飛機(jī)無損檢測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及基于線性調(diào)頻技術(shù)、超外差探測原理和全息成像原理的毫米波Ξ維成 像系統(tǒng)，具體地，設(shè)及飛機(jī)無損檢測系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無損檢測是對(duì)飛機(jī)零部件及整體進(jìn)行檢測，其最重要的工作是發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的缺陷 并評(píng)估其危險(xiǎn)性，確定缺陷的位置、形狀和走向，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。利用 毫米波Ξ維全息成像的飛機(jī)無損檢測系統(tǒng)能夠評(píng)價(jià)在役飛機(jī)的安全性和可靠性，對(duì)飛機(jī)關(guān) 鍵結(jié)構(gòu)或飛機(jī)本身實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)報(bào)，因此對(duì)保障飛機(jī)安全、延長飛機(jī)使用壽命具 有重要意義。
[0003] 超聲方法是探測復(fù)合材料縫隙的最常見的無損檢測方法，在運(yùn)種方法中，水用作 發(fā)送裝置和樣品之間的偶聯(lián)劑，因此樣品浸在水中，或者水在信號(hào)發(fā)射器和樣品之間噴射。
[0004] 另一無損檢測方法是聲一超聲方法，除了一些傳感器單獨(dú)地用于發(fā)送信號(hào)而另外 一些傳感器用于接收信號(hào)之外，聲一超聲方法類似于超聲方法。然而，兩種傳感器都位于樣 品的同側(cè)來探測反射的信號(hào)，運(yùn)種方法比標(biāo)準(zhǔn)超聲方法更能定量和便攜。
[0005] 另一無損檢測方法是聲發(fā)射方法，其包含探測由受到應(yīng)力的樣品發(fā)射的聲音。應(yīng) 力能是機(jī)械的，但并非必須是機(jī)械的。事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中，最常應(yīng)用的是熱應(yīng)力。除了對(duì) 于證據(jù)充分和簡單的形狀(諸如圓筒形壓力容器)W外，還不可能實(shí)現(xiàn)定量解釋。
[0006] 熱像方法(有時(shí)稱為"紅外熱像方法"）是又一種無損檢測方法，其探測被檢測表面 上的相對(duì)溫度的差異，被檢測表面上的相對(duì)溫度的差異是由內(nèi)部縫隙的存在而產(chǎn)生的。因 此，熱像能夠識(shí)別那些縫隙的位置。然而，如果內(nèi)部縫隙微小或遠(yuǎn)離表面，則它們可能不會(huì) 被探測到。在熱像方法中，具有大體兩個(gè)操作模式，即主動(dòng)和被動(dòng)操作模式。在主動(dòng)操作模 式中，樣品受到應(yīng)力(經(jīng)常是機(jī)械的且通常是振動(dòng)的），并且所發(fā)射的熱量被探測到。在被動(dòng) 操作模式中，樣品被外部加熱，并且產(chǎn)生的熱梯度被探測到。
[0007] 又一種無損檢測方法是光學(xué)全息攝影術(shù)，其使用激光攝影術(shù)來給出稱為"全息攝 影"的Ξ維圖樣。運(yùn)種方法通過應(yīng)用雙重圖像方法探測樣品的縫隙，根據(jù)所述雙重圖像方 法，應(yīng)力在拍攝圖樣的次數(shù)之間被引入樣品，同時(shí)拍攝兩張圖樣。運(yùn)種方法的適用性已經(jīng)受 限，原因在于需要將攝影機(jī)和樣品與振動(dòng)隔離。
