Микроволновая визуализация - это наука, которая возникла на основе старых методов обнаружения / локации (например, радаров ) для оценки скрытых или встроенных объектов в конструкции (или средах) с использованием электромагнитных (ЭМ) волн в микроволновом режиме (т. Е. ~ 300 МГц. -300 ГГц). [1] Инженерная и прикладная микроволновая визуализация для неразрушающего контроля называется микроволновым тестированием , см. Ниже.
Методы микроволновой визуализации можно разделить на количественные и качественные. Количественные методы построения изображений (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) неизвестно) с помощью приближения Борна или искаженного Борна. Несмотря на то, что для решения проблемы инверсии можно использовать методы прямого обращения матрицы, это будет очень дорого, когда размер проблемы настолько велик (т. Е. Когда A является очень плотной и большой матрицей). Чтобы решить эту проблему, прямая инверсия заменяется итерационными решателями. Методы этого класса называются прямыми итеративными методами, которые обычно требуют много времени. С другой стороны, качественные методы микроволнового изображения вычисляют качественный профиль (который называется функцией отражательной способности или качественным изображением) для представления скрытого объекта. Эти методы используют приближения для упрощения проблемы визуализации, а затем используют обратное распространение (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-волнового числа являются одними из самых популярных методов качественной микроволновой визуализации [1] .
Принципы
Как правило, микроволновая система формирования изображений состоит из аппаратных и программных компонентов. Оборудование собирает данные с тестируемого образца. Передающая антенна посылает электромагнитные волны к исследуемому образцу (например, к человеческому телу для получения медицинских изображений). Если образец сделан только из однородного материала и имеет бесконечный размер, теоретически электромагнитная волна не будет отражена. Введение любой аномалии, которая имеет другие свойства (например, электрические / магнитные) по сравнению с окружающей однородной средой, может отражать часть электромагнитной 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 приемной антенной в бистатической конфигурации.
Чтобы увеличить разрешение системы формирования изображения по всему диапазону, несколько антенн должны быть распределены по области (которая называется областью выборки) с расстоянием меньше рабочей длины волны. Однако взаимная связь между антеннами, которые расположены близко друг к другу, может снизить 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 выборки, и собранные данные отображаются вместе с координатами их положения антенн. Фактически, синтетическая (виртуальная) апертура создается перемещением 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 микроволнового изображения можно разделить на количественные и качественные.
Приложения
Микроволновая визуализация используется во множестве приложений, 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 стены.
Микроволновая визуализация для медицинских приложений также становится все более интересной. Диэлектрические свойства злокачественной ткани значительно изменяются по сравнению со свойствами нормальной ткани (например, ткани груди). Эта разница выражается в контрасте, который может быть обнаружен методами микроволнового изображения. В качестве примера можно привести несколько исследовательских групп по всему миру, работающих над разработкой эффективных методов микроволнового изображения для раннего обнаружения рака груди. [3]
Старение инфраструктуры становится серьезной проблемой во всем мире. Например, в железобетонных конструкциях коррозия их стальной арматуры является основной причиной их износа. Только в США затраты на ремонт и техническое обслуживание из-за такой коррозии составляют около 276 миллиардов долларов в год [4] [3] .
В последнее время микроволновая визуализация показала большой потенциал для использования для мониторинга состояния конструкций. Микроволны более низкой частоты (например, <10 ГГц) могут легко проникать через бетон и достигать таких объектов, представляющих интерес, как арматурные стержни (арматурные стержни). Если на арматуре есть ржавчина, поскольку ржавчина отражает меньше электромагнитных волн по сравнению с прочным металлом, метод микроволнового изображения позволяет различить арматуру с ржавчиной (или коррозией) и без нее. [ необходима цитата ] Микроволновая визуализация также может использоваться для обнаружения любых аномалий, заложенных внутри бетона (например, трещины или воздушной пустоты).
