微波检测主要方法.docx

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1、第九章微波检测主要方法第一节微波检测方法分类微波检测方法分主动式和被动式两种，后者包括辐射计检测方法。主动式微波法如下:点频连续波穿透法穿透法扫频连续波穿透法脉冲调制波穿透法定向耦合器法点频连续波反射法扫频连续波反射法 频率调制波反射法脉冲调制波反射法时域反射法微波法;反射法魔，单探头双探头散射法一反向散射法点频驻波法 干涉法 频率塑料板f2反射信号,I i频率差！f2(b)*时间f2f时间f 延迟时间.！,时间wwwvwwm(c)图9.8微波频域反射测量法示意图（拙金属反射板时反射计装置及发射信波波形（梢金属反射板时射计计曩置及接信信号波形（c）塑料板时反射计装置及其信号波形图9.9微波调频

2、（FM）反射计及其影响曲线反射的深度可用脉冲调制入射波进行测定。当反射的时间延迟脉冲与入射脉冲在时间上 进行比较且微波在材料中的速度已知时，就能测定反射位置的深度。在频率与时间域两种调 制中，反射体的特征可以根据反射信号的强度测定。（三）相位检测系统反射法有两种形式：单天线与双天线系统。单天线系统，入射和反射波均沿着微波发生 器和天线间的波导传输，如图9.10（a）所示。相位检测器的设置用于比较相对于入射相位 的反射波相位。这就给出了两个输出信号，即在反射波中分别正比于同相和90移相的分量。 当垂直或近于垂直入射时，工作良好。双天线反射系统（图9.10（3）工作在适当反射的入 射角。这时反射天

3、线设备与用于穿透测量的是相同的。但在穿透测量中，反射波没有被利用。同相输出90相移输出(a)单天线反射系统(b)双天线反射系统图9.10用于微波测量的单天线和双天线反射系统图在材料表面，边界条件必需遵守。从第一表面反射的微波并不包含有关被测样件内部材 料不均匀性的任何信息。而来自内部的不连续或边界的较远的反射，当在表面折射时，它们 最终加在表面反射波上。如果受检部件背面有一层导电金属，微波从该金属面反射通过材料 两次，它也加在表面反射波上，提供有关材料内部的信息。1. 点频连续波反射微波信号从天线入射到材料，同一天线检测反射信号中同相和90相移两分量。实际上 往往只利用反射信号的幅度。双天线反

4、射技术(图9.10(b)亦能用在点频上。但它有两个 局限：首先，缺陷的深度不能被测定；其次，材料的频率响应不能被测定。因此，扫频技术 得到了更多的应用。2、扫频连续波反射材料与微波的相互作用对频率敏感。反射波以频率为函数，在扫频的情况下，通常采用 矢量网络分析仪的反射信号幅度。如果反射信号在非线性元件中与入射信号混合产生差分信号，用扫频技术就能测量深 度，即不仅可以测定内部反射体的存在，而且也能测定深度。当然，深度也能利用时间域反 射在矢量网络分析器上测量。此外，利用频率的慢扫描鉴别材料的几个小间隔的特殊层。四分之一波长偶数倍的反射 大于四分之一波长奇数倍的反射。通过识别反射信号特定频率辨认该

5、层所占空间是四分之一 波长的偶数整数倍或是奇数整数倍。例如，采用同样的效应，用以减小来自以介电层覆盖的 透镜的反射。三、微波散射法图9.11为微波散射法检测系统。一般散射计安装收、发传感器，可按接收信号强弱调 整角度，也可互相垂直。如图用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信 号，确定工件散射特性，以判断内部缺陷。若将材料内部气孔当作散射源，可根据微波工作 波长来确定其最小尺寸，即气孔半径。 1/k = X/2兀。若工件为蜂窝夹层结构，要发现半 径o=1.3mm的气孔，所用微波散射计的频率应高于35GHz，即工作波长应小于8.6mm才有 可能。转动台图9.11（a）装置图图9.1

