Imágenes por microondas

La obtención de imágenes por microondas es una ciencia que se ha desarrollado a partir de técnicas de detección y localización más antiguas (por ejemplo, el radar ) para evaluar objetos ocultos o incrustados en una estructura (o medio) utilizando ondas electromagnéticas (EM) en el régimen de microondas (es decir, ~300 MHz-300 GHz). ^{[1] La obtención de imágenes por microondas orientada a} la ingeniería y la aplicación para pruebas no destructivas se denomina prueba por microondas , consulte a continuación.

Las técnicas de obtención de imágenes por microondas se pueden clasificar como cuantitativas o cualitativas. Las técnicas de obtención de imágenes cuantitativas (también conocidas como métodos de dispersión inversa) proporcionan los parámetros eléctricos (es decir, la distribución de propiedades eléctricas y magnéticas) y geométricos (es decir, la forma, el tamaño y la ubicación) de un objeto representado mediante la resolución de un problema inverso no lineal. El problema inverso no lineal se convierte en un problema inverso lineal (es decir, Ax=b donde A y b son conocidos y x (o imagen) es desconocido) mediante el uso de aproximaciones de Born o de Born distorsionadas. A pesar 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 sea 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 hacia adelante que suelen consumir mucho tiempo. Por otro lado, los métodos de obtención de imágenes por microondas cualitativos calculan un perfil cualitativo (que se denomina función de reflectividad o imagen cualitativa) para representar el objeto oculto. Estas técnicas utilizan aproximaciones para simplificar el problema de obtención de imágenes y luego utilizan la retropropagación (también llamada inversión temporal, 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 de frecuencia-número de onda son algunos de los métodos de obtención de imágenes de microondas cualitativas más populares ^[1] .

En general, un sistema de obtención de imágenes por microondas se compone de componentes de hardware y software. El hardware recopila datos de la muestra en prueba. Una antena transmisora ​​envía ondas electromagnéticas hacia la muestra en prueba (por ejemplo, el cuerpo humano para la obtención de imágenes médicas). Si la muestra está hecha únicamente de material homogéneo y es de tamaño infinito, teóricamente no se reflejará ninguna onda electromagnética. 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 electromagnética. 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 por una antena receptora diferente en configuraciones biestáticas.

Para aumentar la resolución de rango cruzado del sistema de imágenes, se deben distribuir varias antenas sobre un área (que se llama área de muestreo) con un espaciamiento menor que la longitud de onda de operación. Sin embargo, el acoplamiento mutuo entre las antenas, que se colocan cerca una de otra, puede degradar la precisión de las señales recopiladas. Además, el sistema transmisor y receptor se volverá muy complejo. Para abordar estos problemas, se utiliza una sola antena de escaneo en lugar de varias antenas. En esta configuración, la antena escanea sobre toda el área de muestreo y los datos recopilados se mapean junto con sus coordenadas de posición de antena. De hecho, se produce una apertura sintética (virtual) al mover la antena (similar al principio del radar de apertura sintética ^[2] ). Más tarde, 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 imágenes de microondas se pueden clasificar como cuantitativas y cualitativas.

La obtención de imágenes por microondas se ha utilizado en diversas aplicaciones, tales como: pruebas y evaluaciones no destructivas (NDT&E, ver a continuación), imágenes médicas, detección de armas ocultas en puntos de control de seguridad, monitoreo de la salud estructural e imágenes a través de paredes.

La obtención de imágenes por microondas para aplicaciones médicas también está cobrando cada vez más interés. Las propiedades dieléctricas del tejido maligno cambian significativamente en comparación con las propiedades del tejido normal (por ejemplo, el tejido mamario). Esta diferencia se traduce en un contraste que puede detectarse mediante métodos de obtención de imágenes por microondas. Por ejemplo, hay varios grupos de investigación en todo el mundo que trabajan en el desarrollo de técnicas eficientes de obtención de imágenes por microondas para la detección temprana del cáncer de mama. ^[3]

El envejecimiento de las infraestructuras 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 Estados Unidos, el coste de reparación y mantenimiento debido a dicha corrosión es de unos 276.000 millones de dólares al año ^{[4] [3]} .

Recientemente, la obtención de imágenes por microondas ha demostrado tener un gran potencial para su uso en el control de la salud estructural. Las microondas de frecuencias más bajas (p. ej., <10 GHz) pueden atravesar fácilmente el hormigón y alcanzar objetos de interés, como las barras de refuerzo. Si hay óxido en las barras, dado que el óxido refleja menos ondas electromagnéticas 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 ]} La obtención de imágenes por microondas también se puede utilizar para detectar cualquier anomalía incrustada en el hormigón (p. ej., grietas o huecos de aire).

Estas aplicaciones de imágenes por microondas forman parte de los ensayos no destructivos (END) en ingeniería civil. A continuación se describe más sobre las imágenes por microondas en los ensayos no destructivos.

Las pruebas de microondas utilizan los fundamentos científicos de la obtención de imágenes por microondas para la inspección de piezas técnicas con microondas inocuas . Las pruebas de microondas son uno de los métodos de pruebas no destructivas (NDT). Se limitan a las pruebas de materiales dieléctricos, es decir, no conductores. Esto incluye plástico reforzado con fibra de vidrio (GRP, GFRP). ^[5] Las pruebas de microondas se pueden utilizar para inspeccionar componentes también en estado integrado, por ejemplo, juntas integradas no visibles en válvulas de plástico.

