CC BY
20УДК 535.38 ГРНТИ 59.45.37
МЕТОД КОМПЬЮТЕРНОЙ ГОЛОГРАФИИ КАК ИНСТРУМЕНТ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ОСТЕКЛЕНИЯ КАБИН САМОЛЕТОВ
П.В. ПАВЛОВ, кандидат технических наук
ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) И.Э. ВОЛЬФ, кандидат технических наук
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
И.Э. КУСКОВ
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
Ю.Н. БОГДАНОВ
ВУНЦ ВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
Для повышения эффективности дефектоскопического контроля элементов остекления кабин воздушных судов предлагается использовать метод компьютерной голографии. В ходе исследований разработана экспериментальная установка для записи цифровых голограмм и оригинальное программное обеспечение для восстановления изображений дефектов остекления из записанных голограмм. Проведены натурные испытания разработанного аппаратно-программного комплекса дефектоскопического контроля в ходе определения геометрических размеров дефекта типа «серебро» на образцах авиационного стекла марки АО-120А.
Ключевые слова: компьютерная голография, голограмма, неразрушающий контроль, дефектоскопия, остекление, диагностика.
computer holography method as a tool for non-destructive testing of aircraft cabin glazing elements
P.V. PAVLOV, Candidate of Technical sciences
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
I.E. VOLF, Candidate of Technical sciences
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
I.E. KUSKOV
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
YU.N. BOGDANOV
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
The method of computer holography is proposed to be used in order to improve the efficiency of aircraft cabins glazing elements flaw detection. An experimental setup for recording digital holograms and original software for reconstructing images of glazing defects from recorded holograms were developed in the course of research. Full-scale tests of the developed hardware-software complex for flaw detection were carried out in the course of determining the geometric dimensions of the «silver» type defect on samples of AO-120A aviation glass.
Keywords: computer holography, hologram, non-destructive testing, flaw detection, glazing, diagnostics.
Введение. Интенсивное использование с 2015 года воздушных судов (ВС) Воздушно-космических сил (ВКС) МО РФ в южных широтах земного шара, где кроме механических нагрузок элементы остекления кабин испытывают мощное воздействие со стороны УФ-излучения, приводит к досрочному снижению прочности и появлению критических дефектов, которые могут привести к разрушению фонарей кабин в полете [1].
ы и
Актуальность. Интенсивное влияние механических воздействий и ультрафиолетового излучения приводит к возникновению дефектов в элементах остекления кабин воздушных судов, выполненных из органического стекла, в виде комплекса микротрещин («серебро»). Данные дефекты представляют собой фазовые неоднородности в прозрачной среде, которые обладают сложной структурой и микроскопическими размерами. Накапливаясь преимущественно в приповерхностном слое, «серебро» охватывает большую площадь вокруг первоначальных очагов и распространяется вглубь материала, образуя деструктивный слой определённой толщины [2].
Установлено, что глубина деструктивного слоя элементов остекления больше 0,1 мм является критической, после установления данного факта в процессе эксплуатации, необходимо заменить или восстановить элемент остекления кабины [3].
Применение оптико-визуальных методов, а также методов, основанных на ультразвуковом зондировании материала для выявления «серебра» на этапах ранней диагностики - малоэффективно, поэтому необходимо задействовать методы неразрушающего контроля (НК), основанные на использовании явлений интерференции и дифракции волн когерентного лазерного излучения рассеянного дефектом. В работе [4] для определения критического значения деструктивного слоя остекления кабин предлагается использовать устройства НК, принцип действия которых основан на использовании спекл-интерферометрического метода. Данный метод позволяет при помощи сравнения спекл-изображения исследуемого элемента остекления со спекл-изображением, снятым с эталонного образца, качественно определить наличие или отсутствие поверхностного дефектного слоя и среднюю глубину микротрещин на участке, площадь которого соответствует апертуре зондируемого пучка когерентного излучения. Однако он не позволяет определить геометрические размеры дефектов, что не позволяет проводить углубленный анализ при проведении ремонтно-восстановительных работ фонарей кабин ВС в условиях эксплуатирующих организаций.
