마이크로파 이미징

Microwave imaging

마이크로파 이미징은 전자파(즉, 300MHz-300GHz)에서 전자기파(EM)파를 이용하여 구조물(또는 매체)에 숨겨진 물체나 내장된 물체를 평가하기 위해 오래된 탐지/배치 기술(예: 레이더)에서 진화한 과학이다.[1] 비파괴 검사를 위한 엔지니어링 및 응용 프로그램 지향 마이크로파 영상을 마이크로파 검사라고 한다(아래 참조).

마이크로파 영상 기법은 양적 또는 질적으로 분류할 수 있다. 정량적 이미징 기법(역비산 방법이라고도 함)은 비선형 역 문제를 해결함으로써 이미징 대상의 전기적(즉, 전기적 및 자기적 특성 분포)과 기하학적 파라미터(즉, 형태, 크기 및 위치)를 제공한다. 비선형 역문제는 Born 또는 왜곡 Born 근사치를 사용하여 선형 역문제(즉, A와 b를 알고 x(또는 영상)를 알 수 없는 Ax=b)로 변환된다. 역전 문제를 해결하기 위해 직접 매트릭스 반전 방법을 호출할 수 있음에도 불구하고, 문제의 크기가 매우 클 때(즉, A가 매우 밀도가 높고 큰 매트릭스일 때) 이것은 매우 비용이 많이 들 것이다. 이 문제를 극복하기 위해, 직접적인 역전을 반복적인 해결사로 대체한다. 이 수업의 기술은 보통 시간이 많이 걸리는 전진 반복 방법이라고 불린다. 반면 질적 마이크로파 영상법은 숨겨진 대상을 나타내는 질적 프로파일(반사성 함수 또는 질적 영상이라고 한다)을 계산한다. 이러한 기법은 근사치를 사용하여 영상 문제를 단순화한 다음 백프로포메이션(시간 반전, 위상 보정 또는 백 마이그레이션이라고도 함)을 사용하여 알 수 없는 영상 프로파일을 재구성한다. 합성 애퍼처 레이더(SAR), 지상 침투 레이더(GPR), 주파수파수 이동 알고리즘은 대표적인 정성적 마이크로파 이미징 방법[1] 중 하나이다.

원칙

일반적으로 마이크로파 영상 시스템은 하드웨어와 소프트웨어 구성요소로 구성된다. 하드웨어는 시험 대상 샘플로부터 데이터를 수집한다. 송신 안테나는 전자파를 시험 중인 샘플(예: 의료 영상 촬영을 위한 인체) 쪽으로 보낸다. 표본이 동질성 물질로만 만들어지고 크기가 무한대인 경우 이론적으로 전자파가 반영되지 않는다. 주변 균질 매체와 비교하여 다른 특성(즉, 전기/자기)을 갖는 이상 징후는 전자파 일부를 반영할 수 있다. 이상 징후와 주변 매체의 특성 차이가 클수록 반사파는 강해진다. 이 반사는 단성계통의 동일한 안테나 또는 2성 구성의 다른 수신기 안테나에 의해 수집된다.

마이크로파 영상 시스템의 일반 보기. (http://hdl.handle.net/10355/41515)

영상 시스템의 단거리 분해능을 높이려면 작동 파장보다 간격이 작은 영역(샘플링 영역이라고 함)에 여러 안테나를 분산시켜야 한다. 그러나 안테나 간 상호 결합은 서로 가까이 위치하여 수집된 신호의 정확도를 떨어뜨릴 수 있다. 게다가 송신기와 수신기는 매우 복잡해질 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 여러 개의 안테나 대신 하나의 스캐닝 안테나가 사용된다. 이 구성에서 안테나는 전체 샘플링 영역을 스캔하고 수집된 데이터는 안테나 위치 좌표와 함께 매핑된다. 실제로 합성(가상) 조리개는 안테나(합성 조리개 레이더 원리와[2] 유사)를 이동시켜 만들어진다. 나중에, 때때로 원시 데이터라고 불리는 수집된 데이터를 소프트웨어로 공급하여 처리한다. 적용된 처리 알고리즘에 따라 마이크로파 이미징 기법은 양적, 질적으로 분류할 수 있다.

적용들

마이크로파 이미징은 비파괴 검사 및 평가(NDT&E, 아래 참조), 의료 영상, 보안 검사 지점에서의 은폐 무기 탐지, 구조 건강 모니터링, 전면 영상 등 다양한 용도로 사용되어 왔다.

