ДИАГНОСТИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ СПЕКЛ-СТРУКТУР ОПТИЧЕСКОГ ИЗЛУЧЕНИЯ П.В.Павлов, А.Н. Малов

ДИАГНОСТИКА КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ
СПЕКЛ-СТРУКТУР ОПТИЧЕСКОГ ИЗЛУЧЕНИЯ
П.В.Павлов, А.Н. Малов
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная
академия имени проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
Для повышения эффективности оптических методов неразрушающего
контроля при производстве и при эксплуатации композитных материалов предлагается использовать метод спекл-структур оптического излучения (МССОИ).
В настоящее время известны работы отечественных и зарубежных ученых по
использованию МССОИ для оценки параметров оптически-непрозрачных поверхностей [1-3], однако недостаточно еще исследована область точной взаимосвязи между параметрами шероховатостей и внутренней структуры полупрозрачных материалов от параметров зондирующего излучения, что является препятствием для применения МССОИ для контроля внутренней структуры композитных материалов. Для повышения чувствительности МССОИ при контроле
структуры композитных материалов предлагается использовать в качестве зондированного волнового фронта вихревые лазерные пучки [4].
В ходе работы были определены соотношения между параметрами оптической системы и параметрами исследуемой поверхности, при которых
эффективен метод корреляционной обработки картин. В работе представлены результаты моделирования оптической системы, реализующей способ неразрушающего контроля на основе использования МССОИ. Проанализированы пределы применимости алгоритмов автокорреляционной обработки
спекл-картин в зависимости от длины волны излучения и числа топологического заряда вихревого фронта.
Для метрологического использования оптических вихрей было выполнено описание скалярной и векторной дифракции когерентного света на спиральной фазовой пластинке в приближении тонкого оптического элемента
приведено в [5]. Недавно были представлены результаты численного моделирования распространения когерентных скалярных вихревых пучков Лагерра-Гаусса сквозь турбулентную атмосферу [6]. Однако, процесс прохождения
и отражения вихревых волновых фронтов через полупрозрачные шероховатые объекты, рассмотрен не был.
На рис.1 представлена принципиальная схема оптической системы используемая в исследовании.
В качестве инструмента анализа параметров спекл-изображений, был
использован программный комплекс автокорреляционной обработки [7].
В качестве критерия оценивания параметров контролируемого образца
использовался интервал корреляции спекл-изображения. Установлено, что с
увеличением Ra поверхности происходит уменьшение интервала корреляции
спекл-изображения, причем при одних и тех же значениях параметров Ra величина интервала корреляции при использовании вихревого волнового фронта меньше, чем при использовании плоского.
1 - плоскость ДОЭ, 2- исследуемый объект, 3 - плоскость регистрации, 4 - распределение фазы после прохождения ДОЭ, 5- распределение амплитуды пучка
непосредственно за ДОЭ,6 - поверхность образца, 7 - спекл-картина в плоскости
регистрации, 8 - пространственное распределение фазы в плоскости регистрации
Рис. 1 Схема оптической системы с пропусканием вихревого фронта через композит
В ходе моделирования проведено исследование влияния величины числа топологического заряда 𝜌 вихревого фронта для случая отражения излучения от контролируемого образца.
В таблице 1 представлены значения интервалов корреляции спекл-картин
отражённого вихревого волнового фронта с различным числом топологического заряда для различных значений Ra. Установлено, что чувствительность
МССОИ увеличивается приблизительно на 10%, 30% и 70% соответственно
при 1, 2 и 3 зарядах волнового поля [8].
Таблица 1 – Значения Rкор для схем отражения при различных 𝜌
Ra, мкм
Rкор, мкм
плоский фронт
𝜌=1
𝜌=2
0,2
14,88
13,98
11,76
1
12,426
11,43
9,49
2
3,422
3,07
2,62
𝜌=3
8,04
7,24
2,18
В ходе эксперимента было выполнено исследование МССОИ для дефектоскопического контроля элементов лопасти несущего винта вертолета
МИ-28Н. В качестве тестовых образцов использовались заготовки из композитного материала – препрег стеклонить ВППС-7 со связующим ЭДТ-10П.
