用总聚焦法聚合物改性木材的内部缺陷成像

抽象

聚合物改性可提高木材的稳定性和耐腐蚀性，但它可以在变更处理过程中创建的内部木材的缺陷。的聚合物改性的木材内部缺陷检测可以减少木材损失，防止缺陷的发生。数据模拟和聚合物改性的木材内部缺陷的断层摄影成像进行了使用电磁波用无损检测。本研究构建的聚合物改性的木模型，模拟的电磁散射波，和总的聚焦方法来执行在聚合物改性的木材的缺陷断层摄影中使用。通过分析不同类型的缺陷的成像特性，电磁波在检测聚合物改性的木材的内部缺陷的有效性证明。该方法可以扩展到测试其它高分子聚合物的内部缺陷。

1.简介

作为一种可再生材料，木材已被广泛用于各种领域，如建筑，装饰，和能量。在木材生产。然而，如翘曲，裂纹，和由外部温度和湿度的变化衰变木材的缺陷造成严重的经济损失[1]。为了减少木材的缺陷，改善木材的物理和化学性能，木材的改性始于20世纪初[2,3.]。聚合物改性木材的稳定性和耐腐蚀性与其他改性方法相比有了显著提高，并逐渐成为木材改性的主要方法[4,5]。聚合物改性木材在建筑和户外木材产品中有着广泛的应用。但在加工或使用过程中，木材内部可能会出现缺陷，对聚合物改性木材内部缺陷的检测可以减少损失，防止缺陷的提前发生[6]。

无损检测技术可以通过比较的物理或化学特性的差异[发现木头做的缺陷7]。电磁波探测、激光探测、红外探测、超声波探测、核磁共振、x射线探测等方法在金属缺陷探测、探地雷达、医学成像等领域得到了广泛应用[8- - - - - -10]。聚合物改性木材的检测方法有多种，如红外检测、超声波检测、应力波检测、x射线检测等[11- - - - - -13]。这些方法各有优缺点，但还没有一种方法能够简单有效地检测到聚合物改性木材的内部缺陷。红外检测方法通过检测聚合物改性木材的异常温升现象来检测其内部缺陷，但其受环境因素的影响较大。阳光、气流、空气温湿度、表面漏泄电流等都会影响红外检测方法的检测信号[14]。超声波检测方法需要偶联剂和需求来选择其需要与测试样品的表面上，这限制了其应用范围[紧密接触的声阻抗相匹配的探针15]。应力波检测需要传感器来被钉在聚合物改性的木材，这会导致损坏。X射线检查设备成本太大，也有一个安全问题;例如，如果使用不当，它可能会导致对人体的辐射损害[16]。

本文采用全聚焦法对复合绝缘子内电磁波传播数据进行图像反演，达到无损检测的目的。相控阵超声监测系统主要采用全聚焦法;该方法已广泛应用于石油勘探、工业产品检测等诸多领域[17,18]。该方法的原理是将图像重建区域内的所有元素进行相干合起聚焦。该方法可以定义多种重建网络，实现高精度重建[19,20.]。

2.方法

全聚焦法采用全矩阵捕捉法采集数据，采集步骤是记录阵列各元素之间的信号，如图所示1。由发射元件收集到的信号和接收元件是用 ,在哪里和 ,分别代表发射阵列元件和接收阵列元件的位置。如果表示元素的总数，数据集定义为 。对于任何样本点的重构 在溶液中的域，它可以通过以下进行说明。

在这个公式 ,c是在真空中的电磁波的传播速度，在背景介质的相对介电常数（假设该聚合物改性的木质材料是均匀的和各向同性）21,22),而为时间常数。计算过程相当于每一点的聚焦 。

的时间常数由两个部分组成：一个是从gprMax模拟软件，而另一个依赖于激励电磁波的波长。有在gprMax仿真软件的初始发射时间“零区”，和没有电磁波在这个区域发射。也就是说，电磁波开始晚于零时间发射。在成像结果中，每个采样点的数据来自值在Ricker子波的峰值，这对应于λ/ 2 c。的时间常数corresponding to the electromagnetic wave of 1 GHz is 1.6121 ns.

