用于玻璃纤维增强聚合物复合材料的新X波段微波检测策略

《COMPOSITE STRUCTURES》：New X-band microwave inspection strategies for glass fibre-reinforced polymer composites

本研究提出集成X波段（8-12 GHz）微波非破坏性检测策略，通过介质加载波导提升近场聚焦能力与空间分辨率，结合基于信噪比（SNR）的频率选择方法确定最优检测频率，并开发低成本紧凑型测量系统。实验表明，该方案在检测3毫米宽的浅层沟槽和内部平底孔缺陷时，对比度优于未加载波导及传统方法，同时有效降低硬件成本，为工程化应用GFRP复合材料结构提供了可靠检测手段。

　　

张东|孟兆宗|李珍

南京航空航天大学自动化工程学院，南京 211106，中国

摘要

微波无损检测（NDT）已被应用于玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料的损伤检测，但其实际应用仍受到低频下近场聚焦不足、缺乏选择检测频率的标准以及依赖笨重且昂贵的矢量网络分析仪的制约。本研究介绍了一种集成的X波段（8–12 GHz）NDT策略，该策略结合了介质加载波导、基于信噪比（SNR）的频率选择方法和紧凑型独立测量系统。在波导孔径处集成了一种介电常数为10.5的介质块，从而提高了近场聚焦和空间分辨率，同时保持了穿透深度。此外，基于SNR的方法为最佳频率选择提供了物理基础，有效克服了传统经验方法的局限性。与主成分分析（PCA）和K均值聚类相比，该策略在识别深层、低对比度目标方面表现出更高的可靠性。在含有不同深度沟槽缺陷和内部平底孔的GFRP样品上的实验表明，与未加载或非最佳配置相比，该系统具有显著提高的对比度、更清晰的边界和更稳定的成像效果。所开发的系统大大降低了硬件成本，为高性能微波NDT检测复合材料结构提供了一种实用、经济且工程导向的方法。

引言

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料具有较高的比强度和刚度，以及优异的耐腐蚀性[1]、[2]。与传统金属材料相比，GFRP结合了低密度和优异的机械性能，能够在复杂使用条件下显著减轻重量同时保持结构稳定性。由于这些优势，GFRP复合材料已被广泛应用于航空航天、风能设备和民用基础设施[3]、[4]、[5]。然而，GFRP在服役过程中容易受到冲击、循环载荷和环境降解的影响，从而导致从可见表面损伤（如裂纹和凹痕）到内部结构故障（如基体开裂、界面脱粘和分层）等各种缺陷[6]。近表面缺陷特别难以通过视觉检测，但会显著降低结构可靠性[7]。因此，高效且可现场部署的无损检测（NDT）技术对于确保运行安全至关重要。

目前用于GFRP的NDT技术主要包括超声波检测、X射线照相、红外热成像、涡流检测和声发射检测。每种NDT方法都有其优缺点。尽管超声波具有高灵敏度，但它需要耦合剂，并且通常不适合快速大面积扫描[8]。X射线照相提供了高空间分辨率，但会带来辐射危害[9]。红外热成像可以实现快速检测；然而，GFRP的低热导率使其对深层嵌入的缺陷不敏感[10]。涡流检测在导电金属材料上表现良好，但对低损耗介电材料无效[11]。声发射检测允许实时监测，但极易受到环境噪声的影响[12]。总体而言，这些方法在成本、效率或适用性方面存在局限性，无法完全满足GFRP结构的检测要求。

由于微波NDT具有非接触式检测、在低损耗介电材料中的良好穿透能力和低信号功耗[13]、[14]、[15]，因此受到了越来越多的关注。然而，实际应用中在穿透深度与空间分辨率之间取得平衡面临挑战。为了优化检测性能，研究人员广泛探索了多个频率范围。例如，Gokul等人[16]证明，在8.2–12.4 GHz范围内反射幅度和相位的变化可以揭示GFRP中的缺陷（如平底孔（FBHs），证实了X波段测量的可行性。Akbar等人[17]使用K波段（18–26.5 GHz）时域反射测量系统根据反射延迟和幅度成功识别了脱粘现象。然而，大孔径限制了横向分辨率，使得难以区分间距较近的缺陷。Li等人[18]使用Ka波段（26.5–40 GHz）的锥形波导结合傅里叶域处理实现了高分辨率的沟槽和冲击损伤检测。在更高的频率下，Hosoi等人[19]在W波段（75–110 GHz）实现了分层评估的高灵敏度。然而，基于相位的检测容易受到探头位置误差和噪声的影响，而且在如此高的频率下操作成本很高。这些研究共同强调了在向更高频率过渡时空间分辨率、信号可靠性和系统成本之间的权衡。因此，要实现最佳检测能力，需要在这些因素与足够的穿透深度之间取得平衡。在这种情况下，X波段（8–12 GHz）提供了一个有吸引力的折中方案。然而，要充分发挥X波段的潜力，必须解决关于空间分辨率、频率选择和仪器设备的三个关键挑战。