6、1 （b）方框图图9.11微波散射法检测系统假如散射源是一个金属球或者介质球，在瑞利区，即波长较半径大得多时，则有a M ；若使用频率为100千兆赫，能够检测飞船外壳防热陶瓷片内部夹杂半径小于70 5兀微米，可见灵敏度相当高。此外，由于采用散射法检测，探头不加调节，所接收到气孔部位 的微波信号会下降，必须通过实验调整微波的接收和发射探头角度，使与试件表面法线形成 最佳夹角。对导电金属球，若远场散射截面为获则反向散射截面。（0），按下式计算：（0）9（2兀a丫I人J（9-3）（Ti） 9 （2兀a）6以J（9-4）由式（9-3）、（9-4）可知，反向散射比正向散射大约大一个数量级。对低耗介质球，

7、反向散射截面。（0）计算公式：b（0 ）人2兀（9-5）若在介质材料内部有球状气泡，则=1， r按式（9-5）可求出反向散射截面，并且这种散射显然要比金属球产生的散射小。四、微波干涉法（一）驻波干涉驻波干涉法检测系统如图9.12所示。图9.12驻波干涉法检测系统框图用驻波测量线（又称开槽线）测量驻波的幅度和相位的变化，信号源频率范围12.418 千兆赫，收发两用探头非接触地对着试件表面，被检测材料如有物理或化学变化，例如玻璃 纤维增强塑料内玻璃纤维与树脂比例的改变，以及该复合材料厚度的改变，就会分别发出不 同的改变信号。这样检测分层时，试件表面不规律，就会影响到扫描检测，经过改进之后， 就可以

8、从反射波变化“看到”材料内部第二层的脱粘，由此可见，这种方法对于非金属胶接 件的检测是很有用的。驻波的获得是由相同频率的两波在相反方向行进中相互干涉，结果是在空间形成驻波。 如果有一小天线置于空间的固定点，一稳定幅度和频率的电压即被测到。将天线移到其他位 置，将给出相同频率的稳幅电压。电压幅度图是沿纯驻波的位置（距离）的函数，见图9.13。一个天线用来产生入射波， 该入射波能与反射波干涉产生驻波。另一天线或探头用于沿驻波测量。如图9.10 （b）所示双天线系统既可用以形成驻波又能测量微波驻波。接收天线必1.050. 应响器测检0X/4入/23灯4入波长（入）须不受入射波干扰。单天 线通过循环电

9、路馈入也可 用来分别传输入射波与反 射波。图9.13电磁波幅度（检测器响应）与沿驻波距离曲线微波是相干波，它会产生干涉现象，产生驻波的条件是入射波和反射波频率相同， 方向相反。其特点是各点幅度为一定值，且呈现周期性的大小变化，相邻最大值（或最小值） 之间的距离等于1/2波长。如果入射波遇到良导体金属板，则发生全反射，这时合成波的波峰值是入射波和反射波波值之和，称为纯驻波。反射平面处形成芦的波节，H的波峰。它 们波节相距为1/4波长。这样金属表面反射系数为一1，即在界面上反射波与入射波幅度相 等，方向相反。当金属反射体长条形长度为半波长的整数倍时，反射性能最佳。如果入射波 碰到象塑料之类介质，除

10、一部分反射外，其余部分变成透射波，遇到不连续界面，又会被反 射，其量与波阻抗有关。由于缺陷大小不同，材料厚度不同，微波驻波波形发生移动，出现 不同的幅度和相位。空间的驻波图可以用来解释相邻介质的介质性能。当传输线终端接有复 阻抗负载即| 1时，同时存在着行波和驻波，这是最一般的行驻波状态。由于|1，反射波幅度小于入射波幅度，故合成波波腹不为入射波幅度的两倍，波节不为零。在波导内场强E随X而周期变化，连续地经过最大值和最小值，相邻的最大点和最小点间相隔四分之 一波导波长。如果已知驻波图的形状和位置，则可算出相应的反射系数的模数和相角。假设 由负载算起的最近的最小点距离是dmin= x-xmin，

