Микроволновая визуализация — это наука, которая развилась из более старых методов обнаружения/локации (например, радара ) для оценки скрытых или встроенных объектов в конструкции (или среде) с использованием электромагнитных (ЭМ) волн в микроволновом режиме (т. е. ~ 300 МГц). -300 ГГц). [1] Инженерно -ориентированная микроволновая визуализация для неразрушающего контроля называется микроволновым тестированием , см. ниже.
Методы микроволновой визуализации можно разделить на количественные и качественные. Методы количественного отображения (также известные как методы обратного рассеяния) позволяют получить электрические (т. е. распределение электрических и магнитных свойств) и геометрические параметры (т. е. форму, размер и местоположение) отображаемого объекта путем решения нелинейной обратной задачи. Нелинейная обратная задача преобразуется в линейную обратную задачу (т. е. Ax=b, где A и b известны, а x (или изображение) неизвестна) с использованием борновских или искаженных борновских аппроксимаций. Несмотря на то, что для решения задачи инверсии можно использовать методы прямой инверсии матрицы, это будет очень дорого, если размер задачи настолько велик (т. е. когда A — очень плотная и большая матрица). Чтобы преодолеть эту проблему, прямая инверсия заменяется итерационными решателями. Методы этого класса называются прямыми итеративными методами, которые обычно отнимают много времени. С другой стороны, методы качественного микроволнового изображения рассчитывают качественный профиль (который называется функцией отражения или качественным изображением), представляющий скрытый объект. Эти методы используют аппроксимации для упрощения задачи построения изображения, а затем используют обратное распространение сигнала (также называемое обращением времени, фазовой компенсацией или обратной миграцией) для восстановления неизвестного профиля изображения. Радар с синтезированной апертурой (SAR), георадар (GPR) и алгоритм миграции частотно-волновых чисел являются одними из наиболее популярных методов качественного микроволнового изображения [1] .
В целом система микроволновой визуализации состоит из аппаратных и программных компонентов. Аппаратное обеспечение собирает данные из тестируемого образца. Передающая антенна посылает электромагнитные волны в сторону испытуемого образца (например, человеческого тела для получения медицинских изображений). Если образец изготовлен только из однородного материала и имеет бесконечный размер, теоретически никакая электромагнитная волна не будет отражаться. Внесение любой аномалии, имеющей другие свойства (т.е. электрические/магнитные) по сравнению с окружающей однородной средой, может отражать часть ЭМ волны. Чем больше разница между свойствами аномалии и окружающей среды, тем сильнее будет отраженная волна. Это отражение улавливается той же антенной в моностатической системе или другой антенной приемника в бистатической конфигурации.
Чтобы повысить междиапазонное разрешение системы формирования изображения, несколько антенн следует распределить по площади (которая называется зоной отбора проб) на расстоянии меньшем, чем рабочая длина волны. Однако взаимная связь между антеннами, расположенными близко друг к другу, может ухудшить точность собираемых сигналов. Более того, система передатчика и приемника станет очень сложной. Для решения этих проблем вместо нескольких антенн используется одна сканирующая антенна. В этой конфигурации антенна сканирует всю область отбора проб, и собранные данные отображаются вместе с координатами положения антенн. Фактически, синтетическая (виртуальная) апертура создается путем перемещения антенны (аналогично принципу радара с синтезированной апертурой [2] ). Позже собранные данные, которые иногда называют необработанными данными, передаются в программное обеспечение для обработки. В зависимости от применяемого алгоритма обработки методы микроволновой визуализации можно разделить на количественные и качественные.
Микроволновая визуализация использовалась в различных приложениях, таких как: неразрушающий контроль и оценка (NDT&E, см. ниже), медицинская визуализация, обнаружение скрытого оружия на контрольно-пропускных пунктах, мониторинг состояния конструкций и визуализация через стену.
Микроволновая визуализация для медицинских целей также становится все более интересной. Диэлектрические свойства злокачественной ткани существенно изменяются по сравнению со свойствами нормальной ткани (например, ткани молочной железы). Эта разница приводит к контрасту, который можно обнаружить методами микроволновой визуализации. Например, несколько исследовательских групп по всему миру работают над разработкой эффективных методов микроволновой визуализации для раннего выявления рака молочной железы. [3]
Старение инфраструктуры становится серьезной проблемой во всем мире. Например, в железобетонных конструкциях основной причиной разрушения является коррозия стальной арматуры. Только в США затраты на ремонт и техническое обслуживание из-за такой коррозии составляют около 276 миллиардов долларов в год [4] [3] .
