LFM-Golay编码激励各向异性TFM结合Canny运算子和二阶TGV算法，用于检测碳纤维增强塑料（CFRP）复合材料中的深层缺陷

《Ultrasonics》：LFM-Golay coding excitation anisotropy TFM with Canny operator second-order TGV for detecting deep defects in CFRP composites

　　彭申|易仁|陶丁|凯正|惠张 江苏省先进感知与智能装备工程研究中心，苏州市大学，苏州215311，中国 **摘要** 碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料具有高度各向异性的多层异质材料特性。在对其进行相控阵超声全聚焦方法（TFM）缺陷检测时，检测深度受到限制，且噪声严重。为了解决这个问题，首先使用COMSOL有限元仿真研究了CFRP复合材料的各向异性声速特性，并建立了准P波（QP波）的群速度与声波传播方向之间的关系曲线；同时阐明了CFRP复合材料超声传播结构中的噪声来源和规律。在此基础上，为了解决CFRP复合材料中高声衰减的问题，提出了一种基于线性频率调制和Golay码复合调制波形（LFM-Golay TFM）的各向异性编码激励TFM方法，以增强检测深度。为了解决CFRP复合材料中的高噪声问题，还提出了一种基于Canny算子的二阶广义变分（TGV）检测图像去噪技术。实验研究表明，与单脉冲、Barker和LFM TFM相比，LFM-Golay TFM具有最佳的成像分辨率和信噪比（SNR）。该算法将有效检测深度提高了两倍以上。所提出的Canny算子二阶TGV去噪技术能够全面去除检测图像中的噪声。 **引言** 碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料正在逐渐替代传统材料，并广泛应用于航空航天、汽车制造、海洋工程以及新能源存储和运输领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。CFRP复合材料是通过复合技术将碳纤维增强体和树脂基体加工而成的。其中，碳纤维属于结构增强相，是结构的主要承载者；而树脂属于结构基体，负责将碳纤维固化成一个整体，并在应力传递和载荷分散中发挥作用。CFRP复合材料的制造过程主要分为层压工艺[6]和缠绕工艺[7]。层压工艺主要用于制造各种高性能的板状结构部件，如航空航天结构部件、汽车结构部件等；缠绕工艺主要用于制造圆柱形结构部件，如氢储存气瓶的压力层、压力容器、管道等。CFRP复合材料的制造过程决定了其高度各向异性的多层异质材料特性。尽管CFRP复合材料被广泛应用，但在使用过程中也需要注意安全问题。由于CFRP复合材料的制造工艺复杂，生产过程中存在许多外部影响因素。此外，CFRP复合材料对冲击载荷敏感，在运输、组装和实际使用过程中容易在材料内部形成不同类型的缺陷[8]、[9]，主要包括纤维断裂、基体开裂和分层。因此，为了确保CFRP复合材料的安全使用，开发适合其材料特性的无损检测技术并实现有效检测材料结构缺陷至关重要。 相控阵超声全聚焦方法（TFM）成像检测[10]、[11]、[12]因其高检测分辨率和宽动态范围的优势，成为CFRP复合材料缺陷检测的研究热点。然而，CFRP复合材料属于各向异性多层异质材料，超声脉冲在其内部的传播过程较为复杂，存在高声衰减和结构噪声等问题，这些因素会导致TFM成像检测效果不佳。为了解决这些问题，研究人员将编码激励和脉冲压缩技术引入超声成像检测[11]、[12]、[13]、[14]中。通过增加信号脉冲长度可以提高信噪比，而脉冲压缩可以避免成像分辨率的下降。研究人员提出了多种编码方法和脉冲压缩技术。目前，编码激励信号主要分为相位编码信号和频率调制信号两种类型，这两种信号各具特点，并已在超声检测领域得到广泛应用。相位编码信号的特点是相位跳变，常见的编码方式包括Barker码、M序列、Hadamard码和Golay码。在相位编码信号的应用研究中，周等人使用Barker码和P4码作为空气耦合超声检测的激励信号，有效提高了检测结果的信噪比[15]、[16]；Eduardo等人将Hadamard编码激励引入TFM检测中，以减轻高频声波的衰减问题[17]；Golay码的互补性使得解码后能够完全消除旁瓣，从而在轴向分辨率方面具有显著优势[18]、[19]、[20]。Trots等人[21]、[22]、[23]对Golay码进行了详细的应用研究，并提出了多种改进方案，在超声成像应用中取得了良好效果。频率调制信号是基于载波频率的线性或非线性变化生成的，其中线性频率调制（LFM）信号目前应用最为广泛，其主要优势在于宽带特性，能够有效提高超声检测中的能量利用效率和检测深度[24]。Tham等人[24]将LFM信号应用于CFRP复合材料的空气耦合超声检测，利用其宽带特性提高了检测信噪比。当前研究中，传统的编码信号仍被用作超声检测的激励信号，尽管检测质量有所提升，但仍存在旁瓣水平高和检测结果信噪比提升有限等问题。因此，如何设计更先进的激励波形已成为研究人员关注的重点。 CFRP复合材料的结构复杂，内部纤维层以多种方式堆叠，且属于高声速的各向异性材料。因此，在相控阵超声成像检测过程中会产生严重的结构噪声[25]、[26]，这会影响检测图像中深层缺陷的分辨率。