La obtención de imágenes por microondas es una ciencia que se ha desarrollado a partir de técnicas de detección / localización más antiguas (p. Ej., Radar ) para evaluar objetos ocultos o incrustados en una estructura (o medio) utilizando ondas electromagnéticas (EM) en régimen de microondas (es decir, ~ 300 MHz). -300 GHz). [1] Las imágenes de microondas orientadas a la ingeniería y la aplicación para pruebas no destructivas se denominan pruebas de microondas , ver más abajo.
Las técnicas de formación de imágenes por microondas se pueden clasificar en cuantitativas o cualitativas. Las técnicas de imágenes cuantitativas (también conocidas como métodos de dispersión inversa) dan los parámetros eléctricos (es decir, distribución de propiedades eléctricas y magnéticas) y geométricos (es decir, forma, tamaño y ubicación) de un objeto fotografiado resolviendo un problema inverso no lineal. El problema inverso no lineal se convierte en un problema inverso lineal (es decir, Ax = b donde se conocen A y b y se desconoce x (o la imagen)) mediante el uso de aproximaciones de Born o de Born distorsionadas. A pesar del hecho de que se pueden invocar métodos de inversión de matriz directa para resolver el problema de inversión, esto será muy costoso cuando el tamaño del problema es tan grande (es decir, cuando A es una matriz muy densa y grande). Para superar este problema, la inversión directa se reemplaza con solucionadores iterativos. Las técnicas de esta clase se denominan métodos iterativos directos que suelen consumir mucho tiempo. Por otro lado, los métodos de imágenes cualitativas de microondas calculan un perfil cualitativo (que se denomina función de reflectividad o imagen cualitativa) para representar el objeto oculto. Estas técnicas usan aproximaciones para simplificar el problema de la imagen y luego usan propagación hacia atrás (también llamada inversión de tiempo, compensación de fase o migración hacia atrás) para reconstruir el perfil de imagen desconocido.El radar de apertura sintética (SAR), el radar de penetración terrestre (GPR) y el algoritmo de migración del número de ondas de frecuencia son algunos de los métodos de obtención de imágenes de microondas cualitativas más populares [1] .
Principios
En general, un sistema de formación de imágenes por microondas se compone de componentes de hardware y software. El hardware recopila datos de la muestra bajo prueba. Una antena transmisora envía ondas EM hacia la muestra bajo prueba (por ejemplo, cuerpo humano para imágenes médicas). Si la muestra está hecha solo de material homogéneo y tiene un tamaño infinito, teóricamente no se reflejará ninguna onda EM. La introducción de cualquier anomalía que tenga propiedades diferentes (es decir, eléctricas / magnéticas) en comparación con el medio homogéneo circundante puede reflejar una parte de la onda EM. Cuanto mayor sea la diferencia entre las propiedades de la anomalía y el medio circundante, más fuerte será la onda reflejada. Esta reflexión es recogida por la misma antena en un sistema monoestático, o una antena receptora diferente en configuraciones biestáticas.
Para aumentar la resolución de rango cruzado del sistema de imágenes, se deben distribuir varias antenas en un área (que se denomina área de muestreo) con un espaciado menor que la longitud de onda operativa. Sin embargo, el acoplamiento mutuo entre las antenas, que se colocan cerca una de la otra, puede degradar la precisión de las señales recopiladas. Además, el sistema de transmisor y receptor se volverá muy complejo. Para abordar estos problemas, se utiliza una única antena de exploración en lugar de varias antenas. En esta configuración, la antena explora toda el área de muestreo y los datos recopilados se mapean junto con las coordenadas de posición de la antena. De hecho, se produce una apertura sintética (virtual) moviendo la antena (similar al principio del radar de apertura sintética [2] ). Posteriormente, los datos recopilados, que a veces se denominan datos brutos, se introducen en el software para su procesamiento. Dependiendo del algoritmo de procesamiento aplicado, las técnicas de obtención de imágenes por microondas se pueden clasificar como cuantitativas y cualitativas.
Aplicaciones
Las imágenes de microondas se han utilizado en una variedad de aplicaciones, tales como: pruebas y evaluación no destructivas (NDT & E, ver más abajo), imágenes médicas, detección de armas ocultas en puntos de control de seguridad, monitoreo de salud estructural e imágenes a través de la pared.
