技术领域
[0001] 本发明属于飞机蒙皮损伤检测领域，具体而言涉及一种飞机蒙皮损伤无损检测装置。
相关背景技术
[0002] 飞机蒙皮损伤包括划痕、凹陷、裂痕等，对于飞机结构牢固性具有严重的影响。飞机蒙皮损伤检测是非常重要的一项工作，对于保障飞机状态健康、保障飞行安全具有重要意义。随着碳纤维材料、复合材料、高科技涂层材料在飞机蒙皮中大量使用，在执行飞行任务后，飞机蒙皮出现的损伤往往具有隐蔽性，难以通过肉眼或影像设备进行检测。如何快速、高效、无损伤的检测出飞机复合蒙皮隐藏损伤是航空工业需要解决的一项重要问题。
[0003] 飞机蒙皮损伤检测常用的检查方法有目视检查和特殊无损检查等。目视检查分为一般目视检查和详细目视检查。目视检查效果与检查人员的经验密切相关，并且难以检查出隐藏的暗伤。特殊无损检查方法有：涡流检测法、超声波检测法、射线检测法等，但这些方法都存在着设备复杂、检测范围有限、费用高的问题。
具体实施方式
[0094] 下面，结合附图以及具体实施方式，对发明做出优选的描述。
[0095] 在一个实施例中，本发明提供一种飞机蒙皮损伤无损检测装置。
[0096] 飞机蒙皮损伤无损检测装置主要由发射分系统、接收分系统、信号处理分系统、控制分系统、伺服分系统、载车分系统等组成，组成框图如图1所示。
[0097] 发射分系统由信号生成模块、上变频模块、功放模块、发射天线等几个模块组成，用于产生和发射信号。信号生成模块用于产生系统工作需要的中频信号。上变频模块将信号生成模块产生的中频信号经过上变频、滤波、放大等处理，形成射频信号。功放模块对上变频模块输出的射频信号进行放大处理，然后通过天线发出。
[0098] 接收分系统由接收天线、接收前端、下变频模块、信号采集存储模块、频率源模块等组成，用于接收回波信号，通过放大、下变频、采集存储等处理，获取数字化的回波信号，用于后续成像检测处理。接收前端通过接收天线传输来的信号，进行限幅、滤波、低噪声放大等处理。下变频模块对接收前端输出的信号进行下变频、滤波、放大等处理，形成中频信号。信号采集存储模块对中频信号进行采集处理，形成基带数字信号，用于存储和后续信号处理分系统进行处理。频率源模块为上变频、下变频模块提供本振信号，以及给信号生成模块、信号采集处理存储模块提供外参考信号。
[0099] 信号处理分系统由高性能服务器、成像信号处理软件、蒙皮损伤检测软件等组成，用于对接收到的数字化回波信号进行成像处理，获取飞机蒙皮回波成像图片；再通过蒙皮损伤检测软件对回波成像图片进行分析判读，获取飞机蒙皮损伤部位。
[0100] 控制分系统由控制主板模块、通信模块等组成，通信模块连接各个被控制模块，用于传输下发控制指令，同时接收各个被控制模块的工作状态；控制主板模块用于产生各个控制指令，同时接收各个被控制模块的工作状态参数，实时调整控制指令。
[0101] 伺服分系统包含升降机构、二维转台、惯导测量模块等，用于支撑整个系统的发射、接收分系统，记录发射、接收分系统的方位指向、俯仰角度、速度、加速度等信息，为后续成像处理提供校准信息源。
[0102] 载车分系统包含载车底盘、操控台、电源等，用于整个系统的装载、运输、控制操作等。
[0103] 系统工作原理
[0104] (1)信号产生与发射
[0105] 系统发射信号主要参数指标如下：
[0106] 工作频率范围：12GHz‑16GHz；
[0107] 步进频信号总带宽：4GHz；
[0108] 信号形式：步进频信号；
[0109] 频率步进:1MHz；
[0110] 脉冲宽度：0.5us；
[0111] 重频周期：3us。
[0112] 宽带信号(Wideband Signal)是指占用频谱范围较宽的信号。在雷达系统中，宽带信号通常具有较大的频率带宽，覆盖了较宽的频谱范围。相比于窄带信号，宽带信号包含更多的频率成分。
[0113] 在雷达成像中，距离分辨率(即能够区分相邻目标的能力)与信号的带宽成正比。更宽的带宽可以使雷达发射的脉冲更短，从而提高距离分辨率。例如，1GHz带宽的信号可以达到约15厘米的距离分辨率，宽带信号也有助于提高方位向分辨率。