Таким образом, существует потребность в создании оптико-электронных устройств дефектоскопического контроля с последующим интегрированием данных инструментов в процесс эксплуатации и ремонта элементов остекления ВС. На данный момент имеется достаточное количество публикаций, посвященных использованию метода компьютерной голографии (КГ) для исследования морского планктона, объемных дефектов нелинейных оптических кристаллов и т.д. [5, 6].
Основным преимуществом данного метода является возможность оценивания характера фазовых неоднородностей в прозрачной среде в количественной мере, т.е. определять местоположение и геометрические размеры поврежденного участка, а также глубину распространения дефекта в массиве материала. Анализ голографической продукции, выпускаемой российскими приборными заводами, говорит о том, что изменив конструкцию современных голографических камер и разработав оригинальное программное обеспечение для восстановления изображений дефектов с интуитивно-понятным интерфейсом позволит дооснастить мобильные лаборатории неразрушающего контроля (ЛАБ-НК), находящиеся на вооружении в эксплуатирующих организациях.
Таким образом, цель данной работы заключается в определении погрешности метода КГ в задачах дефектоскопического контроля элементов остекления кабин ВС. Для достижения данной цели необходимо подготовить тестовые образцы из авиационного органического стекла с дефектами типа «серебро», разработать программное обеспечение для восстановления изображений дефектов из записанных голограмм и провести его натурные испытания, в ходе которых определить возможности и погрешности измерений параметров дефектов авиационного органического стекла.
Метод компьютерной голографии. Компьютерная голография - это обработка, восстановление и имитация волновых полей с помощью ЭВМ. Принцип работы данного метода
заключается в восстановлении изображения объекта (дефекта) из записанной с помощью цифрового приемника оптического излучения (ПЗС-матрица) голограммы - результат интерференции предметной и опорной волны. Цифровая голограмма представляет собой дискретный двумерный массив оцифрованных значений интенсивности картины интерференции опорной (излучение, прошедшее через образец без рассеивания и преломления) и предметной (излучение, рассеянное на дефектах и включениях) волны [7]. Данный массив принимается за распределение (с точностью до константы) поля в плоскости голограммы и(д) . Это распределение используется в качестве исходного, а вычисление выражения (1) позволяет определить распределение интенсивности поля в плоскости на заданном расстоянии от плоскости регистрации голограммы на ПЗС-матрице и(х2, у2) (послойное восстановление формы объекта):
ти л 1! т ( \ ехР№) I*
и(х2,у2,г) = I I 1Н (У1)--• ехр—
( х2 — ^)2 +(У 2 — У1 )2 \ ¿V йу1
(1)
где /я - распределение интенсивности голограммы, X - длина волны, г - расстояние от объекта
до ПЗС-матрицы, к - волновое число.
Соответственно, слой за слоем можно формировать изображение внутренней структуры исследуемого образца. При этом в каждом восстановленном изображении поперечного сечения органического стекла визуализируются дефекты (неоднородности) и появляется возможность определения их размеров, формы, ориентации и расположения в образце.
Для экспериментального исследования метода КГ подготовлена оптическая система, схема которой представлена на рисунке 1. Состав и структура установки построена на принципе записи цифровых голограмм по осевой схеме, предложенной Габором.
Лазерное излучение от источника 1 проходит через коллиматор 2, образуя пучок необходимого диаметра, который в свою очередь проходит через исследуемый образец 3. Частью излучения, проходящего через однородный объем образца без рассеяния на неоднородностях - опорной волны и частью излучения, рассеиваемого на дефектах 4 и неоднородностях - объектной волны, формируется интерференционная картина. ПЗС-матрица 5 записывает эту интерференционную картину 6 и сохраняет ее в память компьютера.
1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - элемент остекления, 4 - дефект, 5 - ПЗС-матрица, 6 - голограмма Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки
В качестве приемника оптического излучения использовалась ПЗС-матрица Sony IMX179 с разрешением 3,2 Мп, размер пикселя составлял ~ 1,4 мкм. В качестве источника когерентного излучения использовался полупроводниковый лазер на длине волны 532 нм со средней мощностью 10 мВт.