[000引上述無損檢測方法很大程度上受限于實(shí)驗(yàn)室分析，當(dāng)前商用工業(yè)檢測和維修方法 效率低，成本高并且不標(biāo)準(zhǔn)。再者，運(yùn)些檢測和維修方法在過去的20或30年中改變很少或沒 有改變，并且也沒有解決"老化飛機(jī)"的安全問題。W現(xiàn)狀而言，飛機(jī)部件的檢測限于敲擊試 驗(yàn)、視覺檢測、W及滿流分析。此外，檢測時(shí)間表主要根據(jù)鐵事證據(jù)發(fā)展和更新，所有運(yùn)些都 過于頻繁地W航空災(zāi)難為基礎(chǔ)。
[0009] 毫米波的頻率為30GHz到300G化（波長從1mm到10mm)，在實(shí)際工程應(yīng)用中，常把毫 米波的低端頻率降到26GHz。在電磁波譜中，毫米波頻率的位置介于微波與紅外之間。與微 波相比，毫米波的典型特點(diǎn)是波長短、頻帶寬(具有很廣闊的利用空間）W及在大氣中的傳 播特性。與紅外相比，毫米波具有全天候工作的能力并且可用于煙塵，云霧等惡劣環(huán)境下。 在微波頻段越來越擁擠的情況下，毫米波兼顧微波的優(yōu)點(diǎn)，并且還具備低頻段微波所不具 備的一些優(yōu)點(diǎn)。
[0010] 具體來說，毫米波主要有W下幾個(gè)特點(diǎn)：1、精度高，毫米波雷達(dá)更容易獲得窄的波 束和大的絕對(duì)帶寬，使得毫米波雷達(dá)系統(tǒng)抗電子干擾能力更強(qiáng);2、在多普勒雷達(dá)中，毫米波 的多普勒頻率分辨率高;3、在毫米波成像系統(tǒng)中，毫米波對(duì)目標(biāo)的形狀結(jié)構(gòu)敏感，區(qū)別金屬 目標(biāo)和背景環(huán)境的能力強(qiáng)，獲得的圖像分辨率高，因此可提高對(duì)目標(biāo)識(shí)別與探測能力4、毫 米波能夠穿透等離子體;5、與紅外激光相比，毫米波受惡劣自然環(huán)境的影響小;6、毫米波系 統(tǒng)體積小、重量輕，因此與微波電路相比，毫米波電路尺寸要小很多，從而毫米波系統(tǒng)更易 集成。正是運(yùn)些獨(dú)特的性質(zhì)賦予了毫米波技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景，尤其是在無損檢測和安檢 領(lǐng)域。
[0011] 在毫米波成像發(fā)展初期，毫米波成像系統(tǒng)都使用單通道的機(jī)械掃描體制，運(yùn)種成 像體制結(jié)構(gòu)簡單但掃描時(shí)間比較長。為了縮短掃描時(shí)間，Millivision公司研制了 Vetal25 成像儀，該成像儀除發(fā)射掃描系統(tǒng)外，還具有8X8的陣列接收機(jī)制，但運(yùn)種成像儀更適合于 室外大范圍的遠(yuǎn)程監(jiān)測，而且視場不到50厘米。Trex公司還研制了一套PMC-2成像系統(tǒng)，此 成像系統(tǒng)中的天線單元采用了 3mm相控陣天線的技術(shù)。PMC-2成像系統(tǒng)采用了中屯、頻率為 84G化的毫米波，運(yùn)種成像系統(tǒng)的工作頻率由于接近太赫茲頻段，因而成本較高。Loc化eed Madin公司也研制了一套焦平面成像陣列成像系統(tǒng)，其采用的毫米波的中屯、頻率為94GHz。 TRW公司研制了一套被動(dòng)的毫米波成像系統(tǒng)，此套系統(tǒng)采用的毫米波的中屯、頻率為89G化。 Loc化eed Madin和TRW運(yùn)兩家公司的成像系統(tǒng)的視場都較小，通常也不到50厘米。
[0012] 現(xiàn)階段在毫米波成像領(lǐng)域，毫米波成像研究成果主要集中在西北太平洋實(shí)驗(yàn)室 (Pacific No;rthwest 化tional LaboratoiT)。此實(shí)驗(yàn)室中的McMakin等人，開發(fā)了一套Ξ 維全息成像掃描系統(tǒng)，此套成像系統(tǒng)的掃描機(jī)制是基于圓柱掃描，并且運(yùn)套系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn) 了毫米波成像系統(tǒng)的商業(yè)化。