[0114] 但直接生成宽带射频信号需要高性能的宽带信号发生器，这种设备不仅复杂而且昂贵。直接生成和处理宽带射频信号会在放大和滤波过程中引入更多噪声和失真，影响检测精度，频率稳定性和精度不能满足检测需求。为了解决此技术问题，本实施例使用变频的方法生成稳定的宽带射频信号进行蒙皮损伤检测。
[0115] 在本系统中，发射分系统由信号生成模块、上变频模块、功放模块、发射天线等几个模块组成。信号生成模块、上变频模块协同工作，在12GHz‑16GHz频率范围内，产生频率步进1MHz、总带宽4GHz的步进频信号。
[0116] 信号生成模块采用宽带中频信号生成板，能够产生1.8GHz中频、1GHz带宽的电磁信号。在信号产生时，信号生成模块在1GHz带宽内按照1MHz步进产生点频信号。上变频模块将产生的点频信号按照对应频率关系上变频至12GHz‑16GHz频率范围内，形成射频信号，最后由功放主机放大发射出去。12GHz‑16GHz频率范围内步进频信号产生原理框图如图2所示。
[0117] 上变频模块采用两级变频处理，将信号生成模块产生的步进频信号依次变频到12GHz‑16GHz的频率范围内。
[0118] 变频过程为：
[0119] 1)先通过23.7GHz固定本振混频滤波，将中频信号1.8GHz±0.5GHz上变至21.9GHz±0.5GHz的高中频信号；
[0120] 固定本振信号是一个频率恒定且稳定的信号源，称为本地振荡器(Local Oscillator,LO)。它提供一个基准频率，用于混频器中进行频率转换。混频器是一个非线性器件，它将输入的两个信号(一个是待处理的输入信号，另一个是固定本振信号)进行混频处理，产生两个新的频率分量。
[0121] 在本步骤中将输入的中频信号(IF信号)和本振信号(LO信号)进行频率混合。混频器的输出信号包含两个主要的频率成分：
[0122] 和频分量：
[0123] LO+IF＝23.7GHz+(1.8GHz±0.5GHz)＝25.5GHz±0.5GHz
[0124] 差频分量：
[0125] LO‑IF＝23.7GHz‑(1.8GHz±0.5GHz)＝21.9GHz±0.5GHz
[0126] 混频器输出信号经过带通滤波器(Band‑Pass Filter,BPF)，用于选择并保留所需的差频分量(21.9GHz±0.5GHz)并滤除不需要的和频分量(25.5GHz±0.5GHz)，从而得到21.9GHz±0.5GHz的高中频信号。
[0127] 2)再通过33.9GHz‑37.9GHz的变本振混频滤波，将在21.9GHz±0.5GHz的高中频信号下变至12GHz‑16GHz的射频信号。
[0128] 具体过程包括：
[0129] 输入信号频率：21.9GHz±0.5GHz
[0130] 本地振荡器(LO)信号频率范围：33.9GHz至37.9GHz(可变)
[0131] 混频器将输入的高中频信号与变本振信号进行频率混合，产生两个新的频率分量：
[0132] 和频分量：LO+IF
[0133] 差频分量：LO‑IF
[0134] 设定本振信号频率范围为33.9GHz至37.9GHz。
[0135] 以输入高中频信号中心频率为21.9GHz：
[0136] 和频分量范围：
[0137] (33.9GHz+21.9GHz)至(37.9GHz+21.9GHz)即55.8GHz至58.8GHz。
[0138] 差频分量范围：
[0139] (33.9GHz‑21.9GHz)至(37.9GHz‑21.9GHz)即12.0GHz至16.0GHz。
[0140] 根据需求，选择差频分量范围，即射频信号范围为12GHz至16GHz。
[0141] 通过合理的滤波及链路增益分配，可满足不同使用场景的要求，整个两级变频处理原理框图如所图3所示。
[0142] 在上变频处理中，信号生成模块按照1MHz的步进频模式在1.3GHz‑2.3GHz范围内产生点频信号。由于产生信号的总带宽为4GHz，信号生成模块需要在1.3GHz‑2.3GHz频率范围内依次产生4次信号，进行频率上的拼接。在这4次产生信号中，上变频模块根据信号发射频率需求，依次变化二本振为34.4GHz、35.4GHz、36.4GHz、37.4GHz，形成12.5GHz±0.5GHz、13.5GHz±0.5GHz、14.5GHz±0.5GHz、15.5GHz±0.5GHz，从而形成覆盖12GHz‑16GHz的射频信号。