11、则任意点反射系数的相角8= 2pdmin-K。当相移为4的介质置于波导中输出端短路时，在测量线上驻波最小点反射系数相角8 = pd = 2兀。式中，d和d分别为介质相角8和妒时的驻波最小刻度值。驻波比S等于场强幅度最大值和最小值之比，由S =min1 +r求得反射系数1 国的模p或反射系数可从求入射波场强与反射 波场强的比值得出。图9.14画出I r I值大小不同但 相位相同的驻波分布曲线的形状。 由此可见，驻波场强分布图形一般 不是正弦曲线，只有当I r 1=1，即全反射时，E的分布才具有正半图9.14不同IE值的驻波曲线形状周正弦曲线的形状。驻波最小点附近的变化一般要比在最大点附近尖锐。微

12、波驻波法主要被用来进行厚度的精密测量和分层缺陷检查。（二）微波全息1. 同轴全息微波全息技术也属于干涉检测范畴，这是一种与光学全息照相术相结合的方法。利用微 波能透过不透光介质的特性，可以摄取被检测物的微波全息图象。微波全息是在微波波段根 据波的干涉和衍射原理应用“波前再现”的成象技术。由于经过物体的波前包含着物体的信 息，因而完整地记录和保存波前（即把波的幅度和相位都保存下来）就能把物体的信息记录 和保存下来，波前再现就是恢复原物体的全部信息。单波束微波全息术是把微波源所产生的 微波能量，通过喇叭天线，向着物体所在的方向辐射出去，成为单一的波束。在记录平面处， 存在着二次波和一次波的干涉电场

13、，其中的一次波是微波中的非衍射部分，用检波器扫描这 个干涉电场，将检波器的输出信号放大后加在阴极射线管的z轴上进行亮度调制，这样就在 荧光屏上描绘出电场强度分布，把它记录在照相胶片上就得到了微波全息图。再用相干光去 照射全息图，在适当的光学系统下便可观察到物体的实像和虚像，这种技术也称为同轴全息 术，如图9.15所示试件微波全息图9.15单波束微波全息示意图2. 离轴全息如果把相干性很好的相干源分成两个波束，一束为物波，另一束为参考波，形成一定 角度，让两者在记录平面上相干涉，并把干涉图记录下来，这种技术称之为“离轴全息”。 记录微波干涉图形的方法有几种：（1）微波检测器组成二维列阵，将输出电

14、信号转换成光信号，再用照相记录。（2）扫描检测器代替二维列阵，在每个取样的位置通过输出信号放大后在阴极射线管 荧光屏上显示出来，并用照相记录。（3）如果物体是有规律运动的，也可以用合成孔径技术。（4）液晶显示。目前微波全息照相技术已成功地运用于全息雷达的照相上，全天候即使云雾极浓情况 下，也可以得到清晰细致的像。3. 全息照相全息照相图是参考波叠加在目标散射波上所形成的干涉条纹的记录。由于干涉是依靠 入射波和散射波间的相对幅度和相位，所以必须采用高相干波（相同频率与相同相位），且 在微波全息图的过程中必须用以保持相位关系的恒定。参考波被标志为E1，且假定其为平面波（相同频率，相同相位）。目标散

15、射波被标为E2， 则在X-J平面内干涉图形上任一点，其强度I （x，y）变化可描述为：1Q y)=E1+E 2 丫 E1+E22* E1 + E 2 + E1 E 2 + E1 E 2(9-6)、*、* 、式中，*指共轭复数。在照相记录中，最后两项，E1E2和E1 E2，因为它们是相对信号方 位项，只它们起到重建作用。|气|2和E2I2项则是重建中的零阶散射项。当干涉图被一个第三平面波E 3照射时，产生一个E 4调制波，它给出*(9-7)E 4 = E 3 E 1 E 2 + E 3 E 1 E 2*因为E 1和E3均为平面波，E 1 = E2，而乘积项E3 E 1和E3 E 1为恒量。此表明