Для получения возможности достоверного определения глубин поверхностных дефектов на образцах органического стекла была проведена калибровка установки для записи голограмм.
Для этого был взят образец авиационного органического стекла марки АО-120А, на котором не было поверхностных дефектов, на переднюю и заднюю грани которого были нанесены маркером метки в виде двух окружностей. Нанесение на поверхность образца метки, толщина которой равна ~10 мкм, обычным канцелярским маркером позволило «сфокусироваться» на данной метке в процессе восстановления голографического изображения и четко определить расстояние от поверхности образца до матрицы CCD камеры. Толщина образца измерялась при помощи линейки и составила ~10 мм. Показатель преломления n образца составлял ~ 1,25. Далее была записана цифровая голограмма объема образца, представленного на рисунке 2. После чего, с использованием дифракционного интеграла (1) и метода свертки было проведено восстановление голографического изображения с шагом 0,05 мм по координате Z. На рисунке 2 представлены внешний вид голограммы и восстановленные изображения меток, находящихся на фронтальной и тыльной стороне контролируемого образца.
а) голограмма маркерных точек, б) восстановленное изображение маркерных точек на расстоянии 21=51,5 мм, в) восстановленное изображение маркерных точек на расстоянии 22=59,5 мм
Рисунок 2 - Результаты калибровки экспериментальной установки
Фронтальная грань исследуемого образца находилась на расстоянии 21=51,5 мм от матрицы CCD-камеры, а задняя грань находилась на расстоянии 22=59,5 мм от матрицы фотоприемника, так как наилучшая фокусировка маркировочных меток наблюдалась именно при этих значениях Z. Таким образом, толщину образца можно рассчитать по формуле (2):
d = n •( Z2 — Zx).
(2)
Из голографического эксперимента согласно формуле (2) получается, что толщина образца составляет 8,0 ± 0,05 мм. Результаты измерений толщины образца, полученные при помощи разработанной установки, совпали с результатами прямых измерений с помощью линейки с точностью до погрешности измерения.
Программный модуль восстановления изображений дефектов из цифровых голограмм. Разработка программного модуля с интуитивно-понятным интерфейсом для оператора дефектоскопического контроля осуществлялась на языке программирования C# в среде разработки Visual Studio.
Интерфейс разработанного программного модуля представлен на рисунке 3.
ы и
Натурные испытания аппаратного-программного комплекса компьютерной голографии. Для испытаний разработанного программного модуля был подготовлен образец авиационного органического стекла марки АО-120А (рисунок 4), на поверхности которого были созданы дефекты типа «серебро» с различной глубиной деструктивного слоя.
Подготовка образцов осуществлялась согласно методике «Руководство по испытаниям противообледенительных жидкостей в части оценки их влияния на элементы конструкции воздушных судов гражданской авиации» по ГОСТ 4648-2014 (ISO 178:2010 MOD).
Образец органического авиационного стекла марки АО-120А с размерами 120х20х10 мм подвергался «чистому изгибу» с созданием на поверхностном слое напряжений 450 кгс/см2, на растянутую поверхность образцов ватным тампоном наносился ацетон, который выдерживался 30 секунд. В результате на поверхности образцов образовывались микротрещины - «серебро». Визуально дефекты видны, но определить глубину деструктивного слоя не представлялось возможным.
Для подтверждения результатов визуального контроля от поврежденного участка подготовленного образца была зарегистрирована голограмма и выполнено цифровое ее восстановление по методике, описанной в предыдущем разделе статьи, от расстояния Z2 до Zi, в ходе которого были выбраны характерные повреждения и определены расстояния от матрицы фотоприемника до плоскости наилучшего восстановления дефекта, установлена их глубина относительно поверхности образца по формуле (2).
