Микроволновая визуализация - Microwave imaging

Микроволновая визуализация это наука, которая возникла на основе старых методов обнаружения / определения местоположения (например, радар ) для оценки скрытых или встроенных объектов в структуре (или медиа) с помощью электромагнитный (ЭМ) волны в микроволновая печь режим (т.е. ~ 300 МГц-300 ГГц).[1] Инженерное дело и прикладной микроволновой визуализации для неразрушающий контроль называется микроволновое тестирование, Смотри ниже.

Методы микроволновой визуализации можно разделить на количественные и качественные. Методы количественной визуализации (также известные как методы обратного рассеяния) дают электрические (то есть распределение электрических и магнитных свойств) и геометрические параметры (то есть форму, размер и местоположение) отображаемого объекта путем решения нелинейной обратной задачи. Нелинейная обратная задача преобразуется в линейную обратную задачу (то есть 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 (то есть, когда A является очень плотной и большой матрицей). Чтобы решить эту проблему, прямое обращение заменяется итеративными решателями. Методы этого класса называются прямыми итерационными 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 синтетической 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. Аппаратное обеспечение собирает данные с тестируемого образца. Передающий 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.

Общий вид микроволновой системы визуализации. (http://hdl.handle.net/10355/41515 )

Чтобы увеличить разрешение системы формирования изображения по поперечному 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 собранных 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 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 микроволнового изображения можно разделить на количественные и качественные.

Приложения

Микроволновая визуализация использовалась 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 сквозь 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]

Трехмерное изображение арматуры с коррозией, полученное с помощью микроволнового изображения, http://hdl.handle.net/10355/41515

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 с более низкой частотой (например, <10 ГГц) могут легко проникать через бетон и достигать интересных объектов, таких 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.[нужна цитата ] Микроволновая визуализация также может использоваться для обнаружения любых аномалий, заложенных внутри бетона (например, трещин или воздушных пустот).

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. микроволны. Микроволновое тестирование - один из методов неразрушающий контроль (НК). Это ограничивается испытаниями диэлектрика, т.е. е. непроводящий материал. Его можно использовать для проверки компонентов также во встроенном состоянии, например. грамм. встроенные невидимые прокладки в пластиковых клапанах.

B-сканирование сэндвича из пенопласта и стеклопластика на частоте 100 ГГц. Индикация при x = 120 мм обусловлена ​​влажностью пены на глубине примерно 20 мм ниже поверхности ИУ. (Becker, Keil, Becker Photonik GmbH: Jahrestagung DGZfP 2017, Beitrag Mi3C2)

Принцип

Стенка трубы из стеклопластика. C-сканирование. Посередине: индикация дефекта глубиной 60 мм, 24 ГГц.

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 миллиметровые волны. Микроволны соответствуют размеру тестируемых компонентов. В разных диэлектрическая среда они распространяются по-разному быстро и отражаются от поверхностей между ними. Другая часть распространяется за пределы поверхности. Чем больше разница в волновое сопротивление, тем больше отраженная часть.

Чтобы найти дефекты материала, испытательный зонд, прикрепленный или находящийся на небольшом расстоянии, перемещается по поверхности испытуемого устройства. Это можно сделать вручную или автоматически.[5] Тестовый зонд передает и принимает микроволны.

Изменения диэлектрических свойств на поверхностях (например, усадочные полости, поры, включения посторонних 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. грамм. как B-сканирование (вид в разрезе) или как C-сканирование (вид сверху). Эти методы отображения заимствованы из ультразвукового контроля.

НИДИТ через пропускание изображения задней кромки лопасти ротора с искусственно распределенным клеем

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 постоянно 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 и затем оценивается для получения общего изображения. На это нужно время. Процедуры прямой визуализации выполняются быстрее: микроволновые версии либо электронные[6] или использовать планарный микроволновый детектор, состоящий из фольги, поглощающей микроволновое излучение, и инфракрасной камеры (процедура NIDIT[7]).

Датчик FSC для неразрушающего измерения толщины краски на углепластике, здесь, на пилотажном самолете

Приложения

Микроволновые испытания - полезный метод неразрушающего контроля диэлектрик материалы. Среди них есть пластмассы, пластик, армированный стекловолокном (GFRP), пластиковые пены, дерево, древесно-пластиковые композиты (ДПК), и большинство типов керамика. Могут быть обнаружены дефекты внутри ИУ и на его поверхности, например. грамм. в полуфабрикатах или трубы.

