比较单一，所以根据实际情况在同一温度下进行多次试验取平均值，尽量降低测量误差。经计算，该温度下复合材料加筋板内部超声波的传播速度约为3 324.8 m·s-1。

2.2 基于渡越时间的厚度测量及分层缺陷深度定位

由于复合材料加筋板不同结构区域的厚度不同，所以基于渡越时间检测复合材料加筋板的不同厚度，并在材料内部预置分层缺陷模拟实际因复杂加工工艺可能产生的内部分层缺陷，对分层缺陷进行深度定位。

首先对加筋复合材料的不同薄板区域进行检测，采集一个回波周期内的信号，并进行信号处理，分析计算出薄板区域的厚度。

图5 不同厚度薄板的激光超声信号波形

图5为不同厚度薄板的激光超声信号波形，图5(a)为厚度3 mm薄板的测量信号，从经过信号处理后的包络时域图中获取信号的渡越时间，并根据标定的波速进行厚度测量，经计算，此时薄板区域的厚度约为3.23 mm，误差为7.7%；图5(b)为厚度5 mm 薄板的测量信号，经计算，此时薄板区域的厚度约为4.99 mm，误差为0.2%。通过波形图的对比及厚度的计算，可以表征出薄板区域在热压成型过程中厚度的变化。

分别对有无分层缺陷的复合材料加筋部位进行检测，对有无分层缺陷的信号波形进行了分析对比，并计算材料的厚度及缺陷的深度，从而实现分层缺陷的定位。

图6 加筋部位的激光超声信号波形

加筋部位的激光超声信号波形如图6所示，通过对比，可以得出：在有、无分层缺陷处激光激发的始波信号峰值重叠且峰值最高，底面回波信号峰值降低，这是由于材料本身及内部缺陷对超声波的吸收，超声波在传播过程中能量损失，幅值下降。无缺陷波形的底面回波信号峰值要明显高于有缺陷波形的，这是因为缺陷与超声波耦合，超声波能量衰减；有缺陷波形的始波与底面回波之间明显出现一个峰值介于始波与底面回波峰值之间的波包，推断超声波传播至此处与缺陷发生耦合。综上，通过有无缺陷信号对比可以判断出材料有无缺陷区域。

分层缺陷信号包络如图6(b)所示，对采集的超声信号进行连续小波变换，得到其信号包络时域图，读取对应始波、缺陷回波、底面回波的时间，计算时间差，从而得到加筋部位的厚度及分层缺陷的位置。经过计算，测定的复合材料加筋部位的厚度为12.63 mm，与材料的实际厚度相比，误差为2.8%。测定的分层缺陷位置约为距离上表面7.61 mm，与已知的分层缺陷位置相比，误差为4.9%。

2.3 定位误差分析

由2.2节所得的测量结果可知,该系统具有较高的空间分辨率，该系统分辨率主要由软件系统厚度检测及缺陷定位模块中的包络提取算法决定。使用该算法提取的信号包络具有较高的空间分辨率，可自动提取包络幅值谱中的声波渡越时间，并结合设定的超声波波速进行计算。

经过多次测量及定位，发现虽然进行测量定位时数据的采集与计算浮动较大，但是总体定位相对误差小于5%，能够较准确地定位缺陷的深度，具有较高的检测精度。进一步分析误差产生的原因有：

(1)测量误差。激光干涉仪的测量角度是影响采集精度的重要因素，而采集精度决定了采集到的波形信号是否具有较清晰的波形特征，从而对测量精度造成影响。此外，信号处理时小波降噪在不同程度上会使波形的特征点散失，并且激光超声信号是宽频带信号，在进行带通滤波时必然会滤除有用信号，造成频谱泄漏。该误差属于试验中产生的随机误差，可以通过调整激光干涉仪角度进行多次测量，或经测试选择更精确的通带范围等方法减小误差。

(2)材料及加工误差。被测复合材料结构复杂，属于层合结构，在制作和加工过程中很难保证材料不同薄板区域的厚度均匀。另外，复合材料的层状各向异性易导致激光超声声束在材料内部传播时发生畸变和倾斜，声束能量剧烈衰减。此外，薄板信号的底面回波信号不明显，影响包络提取算法的提取精度。

3 复合材料内部分层缺陷重构

为了更直观地查看复合材料的内部分层缺陷，在激光超声A扫回波信号的基础上，基于三次样条插值算法重构出了材料的激光超声B扫重构图，并有效地表征了材料的特殊加强筋结构及内部分层缺陷。

图7 扫描检测点示意

扫描检测点示意如图7所示，采用振镜扫描的方式对加筋板的上表面x轴方向取等间隔5个位置区域单独激励形成超声波，并利用激光干涉仪接收回波信号，通过采集卡一共采集5 120个点，分别从中提取一个回波周期内的回波信号进行x-z面重构。

通过对线性插值算法、Hermite插值算法及三次样条插值算法的比较，得出线性插值算法在分段点上连续但不可导，精度最低，但实时性较高，Hermite插值算法在分段点上连续且有一阶导，精度一般但较复杂，而三次样条插值函数可以满足光滑的需求，且精度较高，因此选用三次样条插值算法对x-z截面进行了插值重构。

将采集到的5组1 024点的一维数组作为插值基准，采用三次样条插值算法进行插值形成1 024组一维矩阵，插值重构原理示意如图8所示，由于三次样条插值算法具有光滑特性，能够满足重构的需求，且具有一定的重构精度。接下来将此1 024×1 024 的二维矩阵中每一个数值作为图像的像素值，并根据CLUT(颜色查找表)的表项入口地址查找用于重构成像的RGB色彩强度值，根据查找出的RGB强度值进行图像伪彩重构。

图8 插值重构原理示意

样品B扫截面重构图如图9所示，样品的重构图有效地表征了复合材料加筋板的特殊结构及分层缺陷的位置，重构出了复合材料样品的薄板及加强筋位置，但是加强筋与薄板连接处信号也较强，推测是因为薄板与加强筋连接处的圆角铺层位于声场近场区，对信号的反射有一定的增幅作用。由图9可以获得分层缺陷的位置，为缺陷的评估提供了有价值的信息。

图9 样品B扫截面重构图

4 结语

首先研究了激光超声检测复合材料内部缺陷的基本检测原理，并利用搭建好的激光超声检测系统进行了复合材料厚度的测量及缺陷深度的定位，并基于三次样条插值算法实现了对分层缺陷的激光超声B扫图重构。通过以上研究，验证了激光超声技术用于复合材料内部分层缺陷检测的可行性，且该技术用于复合材料分层缺陷检测时具有较高的空间分辨率及测量精度。研究的可视化重构方法仍然存在一定的局限性，由于该方法是基于回波信号进行重构的，对信号的包络性要求较高。此外，由于采用三次样条插值算法进行缺陷重构，所以采样点的数量对重构信息有较大的影响，后续需要研究更高精度的插值算法以提高检测效率。研究的方法适用于材料制备中厚度变化及成品缺陷的检测及定位，可实现金属样件及铺层紧密的复合材料的无损检测，对于材料在制造过程中制造缺陷的检测与分析有积极的意义。