16、目标散射、*波E2和它的共轭E2是被重建的，从而目标的虚像和实像得到重建。（1）同心圆绕射板全息图可以看成由很多干涉叠加同心圆绕射板组成的微波干涉图形。于是，无论是微 波频率或是光频率的全息照相都能变成为相对简单的衍射过程，也就是，不需要考虑相位、 调制、编码或其他一些常被作为了解全息图所提到的概念，就可以完全明白。首先，注意到 全息图和同心圆绕射板的类似性，再用全息图产生微波雷达同心圆绕射板。同心圆绕射板被 定义为阻塞波前的变换Fresnel区段的衍射屏。图9.16为一同心圆绕射板，在其中心元件带有一不透明的盘，开口的间隙允许通过加 在焦点f的能量。不透明的环阻止将在焦点产生干扰的能量。不透

17、明或阻塞波带可以被开口 间隙所代替，而同心绕射板将与图示的一种起同样的作用。同心圆绕射板还产生一组扩散的 波形，它对全息图非常重要。它为扩散波同心圆绕射板的设计步骤在 图9.16给出，圆的制作是以所 要求的焦点为圆心和相互间相差 为所设计的波长一半的一组值为 半径。这些圆的半径与同心圆绕 射板的平面相交。第一个圆半径 为f，第二个圆半径为（f +人/2）。给出从全息图得到的目标的三维视图。第二个圆与同心圆绕射板的相交 处即第一个透射环的开始。第一 透射环的终了即半径（f + 3人/ 2）f=3入f =2入f =3 灯2f=阻塞带图9.16具有不透明环作为中心元件的同心圆同心圆绕射板的交线标明第

18、一或中心的阻塞波带的终了。（2）光全息照相点光源的全息照相制作、重建绕射板开口间隙允许通过加在焦点上的能量，而不透明的环阻止将干扰该点的能量通过见图9.17。在图9.17（a）所示同心圆绕射板中，开口的的第三个环与同心圆绕射板的相 交处。第三个圆也是第一个不透 明带或阻塞带的开始，这一过程 以每一顺序的圆的半径较前一个 圆的半径增加人/2而继续延伸。 半径（f + 3N 2）的第一个圆与空隙只允许对构成有用的在焦点相加的能量通过;不透明环阻止干扰与破坏有用的焦点长度 的能量。在重建过程中，激光辐照全息图示于图9.170），衍射使得会聚波在焦点F形成光点的实像。在同心圆绕射板，衍射还形成发散波，

19、它对观察者产生光点位于共轭焦点尸。（见 图9.170）的虚像。发散光与来自针孔的光是很难区别的，而观察者将想像他看到了位于 照亮的同心圆绕射板（全息图）后面空间的第二光源。针孔球面波（a）制作重建波（观察到的波）（废弃）（b）重建图9.17盖伯全息照相示意图（3）微波全息照相微波在微波全息照相中类似于激光在光全息照相中，微波全息图可定义为照相记录了感 兴趣的微波与由其同一源产生的相干参考波之间的一组相干（相同频率与相位）干涉图形。这种方法至今仍被有效地应用。制作微波全息图的设备见图9.18。干涉图型通过照相扫查成为可见的。制作图形要求有 两组波。第一组是来自通过波导透镜方式的馈入喇叭的入射波；

20、第二组为参考波。上述两波 的设置，使在入射波和参考波组合的扫查平面上形成干涉图形。用配有小氖灯的小偶极子天 线扫查干涉板。被小偶极子拾取的信号是峰值检测，进而将该峰值检测信号放大加于氖灯上， 使其亮度随之变化。照相机设置时间曝光记录作为偶极子检测器的位置函数的氖灯亮度。形 成的照相是微波干涉图型（微波全息图）。放大器图9.18用照相扫查制作微波全息图的步骤五、微波涡流法利用入射的极化波、微波电桥或模式转换系统，测定散射、相位信号，可以探知金属 材料近表面裂缝。尤其用涡流测量小曲率半径的孔和区域。慢波装置除了最后一匝短路以外， 类似于螺旋天线或螺旋TWT。这一短路匝形成一短路空间传输线而没有屏蔽