首先，传统的开放式波导由于标准孔径的衍射限制而具有有限的空间分辨率。在近场范围内，缺乏波束聚焦导致信号显著发散，这会减弱缺陷对比度并模糊小特征的边界。为了缓解这一限制，人们研究了介质加载作为一种增加有效介电常数和减小导波波长的方法，从而在孔径处增强近场聚焦。例如，Ghasr等人[20]在Ka波段和V波段（50–75 GHz）使用介质加载波导检测铝材中的激光蚀刻坑，而Ahmadi等人[21]在V波段利用该技术检测聚乳酸（PLA）纤维中的空洞。此外，Kharkovsky等人[22]在K波段的研究表明，优化介质插入物的几何形状可以显著提高浅表面缺陷的场聚焦和耦合效率。最近，Li等人[23]将这种方法扩展到使用Ka波段介质加载探头检测GFRP复合材料，实现了对亚表面沟槽、FBHs和冲击损伤的精确检测。尽管取得了这些成功，但X波段检测GFRP复合材料的介质加载策略仍需进一步探索。

其次，关于如何客观选择最佳检测频率的信号分析仍是一个关键挑战。微波响应具有强烈的频率依赖性，缺陷的可见性会因穿透深度和灵敏度的变化而显著波动。如图1所示，不同频率下的响应曲线在扫描位置上的对比度不同。在f₁和f₂处，缺陷可能可检测到，但产生的反射信号较弱或不稳定。在f₃处观察到的最大幅度可能与大的背景空间变化重合，从而无法可靠地区分缺陷和噪声。因此，目前依赖于简单幅度最大化的方法往往不可靠，缺乏基于物理原理的最佳频率选择标准。

除了直接分析频域数据外，机器学习方法也被用于微波检测。例如，Jin等人[24]在5.5–5.8 GHz范围内应用主成分分析（PCA）来识别GFRP复合材料中的冲击损伤，显著减少了5 J冲击损伤的误检测。此外，Shrifan等人[25]在18–26.5 GHz范围内应用K均值聚类对时域特征进行处理，能够检测到深度达1 mm的缺陷，并且边缘清晰分离。

第三，微波NDT的实际应用受到依赖笨重且昂贵仪器的严重限制。现有大多数研究使用矢量网络分析仪（VNAs）来获取S参数以表征材料特性和检测缺陷。虽然VNAs具有高精度，但其高昂的成本、较大的物理尺寸和脆弱性使其不适合大规模现场应用。因此，开发一种紧凑、经济且独立的测量系统对于将微波NDT从实验室推向工程实践至关重要。

为了解决这些限制，本研究提出了集成的X波段NDT策略。首先，使用介质加载波导来克服衍射限制，从而在不影响穿透能力的情况下提高空间分辨率。其次，建立基于信噪比（SNR）的标准来解决频率选择的不确定性，并将其性能与PCA和K均值聚类等无监督学习方法进行比较。第三，开发了一种无需VNAs的紧凑型测量系统来实现这些策略，消除了对笨重仪器的依赖。最后，通过线扫描不同深度的沟槽和对内部平底孔（FBH）的二维（2D）成像，验证了所提出的探头和频率选择对成像对比度和缺陷检测能力的共同影响。

节选内容

介质加载波导

使用了一段150毫米长的直X波导（标准WR-90），其横截面尺寸为宽尺寸a = 22.86毫米和窄尺寸b = 10.16毫米。在标准矩形波导中插入了一个厚度为1毫米、介电常数为10.5的介质块。这种高介电常数的插入物旨在改变波导内的传播常数，从而在传感孔径处集中电磁场分布。

配置

实验结果

检测策略的初始阶段涉及准确识别缺陷中心，以建立ROI的空间参考。随后，采用了一种利用多个离散频率的信号特征的方法。选择了五个代表性频率（8.00、9.00、10.00、11.00和12.00 GHz）来提取空间电压分布。为了更清晰地比较不同频率，计算了每个位置与原点之间的电压差ΔU

与未加载波导探头的比较

通过比较在各自最佳频率9.67 GHz和9.86 GHz下的加载探头和未加载探头，在相同的缺陷条件下评估了介质加载效果，如图13所示。加载探头的性能在整个扫描范围内始终更优。具体来说，对于前四个沟槽，电压对比度平均增加了约0.05 V。即使对于最浅的沟槽，加载探头的效果仍然

结论性意见

本研究开发了用于GFRP复合材料的集成X波段微波NDT策略，结合了介质加载波导、基于SNR的频率选择方法和紧凑型独立测量系统。介质加载结构显著增强了近场感应，有效缓解了穿透性和分辨率之间的权衡。实验验证证实，在最佳频率下可以精确检测到3毫米宽的沟槽和内部FBHs。比较分析

CRediT作者贡献声明

张东：撰写——原始草稿、研究、正式分析、数据整理、概念化。孟兆宗：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、研究。李珍：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52575627）的部分支持，以及南京航空航天大学研究生研究与实践创新计划（项目编号：xcxjh20250326）的部分支持。