[论文解读] Millimeter Wave Doppler Sensor for Nondestructive Evaluation of Materials

Shaolin Liao, Sasan Bakhtiari+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2020

Non-Invasive Vital Sign Monitoring参考文献 7被引用 7

一句话总结

本文提出了一种紧凑型94 GHz I-Q 毫米波多普勒传感器，用于材料的无损检测（NDE），采用连续波激励远程检测机械振动特征。该系统在实验室测试中成功测量了0–200 Hz范围内的共振模式和与缺陷相关的振动，展示了在结构健康监测及密封容器远距离检测应用中的高灵敏度和非接触能力。

ABSTRACT

Resonance modes are intrinsic characteristics of objects when excited at those frequencies. Probing the resonance signatures can reveal useful information about material composition, geometry, presence of defects, and other characteristics of the object under test. Vibration spectra can be measured remotely with high degree of sensitivity using a millimeter wave (mmW) Doppler sensor and a remote excitation source. This novel nondestructive evaluation (NDE) method can work in a non-contact manner as an alternative or complementary approach to conventional NDE methods such as those based on acoustic/ultrasonic and optical techniques. Millimeter wave vibrometry can be used for a wide range of civil and national security applications. Examples include detection of defects and degradation for diagnostics and prognostics of materials components and rapid standoff inspection of shielded/sealed containers for contraband. In this paper, we evaluate the performance of a compact mmW vibrometer developed at Argonne. Our 94 GHz I-Q Doppler sensor monitors the mechanical vibration signature of the object under interrogation that is induced by continuous wave excitation. For proof-of-principle demonstrations, the test objects were mechanically excited by an electronically controlled shaker using sinusoidal waves at various frequencies ranging from DC to 200 Hz. We will present a number of laboratory test results and will discuss the method's applicability to some practical NDE applications.

研究动机与目标

• 开发一种利用毫米波多普勒振动测量技术进行材料无损检测（NDE）的非接触式远程传感方法。
• 评估紧凑型94 GHz I-Q 多普勒传感器在检测外部激励引起的机械振动特征方面的性能。
• 展示利用共振特征在无物理接触条件下识别材料成分、几何形状和缺陷的可行性。
• 探索该技术在结构诊断及屏蔽或密封容器远距离检查中的实际应用。
• 在实验室条件下验证传感器在0–200 Hz激励频率范围内的灵敏度和准确性。

提出的方法

• 使用94 GHz I-Q 多普勒传感器检测从振动物体反射的毫米波信号中的多普勒频移。
• 通过电子控制的振动台施加连续波（CW）激励，以在测试物体中诱发机械振动。
• 传感器通过测量回波信号中相位和幅度的变化来提取振动特征。
• 通过分析0–200 Hz激励下的频率响应来识别共振模式。
• 系统以非接触方式运行，实现无需物理耦合的远程监测。
• 应用信号处理技术从I-Q基带输出中提取振动幅度和频率。

实验结果

研究问题

• RQ1 94 GHz I-Q 多普勒传感器是否具备足够灵敏度，可检测材料中的机械振动以满足无损检测（NDE）应用需求？
• RQ2 在非接触设置下，毫米波多普勒振动测量技术在识别共振模式方面的准确性如何？
• RQ3 该传感器在实验室测试试样中检测与缺陷相关的振动异常的性能如何？
• RQ4 该方法在多大程度上可作为传统超声或光学无损检测技术的补充或替代方案？
• RQ5 该系统能否检测并表征屏蔽或密封容器内的振动，以用于安全筛查应用？

主要发现

• 94 GHz I-Q 多普勒传感器在0–200 Hz频率范围内成功检测到测试物体的机械振动，表现出高灵敏度。
• 在频域中可清晰观察到共振特征，从而能够识别结构模态及缺陷引起的异常。
• 系统实现了非接触运行并实现了可靠的信号采集，验证了其在远程检测中的潜力。
• 实验室结果证实，传感器能够基于材料的振动特性区分不同材料的响应。
• 该方法在密封容器的远距离检测中展现出前景，因为振动特征可穿透外壳被检测，而无需直接接触。
• I-Q检测的集成实现了精确的相位和幅度测量，提升了振动分析的分辨率。