Каждый образец имел определенную толщину (8 мм и 12 мм) соответственно. В качестве дефектов служили сквозные отверстия в торце образцов диаметром 2, 3, и 4 мм.
В ходе эксперимента каждый из образцов подвергался зондированию
(рис.2), сначала неповрежденная часть, затем излучение пропускали через
участки с дефектами, диаметр которых составлял 2, 3 и 4 мм. Зарегистрированные на матрице фотокамеры спекл-картины распределения интенсивности
прошедшего лазерного излучения также подвергались автокорреляционной обработке.
а)
б)
Рис. 2 Внешний вид а) и схема установки б) используемой в эксперименте 1 – лазер SLM-417; 2 – диафрагма; 3 – линза; 4 – образец из композитного материала;
5 – камера SDU-415C; 6 − вычислительное устройство
По полученным экспериментальным данным (Таблица №2) было установлено, что при увеличении размера дефекта значение величины интервала корреляции увеличивается, а ширины энергетического спектра уменьшается [9].
Таблица 2 – Результаты эксперимента
толщина образца 8 мм
Без дефекта
2 мм
3 мм
4 мм
толщина образца 12 мм
интервал корреляции, мкм
0,44
ширина энергетического спектра, мкм
0,32
интервал корреляции, мкм
0,48
ширина энергетического спектра, мкм
0,34
1,03
68,72
87,66
0,318
0,315
0,31
0,52
0,58
0,71
0,335
0,331
0,330
Результаты исследований могут быть использованы при обосновании
тактико-технических требований для разработки устройств неразрушающего
контроля, принцип действия которых основан на использовании МССОИ.
Библиографический список
1. A. O. Pino, J. Pladellorens, J. F. Colom. Method of measure of roughness of paper based in
the analysis of the texture of speckle pattern // Proc. of SPIE Vol. 73871W-1, 2010.
2. N.I. Mukhurov, N.A. Khilo, A.G. Maschenko. A speckle-photometry method of measurement
of thermal diffusion coefficient of thin multilayer and nanoporous structures // Proc. of SPIE
Vol. 738711-1, 2010.
3. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Камшилин А.А, Ромашко Р.В. Адаптивные методы обработки спекл-модулированных оптических полей. − М.: Физматлит, 2009. 288 с.
4. Котляр В.В., Ковалев А.А. Вихревые лазерные пучки. − Самара: «Новая техника», 2012, 248 с.
5. Петров Н.В., Павлов П.В., Малов А.Н. Численное моделирование распространения и
отражения оптического вихря методами скалярной теории дифракции // Квантовая
электроника, 2013. Т. 43. № 6. – С. 582 – 587.
6. R. Rao. Statistics of phase singularity of a speckle field in atmospheric turbulence. Speckle
2010: Optical Metrology // Proc. of SPIE Vol. 73871H-1.
7. Павлов П.В., Горюнов А.Е. Аппаратно-программный комплекс неразрушающего контроля авиационных деталей // Труды МАИ, 2015. № 80. − С. 21.
8. Павлов П.В., Петров Н.В., Горюнов А.Е., Малов А.Н. Контроль композитных материалов с применением вихревых лазерных пучков // Известия высших учебных заведений.
Физика, 2015, Т. 58, № 11/3. С. 179 – 182.
9. Павлов П.В., Горюнов А.Е., Петров Н.В. Неразрушающий контроль композитных материалов по анализу параметров цифровой спекл-фотографии // Труды Военнокосмической академии им. А.Ф. Можайского, Т. 645, 2014. С. 132 – 135.
Сведения об авторах
Павлов Павел Владимирович – к.т.н., старший преподаватель кафедры
электрооборудования (и оптико-электронных систем) дата рождения:
11.06.1982 г.
Малов Александр Николаевич – д.ф-м.н., профессор, дата рождения:
22.04.1956 г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)