Эти применения микроволнового изображения являются частью неразрушающего контроля (NDT) в гражданском строительстве. Подробнее о микроволновом изображении в неразрушающем контроле рассказывается ниже.
Микроволновое тестирование
При микроволновом тестировании используются научные основы микроволнового изображения для проверки технических деталей безвредными микроволнами . Микроволновый контроль - один из методов неразрушающего контроля (NDT). Это ограничивается испытаниями диэлектрика, то есть непроводящего материала. Его можно использовать для проверки компонентов также во встроенном состоянии, например, встроенных невидимых прокладок в пластиковых клапанах.
Принцип
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 мм до 1 мм также называется миллиметровыми волнами . Микроволны соответствуют размеру тестируемых компонентов. В разных диэлектрических средах они распространяются по-разному и на поверхностях между ними отражаются. Другая часть распространяется за пределы поверхности. Чем больше разница в волновом сопротивлении , тем больше отраженная часть.
Для обнаружения дефектов материала по поверхности тестируемого устройства перемещается прикрепленный или находящийся на небольшом расстоянии испытательный зонд. Это можно сделать вручную или автоматически. [5] Тестовый зонд излучает и принимает микроволны.
Изменения диэлектрических свойств на поверхностях (например, усадочные полости, поры, включения инородных материалов или трещины) внутри тестируемого устройства отражают падающую микроволновую печь и отправляют ее часть обратно на испытательный зонд, который действует как передатчик. и как ресивер.
Электронная оценка данных приводит к отображению результатов, например, как B-сканирование (вид в разрезе) или как C-сканирование (вид сверху). Эти методы отображения заимствованы из ультразвукового контроля.
Процедуры
Помимо метода отражения возможен также метод сквозной передачи, в котором используются отдельные передающая и приемная антенны. Задняя сторона тестируемого устройства (DUT) должна быть доступна, и метод не дает информации о глубине дефекта в DUT.
Возможны микроволновые испытания с постоянной частотой ( CW ) или с непрерывно настраиваемой частотой ( FMCW ). FMCW полезен для определения глубины дефектов в DUT.
Тестовый зонд, прикрепленный к поверхности DUT, дает информацию о распределении материала ниже точки контакта. При перемещении по поверхности исследуемого устройства точка за точкой много такой информации сохраняется, а затем оценивается для получения общего изображения. На это нужно время. Процедуры прямой визуализации выполняются быстрее: микроволновые версии либо электронные [6], либо используют планарный микроволновый детектор, состоящий из фольги, поглощающей микроволновое излучение, и инфракрасной камеры (процедура NIDIT [7] ).
Приложения
Микроволновые испытания - это полезный метод неразрушающего контроля диэлектрических материалов. Среди них пластмассы , стеклопластики (GFRP) , пенопласт , дерево , древесно-пластиковые композиты (WPC) и большинство видов керамики . Дефекты внутри ИУ и на его поверхности могут быть обнаружены, например, в полуфабрикатах или трубах .
Специальные области применения микроволнового контроля неразрушающие
- измерения влажности
- измерения толщины стенок
- измерения толщины краски на углеродных композитах (углепластик)
- мониторинг состояния, например, наличие прокладок в собранных клапанах, трубопроводы на основе резины в теплообменниках [8]
- измерение параметров материала, например диэлектрической проницаемости и остаточного напряжения
- Обнаружение отсоединения в усиленных бетонных элементах моста, модифицированных композитными ламинатами, армированными углеродным волокном (CFRP) [9]
- обнаружение коррозии и точечной коррозии в окрашенных алюминиевых и стальных подложках [9]
- обнаружение дефектов в напыляемой пеноизоляции и на теплоизоляционных плитах Space Shuttle. [9]
Микроволновые испытания используются во многих отраслях промышленности:
- аэрокосмическая промышленность, например, неразрушающие измерения толщины краски на углепластике [10]
- автомобиль, например, неразрушающий контроль компонентов листового органо и листовых рессор из стеклопластика [11]
- гражданское строительство, например, радары [12]
- энергоснабжение, например испытание лопастей ротора ветряных электростанций, стояка [13]
- безопасность, например сканер тела в аэропортах [6]
В последние годы потребность в неразрушающем контроле в целом возросла, особенно в диэлектрических материалах. По этой причине, а также из-за того, что микроволновая техника все больше и больше используется в потребительских товарах и, таким образом, становится намного дешевле, неразрушающий контроль с помощью микроволн увеличивается. Признавая эту растущую важность, в 2011 г. был основан Комитет экспертов по микроволновым и ТГц-процедурам [14] Немецкого общества неразрушающего контроля (DGZfP), а в 2014 г. - Комитет по микроволновым испытаниям Американского общества неразрушающего контроля ( АСНТ). Работа по стандартизации находится в начале.