의료용 전자레인지 영상 촬영도 관심의 대상이 되고 있다. 악성 조직의 유전체 성질은 정상 조직(예: 유방 조직)의 성질에 비해 크게 변화한다. 이 차이는 마이크로파 이미징 방법으로 감지할 수 있는 대비로 해석된다. 한 예로, 전 세계에는 유방암의 조기 발견을 위한 효율적인 마이크로파 영상 기술을 개발하기 위한 여러 연구 단체가 있다.[3]

마이크로파 이미징을 사용하여 생성된 부식된 철근의 3D 이미지, http://hdl.handle.net/10355/41515

인프라 노후화는 세계적으로 심각한 문제가 되고 있다. 예를 들어 철근 콘크리트 구조물의 경우 철근 보강재의 부식이 그 열화의 주요 원인이다. 이런 부식으로 인한 수리 및 유지관리 비용은 미국에서만 연간 약 2,760억 달러에 달한다.[4]

최근, 마이크로파 영상촬영은 구조 건강 모니터링에 사용될 수 있는 큰 가능성을 보여주었다. 저주파 마이크로파(예: <10GHz)는 콘크리트를 통해 쉽게 침투하여 철근(rebars)과 같은 관심 물체에 도달할 수 있다. 철근에 녹이 슬 경우 녹이 음속에 비해 전자파를 적게 반사하기 때문에 전자파 영상촬영법은 녹이 슬거나 부식되지 않은 철근과 구별할 수 있다.[citation needed] 마이크로파 이미징은 콘크리트 내부에 내재된 이상 징후(예: 균열 또는 공극)를 감지하는 데도 사용할 수 있다.

이러한 마이크로파 영상 애플리케이션은 토목 공학에서 비파괴(NDT) 테스트의 일부다. NDT의 마이크로파 이미징에 대한 자세한 내용은 다음에서 설명한다.

마이크로파 검사

마이크로파 테스트는 무해한 마이크로파가 있는 기술 부품의 검사를 위해 마이크로파 이미징의 과학적 기초를 사용한다. 마이크로파 검사는 비파괴검사(NDT) 방법 중 하나이다. 그것은 유전체, 즉 비전도성 물질의 시험으로 제한된다. 플라스틱 밸브에 내장된 비시각 개스킷과 같은 내장형 상태에서도 구성품을 검사하는 데 사용할 수 있다.

100 GHz에서 폼-GFRP 샌드위치 B-스캔. x = 120 mm의 표시는 DUT 표면의 약 20 mm 깊이에서 폼의 습기로 인해 발생한다. (Becker, Keil, Becker Photonik GmbH: Jahrestagung DGZfP 2017, Beitrag Mi3C2)

원리

GFRP 파이프 벽. C-스캔. 중간: 60mm 깊이, 24GHz의 결함 표시

마이크로파 주파수는 1m에서 1mm 사이의 파장에 해당하는 300MHz에서 300GHz까지 확장된다. 파장 10mm~1mm 사이인 30GHz ~ 300GHz 구간을 밀리미터파라고도 한다. 전자파는 시험할 구성 요소의 크기 순서로 되어 있다. 서로 다른 유전체 매체에서 그들은 다르게 빠르게 전파되고 그들 사이의 표면에서 그것들은 반사된다. 또 다른 부분은 표면 이상으로 전파된다. 파형 임피던스 차이가 클수록 반사된 부분이 크다.

재료 결함을 찾기 위해 시험 탐침을 부착하거나 작은 거리에 있는 시험 탐침을 시험 대상 장치의 표면 위로 이동시킨다. 이것은 수동으로 또는 자동으로 수행될 수 있다.[5] 시험 탐침은 전자파를 송수신한다.

시험 대상 기기 내부 내 표면(예: 수축 캐비티, 모공, 이물질 포함 또는 균열)의 유전체 특성 변화는 입사 전자파를 반영하여 그 일부를 송신기 및 수신기 역할을 하는 시험 프로브에 다시 보낸다.

전자 데이터 평가는 예를 들어 B-스캔(횡단면도) 또는 C-스캔(상단면도)으로 결과를 표시한다. 이러한 표시 방법은 초음파 시험에서 채택되었다.

인공적으로 분산된 접착제를 사용한 로터 블레이드 후행 에지의 전송 이미지를 통한 NIDIT

절차들

반사 방식 외에 별도의 송신·수신 안테나를 사용하는 관통 전송 방식도 가능하다. 시험 대상 장치의 뒷면(DUT)에 접근할 수 있어야 하며 방법은 DUT 내의 결함의 깊이에 대한 정보를 제공하지 않는다.

마이크로파 테스트는 일정한 주파수(CW) 또는 연속 조정 주파수(FMCW)로 가능하다. FMCW는 DUT 내의 결함의 깊이를 결정하는 데 유리하다.

DUT 표면에 부착된 시험 탐침은 접촉 지점 아래의 재료 분포에 대한 정보를 제공한다. DUT 표면 위를 점별로 이동할 때 많은 그러한 정보가 저장되었다가 평가되어 전체적인 이미지를 제공한다. 이것은 시간이 걸린다. 직접 영상 촬영 절차가 더 빠름: 마이크로파 버전은 전자파[6] 흡수 포일과 적외선 카메라(NIDIT 절차[7])로 구성된 평면 마이크로파 검출기를 사용한다.

게이지 FSC 요새 CFRP의 도장 두께 비파괴 측정, 여기 에어로바틱 항공기

적용들

마이크로파 테스트는 유전체에 유용한 NDT 방법이다. 그 중에는 플라스틱, 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP), 플라스틱 거품, 목재, 목재 플라스틱 복합 재료(WPC), 대부분의 종류의 도자기 등이 있다. DUT 내부와 표면의 결함은 반제품이나 파이프 등에서 감지할 수 있다.