Специальные приложения микроволнового контроля неразрушающие

  • измерения влажности
  • измерения толщины стенок
  • измерения толщины краски на углеродные композиты (углепластик)
  • мониторинг состояния, e. грамм. наличие прокладок в собранных клапанах, трубопроводы на резиновой основе в теплообменниках[8]
  • измерение параметров материала, например диэлектрическая проницаемость и остаточный стресс
  • Обнаружение расслоения в усиленных бетонных элементах моста, модифицированных композитными ламинатами, армированными углеродным волокном (CFRP)[9]
  • обнаружение коррозии и точечной коррозии на окрашенных алюминиевых и стальных поверхностях[9]
  • дефектоскопия в напыляемой пеноизоляции и на теплоизоляционных плитах Space Shuttle.[9]

Микроволновые испытания используются во многих отраслях промышленности:

  • аэрокосмическая промышленность, e. грамм. неразрушающие измерения толщины краски на углепластике[10]
  • автомобильный, эл. грамм. НК компонентов из органо-листа и листовых рессор из стеклопластика[11]
  • гражданское строительство, e. грамм. радарные приложения[12]
  • энергоснабжение, например. испытание лопастей ротора ветроэнергетических установок, 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 это растущее значение, в 2011 г. Комитет экспертов по микроволновым и терагерцовым процедурам[14] Немецкого общества неразрушающего контроля (DGZfP) было основано в 2014 г. Комитет по микроволновому тестированию Американского общества неразрушающего контроля (ASNT). Работа по стандартизации находится в начале.

Рекомендации

  1. ^ «Методы на основе радаров с синтезированной апертурой и конструкция реконфигурируемой антенны для получения микроволновых изображений слоистых структур». Получено 2014-05-07.
  2. ^ Сумех М. Обработка сигналов радара с синтезированной апертурой. Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Wiley, 1999.
  3. ^ Бонд Э. Дж., Ли Х, Хагнесс С. К. и Ван Вин Б. Д. 2003. Микроволновая визуализация с помощью пространственно-временного формирования луча для раннего обнаружения рака груди. IEEE Trans. Антенны Propagat. 51 1690-705
  4. ^ G. Roqueta, L. Jofre и M. Feng, "Неразрушающая микроволновая оценка коррозии в железобетонных конструкциях", Proc. 5-е евро. Конференция по распространению антенн (EUCAP), апр. 11–15, 2011, с. 787–791.
  5. ^ «Примечание к применению от MVG / Satimo. 2 сентября 2017 г.».
  6. ^ а б «Безопасность с помощью технологий. Информация компании ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co. KG. 2 сентября 2017 г.» (PDF).
  7. ^ «Микроволновые испытания: обзор. Примечания по применению FIT-M. 2 сентября 2017 г.» (PDF).
  8. ^ «Входной и выходной трубопровод теплообменника на резиновой основе. Указания по применению от Evisive. 2 сентября 2017 г.» (PDF).
  9. ^ а б 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.
  10. ^ «Видео об измерении толщины краски на углепластике - Указание по применению FIT-M. 2 сентября 2017».
  11. ^ «Микроволновые испытания листовых рессор из стеклопластика - Рекомендации по применению от FIT-M. 2 сентября 2017 г.» (PDF).
  12. ^ "Christiane Maierhofer: Radaranwendungen im Bauwesen. In: ZfP-Zeitung 72, Dezember 2000, 43-50 www.ndt.net. 2 сентября 2017 г." (PDF).
  13. ^ «Отчет о сканировании секции гибкой вертикальной трубы - инструкция по применению от Evisive. 2 сентября 2017 г.» (PDF).
  14. ^ «Экспертный комитет MTHz DGZfP - 2 сентября 2017».

Литература

  • Джозеф Т. Кейс, Шант Кендериан: MWNDT - метод проверки. В: Оценка материалов, Март 2017 г., 339-346. (В этом документе есть много ссылок, касающихся микроволнового тестирования)
  • Реза Зоуги: СВЧ неразрушающий контроль и оценка Kluwer Academic Publishers, Дордрехт, 2000 г.
  • Н. Ида: СВЧ-неразрушающий контроль Springer Science & Business Media, Люксембург, 2012 г.

внешняя ссылка

  • [1] Микроволновое тестирование: обзор
  • [2] Неразрушающий контроль досок из WPC с использованием процедуры неионизирующего прямого изображения NIDIT
  • [3] Электронное микроволновое изображение с плоскими мультистатическими решетками