該成像系統(tǒng)采用的是主動(dòng)成像機(jī)制，通過全息算法反演得到 目標(biāo)的Ξ維毫米波圖像。此項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)授權(quán)k3Communications和Save View有限公司，他 們生產(chǎn)出的產(chǎn)品分別用于車站碼頭等場所的安檢系統(tǒng)中和試選服裝之中。但是由于運(yùn)種系 統(tǒng)采用了384個(gè)收發(fā)單元，因而成本始終沒法降下來。目前西北太平洋實(shí)驗(yàn)室正致力于更高 頻率的毫米波成像系統(tǒng)的開發(fā)研制。
[0013] 除上面介紹的實(shí)驗(yàn)室和公司外，在英國、美國等國家，也有很多的科研院所和企業(yè) 參與了毫米波成像技術(shù)的研究，如美國的陸軍海軍空軍研究實(shí)驗(yàn)室和海軍沿?；氐裙?W及Delaware, Arizona等大學(xué)、英國的Reading大學(xué)、Durham大學(xué)和F'arran公司等。
[0014] 除英美國之外，德國的微波與雷達(dá)研究所(Microwave and Radar Institute)和 德國的航空中屯、(German Aerospace Center)也有參與毫米波成像技術(shù)的研究。澳大利亞 的ICT中屯、，日本的肥C公司等都有相關(guān)毫米波成像研究成果的報(bào)道。但是，運(yùn)些單位的毫米 波研究要么處于實(shí)驗(yàn)室階段，要么研制出的產(chǎn)品價(jià)格非常高昂，或者檢測的視場較小。
[0015] 因此，需要一種價(jià)格低、視場大的毫米波Ξ維成像檢測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的無損 檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、成像時(shí)間短的飛機(jī)無損檢測系 統(tǒng)。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種飛機(jī)無損檢測系統(tǒng)，包括:發(fā)射天線，用于向 被測飛機(jī)發(fā)送毫米波發(fā)射信號(hào);接收天線，用于接收從被測飛機(jī)返回的回波信號(hào);毫米波收 發(fā)模塊，用于生成發(fā)送給被測飛機(jī)的毫米波發(fā)射信號(hào)并接收和處理來自接收天線的回波信 號(hào)；掃描裝置，用于固定并移動(dòng)毫米波收發(fā)模塊、發(fā)射天線和接收天線;數(shù)據(jù)采集和處理模 塊，用于采集和處理從毫米波收發(fā)模塊輸出的回波信號(hào)W生成被測飛機(jī)的Ξ維圖像；W及 圖像顯示單元，用于顯示由數(shù)據(jù)采集和處理模塊生成的Ξ維圖像。
[0018] 進(jìn)一步地，掃描裝置包括:兩塊平面檢測面板，用于支撐毫米波收發(fā)模塊、發(fā)射天 線和接收天線，被測飛機(jī)置于兩塊平面檢測面板之間;兩對(duì)導(dǎo)軌，分別設(shè)置在每塊平面檢測 面板的兩側(cè)，毫米波收發(fā)模塊、發(fā)射天線和接收天線沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)；W及電機(jī)，用于控制 毫米波收發(fā)模塊、發(fā)射天線和接收天線沿導(dǎo)軌的上下移動(dòng)。
[0019] 進(jìn)一步地，在每塊平面檢測面板上設(shè)置N個(gè)毫米波收發(fā)模塊、N個(gè)發(fā)射天線和N個(gè)接 收天線，每一個(gè)毫米波收發(fā)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)射天線和一個(gè)接收天線，N個(gè)毫米波收發(fā)模塊并 排設(shè)置W形