1 - поле для работы с голограммой, 2 - инструменты для выделения областей на голограмме, 3 - поле установки параметров оптической системы для восстановления изображений дефектов
Рисунок 3 - Интерфейс программного модуля восстановления голограмм
Контроль фокусировки и уточнение расстояния до восстановленного изображения микрообъекта выполнялись автоматически по определению максимального значения среднеквадратической погрешности яркости контура дефекта и фона структуры материала:
RMS =
i
M N
Ш f (y)-f (x, y)]
x=1 y=1
MN
(3)
где f (x, y) - значение яркости восстановленного изображения;
_ 1 N M
f (x,y) =-^^ f (x,y) - среднее значение яркости восстановленного изображения;
MN x=1 y=1
x, y - координаты пикселей восстановленного изображения; M - количество строк изображения; N - количество столбцов изображения.
Экспериментальные исследования проводились на восстановленных изображениях дефекта с шагом 10 мкм после предварительного определения четких границ дефектов. Были выделены 3 области, для каждой из которых была рассчитана среднеквадратическая погрешность по формуле (3), после чего полученные данные были проанализированы.
На рисунке 5 представлены изображения дефекта с отмеченными областями, которые подвергались оценке, а на рисунке 6 - график зависимости максимального значения среднеквадратической погрешности яркости контура дефекта и фона RMS от расстояния.
Рисунок 4 - Образец органического стекла марки АО-120А с дефектами «серебро» и голограмма его дефектов
а) Z=53,92 мм, б) Z=53,88 мм, в) Z=53,90 мм Рисунок 5 - Восстановленные изображения дефекта на расстоянии Z
На основе расчета максимального значения RMS, представленного на рисунке 6,
расстояние восстановления четкого изображения дефекта в области № 1 наблюдается на расстоянии Z=53,92 мм, в области № 2 - Z=53,88 мм, в области № 3 - Z=53,90 мм от ПЗС-матрицы, что свидетельствует о полном восстановлении дефекта.
Рисунок 6 - Зависимость максимального значения среднеквадратической погрешности яркости контура дефекта и
фона RMS от расстояния Z
По результатам, представленным на рисунке 5, в ходе восстановления изображения дефекта рассчитана его глубина по формуле (2) в трех областях. Поверхностный дефект в области № 1 имеет глубину ~ 750 мкм, в области № 2 ~ 710 мкм, в области № 3 ~ 730 мкм. Помимо этого, была измерена ширина дефекта 47,6 мкм и длина 1,65 мм с помощью реализованного инструмента «линейка», представленного на рисунке 7.
а) ширина дефекта, б) глубины дефекта
Рисунок 7 - Выделенные области на восстановленном изображении дефекта с целью определения
его ширины и длины
Выводы. Подготовленные контрольные образцы авиационного органического стекла марки АО-120А с различной глубиной залегания и шириной раскрытия дефектов типа «серебро» целесообразно использовать для дальнейших исследований интенсивности образования микротрещин при воздействии нагрузок в агрессивной среде.
Разработанное программное обеспечение для восстановления сечений зарегистрированных цифровых голограмм дефектов остекления позволяет достоверно визуализировать их границы.
В ходе натурных испытаний разработанного ПО установлено, что метод КГ позволяет определять геометрические размеры поверхностных дефектов деталей остекления самолета с погрешностью определения линейных размеров ±15 мкм, что существенно повышает точность определения допустимого интервала достижения критических размеров поверхностных повреждений элементов остекления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мекалина И.В., Айзатулина М.К., Сентюрин Е.Г., Попов А.А. Особенности влияния атмосферных факторов на авиационные органические стекла // Труды ВИАМ. 2018. № 11. С. 28-34.
2. Балашов А.А., Акользин С.В., Комаров В.Г. Ускоренные испытания деталей остекления из фторорганического стекла воздушных судов в условиях субтропического и жаркого тропического климата // Сб. научных статей Всероссийской НПК «Проблемы эксплуатации авиационной техники в современных условиях». 24-25 ноября 2016 года. ЦНИИИ ВВС. Люберцы. С. 241-245.