电磁波的数组元素的某一发射点发射由所有其它接收点接收到的信号，这意味着“一个发送和多个接收”的电磁波信号。重复该过程，对所有数组元素，其意思是“逐点传输，总聚焦”。

丙烯腈是一种优良的木材膨胀剂，可用于塑化木材的浸渍，提高塑化木材的尺寸稳定性。本文以丙烯腈改性木材为例，建立缺陷模拟模型，其影响因素为:形状直径0.18 m，相对介电常数8，介电损耗正切为0.0038，体电阻率为 ,的表面电阻率 ,和307℃的热变形温度。解域的二维空间模型（0.2M，0.2M）溶液用的是gprMax仿真软件开发的，在圆周上与（0.1M，0.1M）的中心与0.09米半径，N=16个阵列单元，等间距，每个阵列单元有一个发射机和一个接收机。发射机按顺序发出频率为的瑞克波f=1GHz，波形函数为 ,所有接收器接收。时间窗口 。

3.实验结果与分析

在这项研究中，与预先设定的缺陷圆形聚合物改性的木模型为研究样品。电磁波被用来模拟聚合物改性木材的无损检测。的位置，大小，形状和缺陷的其他相关信息是由电磁波在介质中传播的获得。具体而言，它涉及对电磁波总聚焦方法的反转成像缺陷介质的种类，位置，形状和数量的影响。

3.1。单循环空气缺陷模拟成像

The internal defects of the polymer-modified wood were set to be a circular air diameter of 0.02 m, and the circle center at (0.1m, 0.1m). As shown in Figure2该模型是使用gprMax软件模拟。反演结果显示在图3.。如该图所示，空气缺陷（弱散射）是不敏感的电磁波的散射，有明显的亮点在16个阵列元件，和所述缺陷位置信息不明显。

3.2。单环金属缺陷模拟成像

In order to explore the problem that the air defect imaging was not obvious, the defect was set to a circular metal with a diameter of 0.02 m, and the circle center at (0.1m, 0.1m). Figure4表明，通过使用gprMax软件模拟模型。反演结果显示在图5。如图所示5时，金属缺陷(强散射体)对电磁波敏感，全聚焦法能清晰、准确地成像金属缺陷。

3.3。弱散射体全聚焦方法的改进

通过比较金属缺陷模型中，空气缺陷模型，并在同一阵列的无缺陷模型的A扫描数据显示在图6。发现金属缺陷的曲线模型和空气缺陷模型没有缺陷模型的类似的范围从0到2.57 ns,数据来自发射机发出的电磁波信号在同一数组元素,并没有直接通过散射体由接收器接收。2.57 ns 4 ns,金属缺陷模型的曲线明显不同于没有缺陷模型,和空气之间的差别缺陷模型和没有缺陷模型很小,数据从散射场数据的介质中的电磁波传播过程。在4 ns 8 ns,三个模型的曲线相似,和数据波动幅度远远小于数据波动范围从0到4 ns,数据从哪里来的散射背景介质的周长。

如图所示7，减去金属缺陷模型数据和没有缺陷的模型数据之后，获得金属缺陷模型的散射场数据。之后的空气缺陷模型数据和，获得没有缺陷的模型数据被减去的空气缺陷模型的散射场数据。Comparing the curves of the two models, it can be found that the scattering field data of the two models were not zero in the range of 2.7 to 4 ns, the scattering field intensity of the metal defect in the range of 0 to 2.57 ns was much larger than the scattering field intensity of the air defect, and the scattering field of the air defect was similar to the scattering field intensity at 2.57 to 4 ns.