Недавно микроволновая визуализация показала большой потенциал для использования в мониторинге состояния конструкций. Микроволны более низкой частоты (например, <10 ГГц) могут легко проникать сквозь бетон и достигать интересующих объектов, таких как арматурные стержни (арматура). Если на арматуре есть ржавчина, поскольку она меньше отражает электромагнитные волны по сравнению с прочным металлом, метод микроволновой визуализации позволяет отличить арматуру с ржавчиной (или коррозией) и без нее. [ нужна ссылка ] Микроволновая визуализация также может использоваться для обнаружения любых встроенных аномалий внутри бетона (например, трещин или воздушных пустот).
Эти применения микроволновой визуализации являются частью неразрушающего контроля (НК) в гражданском строительстве. Подробнее о микроволновой визуализации в НК описано ниже.
Микроволновое тестирование использует научные основы микроволновой визуализации для проверки технических деталей с помощью безвредных микроволн . Микроволновой контроль — один из методов неразрушающего контроля (НК). Он ограничен испытаниями диэлектрика, т.е. непроводящего материала. Сюда входит пластик, армированный стекловолокном (GRP, GFRP). [5] Микроволновое тестирование может использоваться для проверки компонентов также во встроенном состоянии, например, встроенных невидимых прокладок в пластиковых клапанах.
Микроволновые частоты простираются от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 м до 1 мм. Участок от 30 ГГц до 300 ГГц с длинами волн от 10 до 1 мм также называют миллиметровыми волнами . Микроволновые печи соответствуют размеру тестируемых компонентов. В разных диэлектрических средах они распространяются с разной скоростью и на поверхностях между ними отражаются. Другая часть распространяется за пределы поверхности. Чем больше разница волнового сопротивления , тем больше отраженная часть.
Для обнаружения дефектов материала испытательный щуп, прикрепленный или находящийся на небольшом расстоянии, перемещают по поверхности испытуемого изделия. Это можно сделать вручную или автоматически. [6] Тестовый зонд передает и принимает микроволны.
Изменения диэлектрических свойств на поверхностях (например, усадочные полости, поры, включения инородных материалов или трещины) внутри испытуемого устройства отражают падающее микроволновое излучение и отправляют его часть обратно на испытательный зонд, который действует как передатчик. и как приемник.
Электронная оценка данных приводит к отображению результатов, например, в виде B-скана (вид в разрезе) или C-скана (вид сверху). Эти методы отображения заимствованы из ультразвукового контроля.
Помимо метода отражения возможен также метод сквозной передачи, при котором используются отдельные передающая и приемная антенны. Задняя сторона тестируемого устройства (ТУ) должна быть доступна, и метод не дает информации о глубине дефекта внутри ИУ.
Микроволновые испытания возможны с постоянной частотой ( CW ) или с плавно настраиваемой частотой ( FMCW ). FMCW полезен для определения глубины дефектов внутри тестируемого устройства.
Тестовый зонд, прикрепленный к поверхности ИУ, дает информацию о распределении материала ниже точки контакта. При перемещении по поверхности ИУ точка за точкой большое количество такой информации сохраняется, а затем оценивается для получения общего изображения. Это требует времени. Процедуры прямой визуализации выполняются быстрее: микроволновые версии либо электронные [7] , либо используют планарный микроволновый детектор, состоящий из фольги, поглощающей микроволновое излучение, и инфракрасной камеры (процедура NIDIT [8] ).
Микроволновые испытания — полезный метод неразрушающего контроля диэлектрических материалов. Среди них пластики , стеклопластики (GFRP) , пенопласты , дерево , древесно-пластиковые композиты (ДПК) и большинство видов керамики . Могут быть обнаружены внутренние дефекты ТУ и на его поверхности, например, в полуфабрикатах или трубах .
Специальные применения микроволнового контроля неразрушающие.
Микроволновое тестирование используется во многих отраслях промышленности:
В последние годы потребность в НК в целом возросла, особенно в диэлектрических материалах. По этой причине, а также потому, что микроволновая техника все больше и больше используется в потребительских товарах и, таким образом, становится намного дешевле, увеличивается неразрушающий контроль с использованием микроволн. Признавая эту растущую важность, в 2011 году был основан Комитет экспертов по микроволновым и ТГц процедурам [15] Немецкого общества неразрушающего контроля (DGZfP), а в 2014 году — Комитет по микроволновым испытаниям Американского общества неразрушающего контроля ( АСНТ). Работа по стандартизации находится в самом начале.