[0143] (2)信号接收处理
[0144] 接收分系统由接收天线、接收前端、下变频模块、信号采集存储模块、频率源模块等组成。
[0145] 接收前端包含限幅器、滤波器、低噪放等模块，用于对高功率信号限幅、滤除带外信号、对弱回波信号进行低噪放大。
[0146] 下变频模块采用两级变频处理，接收到的12GHz‑16GHz频率范围内的回波信号变频为1.8GHz±0.5GHz的中频信号。在变频处理过程中，可变本振使用与上变频相同的本振信号。变频过程为：
[0147] 1)先通过33.9GHz‑37.9GHz的变本振混频滤波，将12GHz‑16GHz频率范围内的回波信号变频为21.9GHz±0.5GHz的高中频信号。
[0148] 具体过程如下：
[0149] 输入回波信号：频率范围：12GHz至16GHz
[0150] 变本振信号(Variable LO)：频率范围：33.9GHz至37.9GHz
[0151] 混频器将输入的回波信号与变本振信号进行频率混合，产生两个新的频率分量：
[0152] 和频分量：
[0153] LO+RF
[0154] 差频分量：
[0155] LO‑RF
[0156] 设定目标输出信号范围，目标输出信号为21.9GHz±0.5GHz，范围为21.4GHz至22.4GHz。
[0157] 为了将12GHz‑16GHz的回波信号变频到21.9GHz±0.5GHz的高中频信号，选择合适的本振频率范围。和频分量(LO+RF)的范围：
[0158] 最小值：33.9GHz+12GHz＝45.9GHz
[0159] 最大值：37.9GHz+16GHz＝52.9GHz
[0160] 和频分量不在所需范围内，因此不考虑。
[0161] 差频分量(LO‑RF)的范围：
[0162] 当LO＝33.9GHz和RF＝12GHz:
[0163] LO‑RF＝33.9GHz‑16GHz＝21.9GHz
[0164] 当LO＝37.9GHz和RF＝16GHz:
[0165] LO‑RF＝37.9GHz‑16GHz＝21.9GHz
[0166] 为了将12GHz至16GHz的信号范围变频到21.9GHz±0.5GHz，需要调整LO频率使差频分量落在21.4GHz至22.4GHz。
[0167] 设回波信号频率为21.9GHz±0.5GHz
[0168] 本振频率LO的范围应满足：
[0169] 21.4GHz≤LO‑RF≤22.4GHz
[0170] 2)再通过23.7GHz固定本振混频滤波，将中频信号21.9GHz±0.5GHz的高中频信号变频为1.8GHz±0.5GHz的中频信号。
[0171] 具体过程如下：
[0172] 输入高中频信号频率范围：21.9GHz±0.5GHz，即21.4GHz至22.4GHz。
[0173] 固定本振信号(LO信号)：频率：23.7GHz
[0174] 混频器将输入的高中频信号与固定本振信号进行频率混合，产生两个新的频率分量：
[0175] 和频分量：
[0176] LO+RF
[0177] 差频分量：
[0178] LO‑RF
[0179] 计算频率范围
[0180] 和频分量(Sum Frequency)
[0181] LO+IF
[0182] 最小值：
[0183] 23.7GHz+21.4GHz＝45.1GHz
[0184] 最大值：
[0185] 23.7GHz+22.4GHz＝46.1GHz
[0186] 差频分量(Difference Frequency)
[0187] LO‑IF
[0188] 最小值：
[0189] 23.7GHz‑22.4GHz＝1.3GHz
[0190] 最大值：
[0191] 23.7GHz‑21.4GHz＝2.3GHz
[0192] 所需的输出中频信号范围是1.8GHz±0.5GHz，即1.3GHz至2.3GHz，这正好匹配差频分量的范围，因此选择差频分量。
