基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，解决在太赫兹波段检测时微观缺陷无法被精确的识别，以及在针对微观缺陷检测时没有准确的微观缺陷模型的时序特征波形对照标准的问题。包括以下步骤：获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。

Terahertz nondestructive testing simulation method of material micro defects based on FDTD

【技术实现步骤摘要】
基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法
本专利技术属于太赫兹无损检测领域，具体涉及一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法。
技术介绍
太赫兹无损检测由于受光学仪器精度及采样频率的影响，对微米量级的微观缺陷的检测效果并不理想。在时序上，太赫兹无损检测对于微观缺陷的检测原理是利用材料与缺陷的光学参数与介电性质不同，太赫兹波具有良好的穿透效果，遇到不同光学参数的介质变化会产生反射回波。使用太赫兹时域光谱技术是目前为止在实际检测中检测精度最高的检测手段，但是仍由于微观缺陷的厚度过于薄或者缺陷直径过小，会产生无法区分微观缺陷的反射回波和金属板的反射回波或两回波重叠在同一时序位置中，时域波形的变化难以区分；并且在实际对于微米量级的微观缺陷的检测中，理论上应该产生的多次回波，但是由于空气噪声的影响，在实际检测的时域谱上由于多次回波与空气噪声量级相当，产生无法观测的效应。微观缺陷的产生往往会引起原本介质产生设计以外的情况。在太赫兹波段，时序上对于材料微观缺陷的检测无法给出一个定量的检测标准。目前的微观缺陷精度制作苛刻、并且实验对照组过于复杂，直接做实验进行定性定量分析显然是不符合实际的。由于基于时域有限差分方法是时间域上对于电磁场正向求解，因为使用时域有限差分方法，将实际检测的太赫兹光源进行信号处理，将实际信号通过编译导入仿真软件，获取与实际检测信号最接近的光源信息，并建立色散介质与非色散介质的光学参数模型对材料进行优化、建立色散介质的微观缺陷仿真模型及非色散介质的微观缺陷仿真模型。通过电磁仿真，获取不同介质模型、不同厚度的微观缺陷时序特征波形。因此，可以完成对太赫兹波段微观缺陷仿真模型更加精确的反演微观缺陷是否存在以及更加精确的完成标定微观缺陷的微观厚度。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决在太赫兹波段检测时微观缺陷无法被精确的识别，以及在针对微观缺陷检测时没有准确的微观缺陷模型的时序特征波形对照标准的问题。提出了一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，包括以下步骤：步骤1、获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；步骤2、对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；步骤3、建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；步骤4、太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。进一步地，所述步骤1获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理具体包括以下步骤：1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)；1-3.对太赫兹反卷积后时域信号E(t)进行一维傅里叶变换，得到太赫兹反射式参考信号的频域信息E(w)，并获取参考信号振幅信息|E(w)|及相位信息φ(w)。进一步地，所述步骤2对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合具体包括以下步骤：通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段色散介质的光学参数；2-2.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段非色散介质的光学参数；2-3.去除不同介质光学参数的奇异点；2-4.将不同介质进行透射式检测，得到随频率变化的光学参数并使用德拜优化模型进行优化。进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：3-1.通过FDTD仿真软件建立反射式仿真微观缺陷模型；3-2.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段不同厚度的反射式微观缺陷模型；3-3.通过FDTD仿真软件建立色散介质及非色散介质的太赫兹波段微观缺陷分布不同位置的反射式模型；3-4.基于FDTD仿真软件对微观缺陷进行电磁场仿真；3-5.利用不同对照组实验的反射回波的幅值及相位变换、反射回波飞行时间差、多次反射回波波形构建与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形。进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：4-1.