Las imágenes por microondas para aplicaciones médicas también están adquiriendo mayor interés. Las propiedades dieléctricas del tejido maligno cambian significativamente en comparación con las propiedades del tejido normal (p. Ej., Tejido mamario). Esta diferencia se traduce en un contraste que puede detectarse mediante métodos de formación de imágenes por microondas. Como ejemplo, hay varios grupos de investigación en todo el mundo que trabajan en el desarrollo de técnicas eficientes de imágenes por microondas para la detección temprana del cáncer de mama. [3]
El envejecimiento de la infraestructura se está convirtiendo en un problema grave en todo el mundo. Por ejemplo, en las estructuras de hormigón armado, la corrosión de sus refuerzos de acero es la principal causa de su deterioro. Solo en EE. UU., El costo de reparación y mantenimiento debido a dicha corrosión es de aproximadamente $ 276 mil millones por año, [4] [3] .
Recientemente, las imágenes de microondas han mostrado un gran potencial para ser utilizadas para el monitoreo de la salud estructural. Las microondas de baja frecuencia (p. Ej., <10 GHz) pueden penetrar fácilmente a través del hormigón y alcanzar objetos de interés como barras de refuerzo (barras de refuerzo). Si hay algún óxido en la barra de refuerzo, ya que el óxido refleja menos ondas EM en comparación con el metal sano, el método de obtención de imágenes por microondas puede distinguir entre barras de refuerzo con y sin óxido (o corrosión). [ cita requerida ] Las imágenes de microondas también se pueden usar para detectar cualquier anomalía incrustada dentro del concreto (por ejemplo, grietas o vacíos de aire).
Estas aplicaciones de imágenes de microondas son parte de las pruebas no destructivas (NDT) en ingeniería civil. A continuación, se describe más sobre imágenes de microondas en NDT.
Prueba de microondas
Las pruebas de microondas utilizan los fundamentos científicos de las imágenes de microondas para la inspección de piezas técnicas con microondas inocuas . La prueba de microondas es uno de los métodos de prueba no destructiva (NDT). Está restringido a pruebas de material dieléctrico, es decir, no conductor. Se puede utilizar para inspeccionar componentes también en un estado integrado, por ejemplo, juntas no visibles integradas en válvulas de plástico.
Principio
Las frecuencias de microondas se extienden desde 300 MHz a 300 GHz correspondientes a longitudes de onda entre 1 my 1 mm. La sección de 30 GHz a 300 GHz con longitudes de onda entre 10 mm y 1 mm también se denomina ondas milimétricas . Las microondas están en el orden del tamaño de los componentes que se van a probar. En diferentes medios dieléctricos se propagan de manera diferente rápidamente y en las superficies entre ellos se reflejan. Otra parte se propaga más allá de la superficie. Cuanto mayor sea la diferencia en la impedancia de onda , mayor será la parte reflejada.
Para encontrar defectos de material, una sonda de prueba, adjunta o en una pequeña distancia, se mueve sobre la superficie del dispositivo bajo prueba. Esto se puede hacer de forma manual o automática. [5] La sonda de prueba transmite y recibe microondas.
Los cambios de las propiedades dieléctricas en las superficies (por ejemplo, cavidades de contracción, poros, inclusión de material extraño o grietas) dentro del interior del dispositivo bajo prueba reflejan el microondas incidente y envían una parte de él a la sonda de prueba, que actúa como transmisor. y como receptor.
La evaluación de datos electrónicos conduce a una visualización de los resultados, por ejemplo, como un B-scan (vista en sección transversal) o como un C-scan (vista superior). Estos métodos de visualización se han adoptado a partir de pruebas ultrasónicas.
Procedimientos
Además del método de reflexión, también es posible el método de transmisión directa, en el que se utilizan antenas de transmisión y recepción independientes. La parte trasera del dispositivo bajo prueba (DUT) debe ser accesible y el método no proporciona información sobre la profundidad de un defecto dentro del DUT.
Las pruebas de microondas son posibles con frecuencia constante ( CW ) o con frecuencia sintonizada continuamente ( FMCW ). FMCW es ventajoso para determinar la profundidad de los defectos dentro del DUT.
Una sonda de prueba unida a la superficie del DUT brinda información sobre la distribución del material debajo del punto de contacto. Cuando se mueve sobre la superficie del dispositivo bajo prueba punto por punto, se almacena mucha de esa información y luego se evalúa para obtener una imagen general. Esto lleva tiempo. Los procedimientos de obtención de imágenes directas son más rápidos: las versiones de microondas son electrónicas [6] o utilizan un detector plano de microondas que consta de una lámina absorbente de microondas y una cámara de infrarrojos (procedimiento NIDIT [7] ).
Aplicaciones
La prueba de microondas es un método útil de END para materiales dieléctricos . Entre ellos se encuentran los plásticos , los plásticos reforzados con fibra de vidrio (GFRP) , las espumas plásticas , la madera , los compuestos de madera y plástico (WPC) y la mayoría de los tipos de cerámica . Los defectos en el interior del dispositivo bajo prueba y en su superficie pueden detectarse, por ejemplo, en productos semiacabados o tuberías .