21、。在这一检测 装置中，它的长度和直径是可以调节的，螺旋置于孔内，当最后一匝未短路时，它形成螺旋 谐振器；或者当螺旋被短路时形成一螺旋的延迟线。当采用螺旋天线时，幅度和相位信息可 由测量与腐蚀敏感的表面阻抗获得。多个并联的螺旋探头可以测量多个孔的大小。慢波螺旋可以制成柔性的，以适应工件特定的构形，便于测量小曲率半径的区域，在 工件表面扫查。再通过标定将表面阻抗与被检表面的腐蚀建立相应关系。在任何情况下，微波信号传送不是用螺旋形导线就是用圆形或矩形截面的空心管，前 者在螺旋的内部和外部均很灵敏；后者通过管内的孔或槽也能使其对表面阻抗灵敏。所以， 为了满足飞机不同形状部件表面阻抗测量的需要，可以使用

22、许多不同配置的涡流方法进行有 效监测。六、微波层析法微波计算机辅助断层成像技术简称MCT。这是微波检测很有发展前途的技术。所谓断 层成像技术是指在不破坏物体的前提条件下，根据在物体外部获取的某种物理量的一维投 影，重建物体特定断面上的无重叠二维图像，如此依次获得相继的一系列二维图像后，即可 进而构成三维图像。断层法具有下述特点：当测量某一断层时，仅仅是某一薄层的物理量被运用来重建横 断面的图像，而无其他截面上产生的投影的叠加，它生成的是取代图像，而不是从一般的三 维物体生成二维的叠加图像，它可清晰地辨别衰减量上微小的差异。重建后得到的图像是以 数字信号的形式存在的，因而便于进一步进行图像处理的

23、定量评估。另外，微波在不同材料 中传输的衰减系数、相位常数、色散特性以及极化状态的改变是可区别的，多参量的综合测图9.19传输微波CT原理简图微波射束沿直线传播，且满足试通常要比单参量能提供更多的信息。微波CT系统由微波功率源、 检测器、接收装置、计算机及图 像处理与显示单元组成。从检测 器测得微波参量的一维变化称为 一维投影，然后发射天线阵和检 测器同时平移（或旋转一个角度） 测得另一处的一维投影，依次测 得许多不同点的一维投影后，借 助计算机就可以得到所需断面上 的图像。一种传输型微波CT的 原理见图9.19。设发射信号F 4 ），接收信号FsRP0,中）=j f G, y）ds，式中f

24、G, y）为被检测材料内部衰减系数，积分是沿着射束传播方向进行的，则(9-8)P（y）=j B（a - a x = 2（a - a R2 - y 2 式中，P（y）为随y变化的半椭圆。采用传输型CT对低反差介质成像是适宜的，从重建图像中可以清楚辨认目标的位置， 用7.2cm（4.2GHz）的微波射束在水下能达到优于8mm的分辨率；其反差介质的重建图像 可提供目标存在及相对位置的信息，对于发现非金属夹杂是有价值的。由于微波具有波动性，所以微波CT比射线CT的几何成像理论更加复杂。例如衍射型 CT就是建立在波动方程近似求解的基础上的。被测物可以看作是一种特征参量随空间变化 的媒质，对描述波束穿过这

25、种非均匀媒质传播情况的波动方程求解，找到置于被测物处的接 收天线所接收到的信号和微波参量的关系，就可以进行图像重建。在空间域图像重建的的方法有求和法、叠加法和解析法三种类型。其中解析法又分为 二维傅里叶变换重建法，滤波一反投影法和卷积一反投影法等。目前用得最广泛的是卷积一 反投影法。因为这种方法重建图像质量好，计算量也小，利用投影与滤波（核）函数作卷积， 得到卷积后的投影，相当于进行空间滤波，去掉模糊，然后再进行反投影，就可获得较好的 图像重建结果。微波CT的分辨率：传输型高于一个波长，反射型高于二分之一到四分之一波长。最佳 频率范围是118GHz，虽然频率高分辨率也高，但频率过高，材料对频率吸收也增大。一 般来说，大的天线孔径，宽的频带可以获得高的横向分辨率；强的微波信号可以获得高的纵 向分辨率。