Las frecuencias de microondas se extienden desde 300 MHz hasta 300 GHz correspondientes a longitudes de onda entre 1 m y 1 mm. El tramo 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 a probar. En diferentes medios dieléctricos se propagan a diferente velocidad y en las superficies entre ellas 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 detectar defectos en el material, se mueve una sonda de prueba, colocada o a una distancia pequeña, sobre la superficie del dispositivo bajo prueba. Esto se puede hacer de forma manual o automática. ^[6] La sonda de prueba transmite y recibe microondas.

Los cambios en las propiedades dieléctricas de las superficies (por ejemplo, cavidades de contracción, poros, inclusión de material extraño o grietas) dentro del interior del dispositivo bajo prueba reflejan la microondas incidente y envían una parte de ella de regreso a la sonda de prueba, que actúa como transmisor y como receptor. ^{[7] [8]}

La evaluación electrónica de los datos permite visualizar los resultados, por ejemplo, como un B-scan (vista transversal) o como un C-scan (vista superior). Estos métodos de visualización se han adoptado de los ensayos ultrasónicos.

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 brinda información sobre la profundidad de un defecto dentro del DUT.

Las pruebas de microondas se pueden realizar con frecuencia constante ( CW ) o con frecuencia continuamente sintonizada ( FMCW ). La FMCW es ventajosa para determinar la profundidad de los defectos dentro del DUT.

Una sonda de prueba colocada sobre la superficie del DUT proporciona información sobre la distribución del material debajo del punto de contacto. Al moverse sobre la superficie del DUT punto por punto, se almacena mucha de esta información y luego se evalúa para dar una imagen general. Esto lleva tiempo. Los procedimientos de obtención de imágenes directas son más rápidos: las versiones de microondas son electrónicas ^[9] o utilizan un detector de microondas plano que consiste en una lámina absorbente de microondas y una cámara infrarroja (procedimiento NIDIT ^[10] ).

La prueba de microondas es un método NDT útil para materiales dieléctricos . Entre ellos se encuentran plásticos , plásticos reforzados con fibra de vidrio (GFRP) , espumas plásticas , madera , compuestos de madera y plástico (WPC) y la mayoría de los tipos de cerámica . Se pueden detectar defectos en el interior del DUT y en su superficie, por ejemplo, en productos semiacabados o tuberías .

Las aplicaciones especiales de las pruebas de microondas no son destructivas.

• mediciones de humedad
• mediciones de espesor de pared
• Mediciones del espesor de pintura en compuestos de carbono (CFRP)
• Monitoreo de condiciones, por ejemplo, presencia de juntas en válvulas ensambladas, tuberías a base de caucho en intercambiadores de calor ^[11]
• Medición de parámetros del material, por ejemplo, permitividad y tensión residual.
• Detección de desprendimientos en elementos de puentes de hormigón reforzados con láminas compuestas de fibra de carbono reforzada (CFRP) ^[12]
• Detección de corrosión y picaduras de precursores en sustratos de aluminio y acero pintados ^[12]
• Detección de fallas en el aislamiento de espuma en aerosol y en las placas térmicas del transbordador espacial. ^[12]

Las pruebas de microondas se utilizan en muchos sectores industriales:

• Aeroespacial, p. ej. mediciones no destructivas del espesor de pintura en CFRP ^[13]
• automóvil, p. ej., NDT de componentes de láminas orgánicas y de ballestas de PRFV ^[14]
• Ingeniería civil, por ejemplo, aplicaciones de radar ^[15]
• suministro de energía, p. ej. prueba de palas de rotor de plantas de energía eólica, tubería ascendente ^[16]
• Seguridad, por ejemplo, escáneres corporales en los aeropuertos ^[9]

En los últimos años, la necesidad de END ha aumentado en general y, especialmente, también en el caso de los materiales dieléctricos. Por este motivo y porque las técnicas de microondas se utilizan cada vez más en productos de consumo y, por lo tanto, se han vuelto mucho más baratas, los END con microondas están aumentando. En reconocimiento de esta creciente importancia, en 2011 se fundó el Comité de expertos para procedimientos de microondas y THz ^[17] de la Sociedad Alemana de Ensayos No Destructivos (DGZfP) y, en 2014, el Comité de Ensayos de Microondas de la Sociedad Americana de Ensayos No Destructivos (ASNT). El trabajo de estandarización está en sus inicios.

• Joseph T. Case, Shant Kenderian: MWNDT – An Inspection Method . En: Materials Evaluation , marzo de 2017, 339-346. (Este artículo contiene muchos enlaces relacionados con las pruebas de microondas)
• Reza Zoughi: Pruebas y evaluación no destructivas por microondas Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2000.
• N. Ida: Ensayos no destructivos con microondas Springer Science & Business Media, Luxemburgo, 2012

• [1] Pruebas de microondas: descripción general
• [2] Pruebas no destructivas de tablones de WPC utilizando el procedimiento NIDIT de imágenes directas no ionizantes
• [3] Imágenes electrónicas por microondas con matrices multiestáticas planas