마이크로파 테스트의 특수 적용은 비파괴적임

  • 수분 측정
  • 벽두께 측정
  • 탄소복합재(CFRP)의 도장두께 측정
  • 상태 모니터링(예: 조립된 밸브에 개스킷, 열 교환기의[8] 고무 기반 배관)
  • 재료 매개변수 측정(예: 허용률 및 잔류 응력)
  • 탄소섬유보강(CFRP) 복합 라미네이트로[9] 보강된 강화 콘크리트 부재의 이결합 검출
  • 도장 알루미늄 및 강철 기판에서[9] 부식 및 전구 피팅 감지
  • 스프레이 온 폼 단열재 및 스페이스 셔틀의 에이크레이지 열 타일의 결함 탐지.[9]

마이크로파 테스트는 많은 산업 분야에서 사용된다.

  • 항공우주, 예: CFRP에[10] 대한 비파괴 페인트 두께 측정
  • 자동차, 예: Organo 시트 구성 요소 및 GFRP 리프 스프링의[11] NDT
  • 토목 공학, 예: 레이더 응용[12]
  • 에너지 공급(예: 풍력 발전소의 로터 블레이드 시험, 라이저 파이프[13])
  • 보안, 예: 공항의[6] 차체 스캐너

지난 몇 년 동안 NDT에 대한 필요성은 일반적으로 증가했으며 특히 유전체 물질에 대해서도 증가했다. 이러한 이유로 마이크로파 기술이 점점 더 소비자 제품에 사용되고 이로 인해 전자파를 사용하는 NDT는 증가하게 된다. 이러한 중요성이 증가하고 있음을 인식하여, 2011년 독일 비파괴검사협회(DGZfP)의 전자레인지 및 THZ 절차[14] 전문가 위원회가 2014년 미국비파괴검사협회(ASNT)의 마이크로파 검사 위원회와 같이 설립되었다. 표준화 작업은 시작 단계에 있다.

참조

  1. ^ "Synthetic aperture radar-based techniques and reconfigurable antenna design for microwave imaging of layered structures". Retrieved 2014-05-07.
  2. ^ M. Soumekh, Synthetic Apropure Radar Signal Processing, 1ed. 뉴욕, 뉴욕, 미국: 와일리, 1999.
  3. ^ 유방암 IEEE 트랜스의 조기 발견을 위한 공간 빔포밍을 통한 본드 E J, Li X, Hagness S C, Van Veen B 2003 마이크로파 영상 촬영. 안테나 전파 51 1690-705
  4. ^ G. 로케타, L. 조프레, M. Feng, Proc. 5 Eur. "철근 콘크리트 구조물의 부식에 대한 마이크로웨이브 비파괴 평가" Conf.Antennas 전파(EUCAP), 2011년 4월 11~15일, 페이지 787~791.
  5. ^ "Application note from MVG/Satimo. 2 September 2017".
  6. ^ a b "Security through technology Information of ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co. KG. 2 September 2017" (PDF).
  7. ^ "Microwave Testing: an Overview. Application note of FIT-M. 2 September 2017" (PDF).
  8. ^ "Rubber-based heat exchanger inlet and outlet piping Application note from Evisive. 2 September 2017" (PDF).
  9. ^ a b c S. Harkovsky와 R. Zoughi, "미크로웨이브 및 밀리미터 파동 비파괴 시험 및 평가—개요 및 최근 진전" IEEE 인스트럼. 2007년 4월 10일자 Meas. Mag. 10권 26–38.
  10. ^ "Video about paint thickness measurement on CFRP - Application note of FIT-M. 2 September 2017".
  11. ^ "Microwave testing of GFRP leaf springs - Application note from FIT-M. 2 September 2017" (PDF).
  12. ^ "Christiane Maierhofer: Radaranwendungen im Bauwesen. In: ZfP-Zeitung 72, Dezember 2000, 43-50 www.ndt.net. 2 September 2017" (PDF).
  13. ^ "Scanning Report of Flexible Riser Pipe Section - Application note from Evisive. 2 September 2017" (PDF).
  14. ^ "Expert Committee MTHz of the DGZfP - 2 September 2017".

문학

  • Joseph T. Case, Shant Kenderian: MWNDT – 검사 방법. 인: 재료 평가, 2017년 3월 339-346. (본지에는 마이크로파 테스트에 관한 많은 링크가 수록되어 있다)
  • 레자 조우이: 마이크로파 비파괴검사 및 평가 클루워 학술 출판사, Dordrecht 2000.
  • N. Ida: 전자레인지 NDT 스프링어 과학 & 비즈니스 미디어, 룩셈부르크, 2012

외부 링크

  • [1] 마이크로파 테스트: 개요
  • [2] 비이온화 직접이미징 NIDIT 절차를 이용한 WPC 플랭크 비파괴시험
  • [3] 평면 다중 배열을 이용한 전자 마이크로파 영상 촬영