通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况；4-2.完成标定微观缺陷的微观厚度。更进一步地，所述步骤4-1通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况，在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波不可明确区分或重叠时，通过与无微观缺陷的参考波形进行对比，依据波形的相位变换、振幅变换、时间延迟变换、飞行时间差的变换判断是否含有微观缺陷。更进一步地，所述步骤4-2完成标定微观缺陷的微观厚度，在微观缺陷的反射回波与基底金属板反射回波明确可分时，通过光在介质中的传播计算微观缺陷的厚度d：其中，c为真空中的光速，n为微观缺陷的缺陷介质折射率，Δt为两个波形的飞行时间差。本专利技术有益效果如下：针对现有基于时域有限差分仿真方法在太赫兹波段的微观缺陷的时序缺陷判定及检测方法在实验中，太赫兹波段对于色散及非色散介质中含有微观缺陷(微米量级)，不能检出是否含有缺陷以及不能判断厚度尺度的问题，本专利技术提出建立不同种类介质微观缺陷仿真模型，获取理论波形从而分析指导实际试验的可检测的尺度。该方法提取构建了实际太赫检测信号的光源输入及太赫兹波段的光学参数提取及优化，得到了多组与微观缺陷厚度及位置匹配的多参数特征波形。通过多参数特征波形反演微观缺陷，判断仿真厚度设置与特征波形在微观缺陷反射回波的变化情况以及完成标定微观缺陷的微观厚度。该方法是基于计算机建模仿真和数学仿真等软件算法，易于操作而且具有准确的计算结果以及较高的检测效率，可以达到在宽光谱太赫兹波段微米量级的纵向分辨率。附图说明图1是基本专利技术流程图；图2是编译实际检测的太赫兹光源的时域信号波形图；图3是编译实际检测的太赫兹光源的频域信号波形图图4是在FDTD中介质的光学参数优化拟合图；图5是在FDTD中介质的光学参数优化拟合图；图6是基于时域有限差分方法的太赫兹波段微观缺陷尺度成像模型；图7是在微观缺陷的反射回波与基底金属板不可明确区分或重叠时的时序特征波形；图8是在微观缺陷的反射回波与基底金属板明确可分时的时序特征波形。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术进一步说明。如图1所示，一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，具体包括如下步骤：步骤1、编译实际检测的太赫兹光源。对太赫兹光源进行信号处理，将实际信号通过编译导入FDTD仿真软件；1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)，反卷积公式为：E(t)＝F-1{F[E0(t)]·W(ω)}(1)<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；/n步骤2、对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；/n步骤3、建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；/n步骤4、太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理；
步骤2、对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合；
步骤3、建立多参数微观缺陷仿真模型样本库，对微观缺陷进行电磁场仿真，构建多参数特征波形；
步骤4、太赫兹波段检测微观缺陷仿真模型进行反演，判定微观缺陷的存在情况，进而完成标定微观缺陷的微观厚度。


2.如权利要求1所述的一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，所述步骤1获取实际检测的太赫兹光源并对太赫兹光源进行信号处理具体包括以下步骤：
1-1.获取太赫兹反射式时域参考信号E0(t)；
1-2.对实际检测太赫兹反射式参考信号E0(t)进行反卷积信号处理得到时域信号E(t)；
1-3.对太赫兹反卷积后时域信号E(t)进行一维傅里叶变换，得到太赫兹反射式参考信号的频域信息E(w)，并获取参考信号振幅信息|E(w)|及相位信息φ(w)。


3.如权利要求1所述的一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，所述步骤2对于色散介质及非色散介质光学参数的优化拟合具体包括以下步骤：
通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段色散介质的光学参数；
2-2.通过透射式太赫兹时域光谱技术获得太赫兹波段非色散介质的光学参数；
2-3.去除不同介质光学参数的奇异点；
2-4.将不同介质进行透射式检测，得到随频率变化的光学参数并使用德拜优化模型进行优化。


4.如权利要求1所述的一种基于FDTD的材料微观缺陷太赫兹无损检测仿真方法，其特征在于，所述步骤3具体包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丹丹，周桐宇，任姣姣，顾健，李丽娟，张霁旸，熊伟华，牟达，钟一帆，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22