Las aplicaciones especiales de las pruebas de microondas no son destructivas.
- medidas de humedad
- medidas de espesor de pared
- mediciones de espesor de pintura sobre compuestos de carbono (CFRP)
- control del estado, por ejemplo, presencia de juntas en válvulas ensambladas, tuberías a base de caucho en intercambiadores de calor [8]
- medición de los parámetros del material, por ejemplo, permitividad y tensión residual
- detección de desprendimiento en elementos de puentes de hormigón reforzado adaptados con laminados compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP) [9]
- detección de corrosión y picaduras de precursores en sustratos de acero y aluminio pintado [9]
- detección de fallas en el aislamiento de espuma en aerosol y las tejas térmicas de superficie del transbordador espacial. [9]
Las pruebas de microondas se utilizan en muchos sectores industriales:
- aeroespacial, por ejemplo, mediciones de espesor de pintura no destructivas en CFRP [10]
- automóvil, p. ej. END de componentes de láminas orgánicas y de ballestas de PRFV [11]
- ingeniería civil, p. ej. aplicaciones de radar [12]
- suministro de energía, p. ej. prueba de palas de rotor de centrales eólicas, tubería ascendente [13]
- seguridad, p. ej. escáner corporal en aeropuertos [6]
En los últimos años, la necesidad de END ha aumentado en general y especialmente también para los materiales dieléctricos. Por esta razón y debido a que las técnicas de microondas se utilizan cada vez más en productos de consumo y, por lo tanto, se vuelven mucho menos costosas, aumenta el NDT con microondas. En reconocimiento de esta importancia creciente, en 2011 se fundó el Comité de expertos para procedimientos de microondas y THz [14] de la Sociedad Alemana de Ensayos No Destructivos (DGZfP) como en 2014 el Comité de Ensayos de Microondas de la Sociedad Estadounidense de Ensayos No Destructivos ( ASNT). El trabajo de normalización está al principio.
Referencias
- ^ "Técnicas basadas en radar de apertura sintética y diseño de antena reconfigurable para imágenes de microondas de estructuras en capas" . Consultado el 7 de mayo de 2014 .
- ^ M. Soumekh, Procesamiento de señales de radar de apertura sintética, 1ª ed. Nueva York, NY, EE.UU .: Wiley, 1999.
- ^ Bond EJ, Li X, Hagness SC y Van Veen BD 2003 Imágenes de microondas a través de la formación de haces de espacio-tiempo para la detección temprana del cáncer de mama IEEE Trans. Propagat de antenas. 51 1690-705
- ^ G. Roqueta, L. Jofre y M. Feng, "Evaluación no destructiva por microondas de la corrosión en estructuras de hormigón armado", en Proc. 5º Eur. Propagación de Antenas Conf. (EUCAP), abril. 11-15, 2011, págs. 787-791.
- ^ "Nota de aplicación de MVG / Satimo. 2 de septiembre de 2017" .
- ^ a b "Seguridad a través de la información tecnológica de ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co. KG. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ "Pruebas de microondas: una descripción general. Nota de aplicación de FIT-M. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ "Tubería de entrada y salida del intercambiador de calor a base de caucho Nota de aplicación de Evisive. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ a b c S. Kharkovsky y R. Zoughi, "Pruebas y evaluación no destructivas de microondas y ondas milimétricas: descripción general y avances recientes", IEEE Instrum. Meas. Mag., Vol. 10, págs. 26–38, abril de 2007.
- ^ "Video sobre medición de espesores de pintura en CFRP - Nota de aplicación de FIT-M. 2 de septiembre de 2017" .
- ^ "Prueba de microondas de ballestas de PRFV - Nota de aplicación de FIT-M. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ "Christiane Maierhofer: Radaranwendungen im Bauwesen. En: ZfP-Zeitung 72, diciembre de 2000, 43-50 www.ndt.net. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ "Informe de escaneo de la sección de tubería vertical flexible: nota de aplicación de Evisive. 2 de septiembre de 2017" (PDF) .
- ^ "Comité de Expertos MTHz de la DGZfP - 2 de septiembre de 2017" .
Literatura
- Joseph T. Case, Shant Kenderian: MWNDT - Un método de inspección . En: Evaluación de materiales , marzo de 2017, 339-346. (Este documento contiene muchos enlaces relacionados con las pruebas de microondas)
- Reza Zoughi: Evaluación y pruebas no destructivas de microondas Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2000.
- N. Ida: Microondas NDT Springer Science & Business Media, Luxemburgo, 2012
enlaces externos
- [1] Prueba de microondas: descripción general
- [2] Prueba no destructiva de los tablones de WPC utilizando el procedimiento NIDIT de imágenes directas no ionizantes
- [3] Imágenes electrónicas de microondas con matrices multiestáticas planas