3. Акользин С.В., Фролков А.И. Восстановление работоспособности теплостойкого авиационного остекления при ремонте и в эксплуатации // Авиационная промышленность. 2014. № 1. С. 41-44.
4. Павлов П.В., Вольф И.Э., Москвин Н.В. Применение метода спекл-структур оптического излучения в задачах неразрушающего контроля // Журнал. Воздушно-космические силы. Теория и практика. [Электронный ресурс]. Режим доступа: Ы^://академия-ввс.рф/images/data/zhumal_vks/vks_6.pdf (дата обращения 09.10.2020).
5. Дёмин В.В., Каменев Д.В. Методы обработки и извлечения информации из цифровых голограмм частиц и их практическое применение // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2014. Т. 57, № 8-9. С. 597-607.
6. Dyomin V.V., Gribenyukov A.I., Podzyvalov S.N., Yudin N.N., Zinoviev M.M., Polovtsev I.G., Davydova A.Yu., Olshukov A.S. Application of Infrared Digital Holography for Characterization of Inhomogeneities and Voluminous Defects of Single Crystals on the Example of ZnGeP2 // Appl. Sci. 2020, № 10, pp. 442.
7. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Цифровая голография. М.: Наука, 1982. 219 с.
REFERENCES
1. Mekalina I.V., Ajzatulina M.K., Sentyurin E.G., Popov A.A. Osobennosti vliyaniya atmosfernyh faktorov na aviacionnye organicheskie stekla // Trudy VIAM. 2018. № 11. pp. 28-34.
2. Balashov A.A., Akol'zin S.V., Komarov V.G. Uskorennye ispytaniya detalej ostekleniya iz ftororganicheskogo stekla vozdushnyh sudov v usloviyah subtropicheskogo i zharkogo tropicheskogo klimata // Sb. nauchnyh statej Vserossijskoj NPK «Problemy "ekspluatacii aviacionnoj tehniki v sovremennyh usloviyah». 24-25 noyabrya 2016 goda. CNIII VVS. Lyubercy. pp. 241-245.
3. Akol'zin S.V., Frolkov A.I. Vosstanovlenie rabotosposobnosti teplostojkogo aviacionnogo ostekleniya pri remonte i v 'ekspluatacii // Aviacionnaya promyshlennost'. 2014. № 1. pp. 41-44.
4. Pavlov P.V., Vol'f I.E., Moskvin N.V. Primenenie metoda spekl-struktur opticheskogo izlucheniya v zadachah nerazrushayuschego kontrolya // Vozdushno-kosmicheskie sily. Teoriya i praktika. fElektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://akademiya-vvs.rf/images/ data/zhurnal_vks/vks_6.pdf (data obrascheniya 09.10.2020).
5. Demin V.V., Kamenev D.V. Metody obrabotki i izvlecheniya informacii iz cifrovyh gologramm chastic i ih prakticheskoe primenenie // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Radiofizika. 2014. T. 57, № 8-9. pp. 597-607.
6. Dyomin V.V., Gribenyukov A.I., Podzyvalov S.N., Yudin N., Zinoviev M.M., Polovtsev I.G., Davydova A.Yu., Olshukov A.S. Application of Infrared Digital Holography for Characterization of Inhomogeneities and Voluminous Defects of Single Crystals on the Example of ZnGeP2 // Appl. Sci. 2020, № 10, pp. 442.
7. Yaroslavskij L.P., Merzlyakov N.S. Cifrovaya golografiya. M.: Nauka, 1982. 219 p
© Павлов П.В., Вольф И.Э., Кусков И.Э., Богданов Ю.Н., 2020
Павлов Павел Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования (и оптико-электронных систем), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, pavlov.pave@yandex.ru.
Вольф Игорь Эдуардович, кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудования (и оптико-электронных систем), Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, Volfigor71@mail.ru.
Кусков Илья Эдуардович, оператор научной роты, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, kuskov.info@gmail.com.
Богданов Юрий Николаевич, заместитель начальника отдела военно-научной информации, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А.