Рекомендации
- ^ "Технологии на основе радаров с синтезированной апертурой и конструкция реконфигурируемой антенны для получения изображений слоистых структур в микроволновом диапазоне" . Проверено 7 мая 2014 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ М. Сумех, Обработка сигналов радара с синтезированной апертурой, 1-е изд. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Wiley, 1999.
- ^ Bond EJ, Ли X, Hagness SC и Van Veen BD 2003 СВЧ изображенийпомощью пространственно-временного диаграммообразования для раннего выявления рака молочной железы IEEE Trans. Антенны Propagat. 51 1690-705
- ^ G. Roqueta, L. Jofre и M. Feng, «Оценка коррозии железобетонными конструкциями с помощью неразрушающего контроля микроволн», in Proc. 5 евро. Конференция по распространению антенн (EUCAP), апрель. 11–15, 2011, с. 787–791.
- ^ «Примечание по применению от MVG / Satimo. 2 сентября 2017 года» .
- ^ а б «Безопасность с помощью технологий. Информация компании ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co. KG. 2 сентября 2017 г.» (PDF) .
- ^ «Микроволновые испытания: обзор. Примечания по применению FIT-M. 2 сентября 2017 г.» (PDF) .
- ^ «Впускной и выпускной трубопровод теплообменника на резиновой основе. Рекомендации по применению от Evisive. 2 сентября 2017 года» (PDF) .
- ^ a b c С. Харьковский и Р. Зоуги, «Неразрушающий контроль и оценка микроволнового и миллиметрового диапазонов - обзор и последние достижения», IEEE Instrum. Измер. Mag., Т. 10, стр. 26–38, апрель 2007 г.
- ^ «Видео об измерении толщины краски на углепластике - инструкция по применению FIT-M. 2 сентября 2017» .
- ^ «Микроволновые испытания листовых рессор из стеклопластика - Рекомендации по применению от FIT-M. 2 сентября 2017 г.» (PDF) .
- ^ "Christiane Maierhofer: Radaranwendungen im Bauwesen. In: ZfP-Zeitung 72, Dezember 2000, 43-50 www.ndt.net. 2 сентября 2017 г." (PDF) .
- ^ «Отчет о сканировании участка гибкой вертикальной трубы - инструкция по применению от Evisive. 2 сентября 2017 г.» (PDF) .
- ^ «Экспертный комитет МТХз ДГЗфП - 2 сентября 2017 года» .
Литература
- Джозеф Т. Кейс, Шант Кендериан: MWNDT - метод проверки . В: Materials Evaluation , March 2017, 339-346. (В этом документе есть много ссылок, касающихся микроволнового тестирования)
- Реза Зоуги: микроволновая неразрушающая проверка и оценка Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2000.
- Н. Ида: Microwave NDT Springer Science & Business Media, Люксембург, 2012 г.
Внешние ссылки
- [1] Микроволновые испытания: обзор
- [2] Неразрушающий контроль досок из WPC с использованием процедуры неионизирующей прямой визуализации NIDIT.
- [3] Электронное микроволновое изображение с плоскими мультистатическими матрицами.