Since we only cared about the scattering field data at the defect and needed to eliminate scattering field data from background media as much as possible, we pre-zero the scattered field data in the range of 0 to 2.57 ns and 4 to 8 ns and then made the inversion imaging calculation with the total focusing method. The image of the air defect model after preprocessing is shown in Figure8。

3.4。模拟不同形状和位置的空气缺陷成像

The internal defects of the polymer-modified wood were set to a circular air with a diameter of 2 cm, and the circle center at (0.1m, 0.05m) as shown in Figure图9（a）。数字图9（b）表明矩形气隙的狭缝长度为0.1 m，宽度为0.02 m。顶点坐标依次为A (0.05m, 0.099m)， B (0.05m, 0.101m)， C (0.15m, 0.101m)， D (0.15m, 0.099m)，利用gprMax软件将两个模型分离并进行仿真计算，如图所示图9（b）。反演结果显示在图图10（a）和图10（b）。总聚焦方法的反演计算能够准确地检测缺陷的形状的信息，但与模型进行比较反转成像的位置信息具有一定的误差。缺陷的模拟位置与模型位置进行比较并且可以发现，它绕12.5°顺时针与模型为中心的中心。

3.5。多重循环空气缺陷模拟成像

The internal defects of the polymer-modified wood were set to two circular airs of 0.02 m in diameter, and the centers at A (0.05m, 0.1m) and B (0.15m, 0.1m), respectively, as shown in Figure图11（a），直径为0.02米。以A (0.7m, 0.7m)、B (0.10m, 0.13m)、C (0.13m, 0.07m)为中心的环流如图11 (b)，用的是gprMax软件来分隔两个模型模拟计算得到。反演结果显示在图12(一个)和12 (b)。总聚焦方法的反演计算可以检测多个圆形缺陷信息，但是该位置信息具有的误差约12.5°。

3.6。讨论和分析

采用全聚焦法对发射-接收阵元组合的时域信号反演空间散射体图像进行电磁波散射场数据重构。仿真结果表明，利用全聚焦法可以在空间中各个采样点重建散射场数据，使散射场值突出的位置形成“亮点”，实现成像目的。“亮点”的强度取决于散射体对电磁波的散射强度，金属散射体的成像效果优于空气散射体。为了解决空气散射体成像不理想的问题，对散射场直达波数据进行预处理，然后进行反演成像计算。期望通过增加发射-接收阵元(N> 16)。

4。结论

在本文中，成像聚合物改性的木材的内部缺陷的目标是由电磁波的正演模拟，总聚焦方法的反转成像计算实现。通过测量在聚合物改性的木材，类型，位置，形状，和聚合物改性的木材的成像内部缺陷的数量内的正常组织和缺陷界面产生的散射波被根据所述幅度和速度的差异识别的不同的媒体内部的电磁波传播。该方案已验证本文提出实现聚合物改性木材内部缺陷的反转成像的总聚焦方法的可行性。实验结果表明，gprMax软件可以正确地模拟所述聚合物材料和内部缺陷。数值结果可以用于反转成像。的电磁波金属缺陷的散射强度大。准确的缺陷的图像可以在总聚焦方法的反演计算直接获得，但对于基于空气的缺陷，在界面处的散射场的强度比直达波的强度小得多，从而产生一个亮点更强比在反转图像中的数组元素中的缺陷。在每个点阵直接波数据调零之后，将聚焦图像反演显著改善以实现缺陷的图像的精确检测。 In this paper, using electromagnetic wave technology to carry out forward modeling and inversion imaging calculation of polymer-modified wood internal defects, the purpose of nondestructive testing of polymer-modified wood internal defects was realized. The method was simple in operation and fast in imaging calculation. It can provide a basis for the detection of internal defects in other types of polymer products or materials.

数据可用性

支持本研究结果的数据可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者宣称，他们没有利益冲突。

致谢

本课题由国家重点研究开发计划(批准号:2017YFD0600101)、国家博士后科学基金(批准号:2018M640288)、黑龙江省博士后基金(批准号:LBH-Z18004)。

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