[0193] 在变频处理后，12GHz‑16GHz频率范围内的回波信号变频为1.8GHz±0.5GHz的中频信号，便于信号采集存储模块进行采样存储。在变频过程中，12GHz‑16GHz内的12GHz‑13GHz、13GHz‑14GHz、14GHz‑15GHz、15GHz‑16GHz四个频率段的信号变频为1.8GHz±0.5GHz的相同中频信号。在变频过程中，记录每个中频信号与原始回波信号频率段的对应关系。在成像信号处理时，按照不同频段与中频信号的对应关系，通过宽带信号拼接技术，形成4GHz大带宽信号，用于后续成像处理，如图4所示。
[0194] 信号采集存储模块对中频信号进行采样处理，数字信号处理形成基带复信号，分为两路输出：一路输出到信号处理分系统进行实时成像处理，一路在存储模块进行数据存储，用于后续分析处理。
[0195] 频率源模块为上变频、下变频模块提供本振信号，以及给信号生成模块、信号采集处理存储模块提供外参考信号，输出2路23.7GHz固定本振信号、2路33.9GHz‑37.9GHz变本振信号、2路100MHz参考信号，如图5所示。
[0196] (3)系统控制
[0197] 控制分系统由控制主板模块、通信模块等组成。
[0198] 为满足测量控制的实时性要求，并有效协调各个分系统或模块间的工作，本系统专门设置了一个控制分系统，用于进行整个测量过程中的信号产生、信号接收、天线指向、伺服升降等控制。控制分系统接收显控计算机下发的控制指令，再控制各个分系统协调工作。主控模块与其它分系统或模块间的控制关系如图6中所示。
[0199] (4)伺服控制
[0200] 伺服分系统由升降机构、二维转台、惯导测量模块等组成。
[0201] 伺服分系统在控制分系统的控制下工作，在伺服分系统的二维转台上放置了发射分系统、接收分系统、控制分系统。惯导测量与发射分系统、接收分系统固定在二维转台同一位置，记录在测量过程中发射分系统、接收分系统的状态位置、运动姿态等信息。
[0202] (5)载车分系统
[0203] 载车分系统包含载车底盘、操控台、电源等，用于整个系统的装载、运输、控制操作等。
[0204] 载车底盘采用小型皮卡车底盘，伺服分系统放置于后车厢，发射分系统、接收分系统、控制分系统放置于伺服分系统上，信号处理分系统放置于载车操控台处。电源为车载取力发电机。
[0205] (6)信号成像处理
[0206] 通过测量和回波记录后，将采集的回波信号结合光纤陀螺仪的姿态数据进行离线成像处理，获取不同角度、不同俯仰位置的飞机成像图片。根据信号形式和测量特点,在距离向通过脉冲压缩实现高分辨率、在方位向通过沿回波曲线相干叠加实现高分辨率进行成像处理。
[0207] 对飞机成像处理的流程如图7所示。
[0208] 1)利用步进频宽带信号脉冲压缩算法，对飞机回波数据进行距离向脉冲压缩；
[0209] 2)根据飞机目标成像需求，将飞机目标成像区域划分为网格，获得所有像素点的坐标；
[0210] 3)计算当前方位点上，成像检测系统与所有网格点的斜距，通过斜距计算出时延；根据计算出来的时延，利用插值操作计算获得每个网格点的回波数据；
[0211] 4)对每个网格点上的回波数据进行相位补偿；
[0212] 5)重复3)和4)，直到遍历所有网格点和方位向，各网格点数据沿方位时刻相干叠加；
[0213] 6)数据累加完毕，得到成像图像数据。
[0214] 通过上述成像处理，能够获取对飞机俯视和仰视的成像图片，在图片中包含了飞机蒙皮的状态信号。
[0215] 为验证飞机蒙皮损伤无损检测装置的成像检测效果，对放置的5个5mm钢珠进行了成像分析，能够清晰对物体成像，可以分辨出物体轮廓，如图8、图9所示。
[0216] 在电磁波斜视入射情况下，连续光滑、没有损伤的蒙皮对与电磁波的后向较弱，成像效果不明显。具有裂痕破损、不连续界面的蒙皮，对电磁波的具有很强的后向散射能力，因此飞机蒙皮破损处能够形成较强的反射信号，在成像图片中出现强信号的图像，显现出潜在受损部位。
[0217] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
[0218] 本发明未特别明确的部分模块结构，以现有技术记载的内容为准。本发明在前述背景技术部分以及具体实施例部分提及的现有技术可作为本发明的一部分，用于理解部分技术特征或者参数的含义。本发明的保护范围以权利要求实际记载的内容为准。
