Las imágenes por microondas son una ciencia que ha evolucionado 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 a aplicaciones para pruebas no destructivas se denominan pruebas de microondas , ver más abajo.
Las técnicas de imágenes por microondas se pueden clasificar en cuantitativas o cualitativas. Las técnicas de imágenes cuantitativas (también conocidas como métodos de dispersión inversa) proporcionan 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 A y b se conocen y x (o imagen) es desconocida) mediante el uso de aproximaciones de Born o de Born distorsionadas. A pesar de que se pueden invocar métodos directos de inversión de matrices 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 por solucionadores iterativos. Las técnicas de esta clase se denominan métodos iterativos directos y suelen consumir mucho tiempo. Por otro lado, los métodos cualitativos de imágenes por microondas 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 la obtención de imágenes y luego utilizan la 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 cualitativos de obtención de imágenes por microondas más populares [1] .
En general, un sistema 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, el cuerpo humano para imágenes médicas). Si la muestra está hecha únicamente 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 porción 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 por 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 (llamada área de muestreo) con una separación menor que la longitud de onda operativa. Sin embargo, el acoplamiento mutuo entre las antenas, que están colocadas cerca una de otra, puede degradar la precisión de las señales recogidas. Además, el sistema transmisor y receptor será muy complejo. Para solucionar estos problemas, se utiliza una única antena de exploración en lugar de varias antenas. En esta configuración, la antena escanea 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, a los que a veces se hace referencia como datos sin procesar, se introducen en el software para su procesamiento. Dependiendo del algoritmo de procesamiento aplicado, las técnicas de imágenes por microondas se pueden clasificar en cuantitativas y cualitativas.
Las imágenes por microondas se han utilizado en una variedad de aplicaciones, tales como: pruebas y evaluaciones no destructivas (END&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 paredes.
La obtención de imágenes por microondas para aplicaciones médicas también está 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 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 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 armaduras de acero es la principal causa de su deterioro. Sólo en EE.UU., el coste de reparación y mantenimiento debido a dicha corrosión es de unos 276 mil millones de dólares al año [4] [3] .
Recientemente, las imágenes de microondas han demostrado un gran potencial para su uso en el seguimiento 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 (rebars). Si hay óxido en la barra de refuerzo, dado que el óxido refleja menos ondas electromagnéticas en comparación con el metal sano, el método de imágenes por microondas puede distinguir entre barras de refuerzo con y sin óxido (o corrosión). [ cita necesaria ] Las imágenes por microondas también se pueden utilizar para detectar cualquier anomalía incrustada dentro del hormigón (p. ej., grietas o huecos de aire).
Estas aplicaciones de imágenes por microondas forman parte de las pruebas no destructivas (END) en ingeniería civil. A continuación se describe más información sobre imágenes de microondas en END.
Las pruebas de microondas utilizan los fundamentos científicos de las imágenes de microondas para la inspección de piezas técnicas con microondas inofensivas . Las pruebas de microondas son uno de los métodos de pruebas no destructivas (END). Está restringido a pruebas de material dieléctrico, es decir, material no conductor. 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 my 1 mm. También se denomina ondas milimétricas al tramo de 30 GHz a 300 GHz con longitudes de onda entre 10 mm y 1 mm . Los microondas están en el orden del tamaño de los componentes a probar. En diferentes medios dieléctricos se propagan con diferente rapidez y en las superficies entre ellos se reflejan. Otra parte se propaga más allá de la superficie. Cuanto mayor es la diferencia en la impedancia de la onda , mayor es la parte reflejada.
Para detectar defectos en el material, se mueve una sonda de prueba, fijada o a una pequeña distancia, 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 de las propiedades dieléctricas en las superficies (por ejemplo, cavidades de contracción, poros, inclusión de materiales extraños o grietas) dentro del interior del dispositivo bajo prueba reflejan las microondas incidentes y envían una parte de ellas de regreso a la sonda de prueba, que actúa como transmisor. y como receptor.
La evaluación electrónica de los datos conduce a una visualización de los resultados, p. ej. como escaneo B (vista transversal) o como escaneo C (vista superior). Estos métodos de visualización se adoptan a partir de pruebas ultrasónicas.
Además del método de reflexión, también es posible el método de transmisión directa, en el que se utilizan antenas de transmisión y recepción separadas. La parte posterior 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 continuamente sintonizada ( FMCW ). FMCW es ventajoso para determinar la profundidad de los defectos dentro del DUT.
Una sonda de prueba fijada a 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, mucha de esta información se almacena 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 [7] o utilizan un detector de microondas plano que consta de una lámina absorbente de microondas y una cámara de infrarrojos (procedimiento NIDIT [8] ).
Las pruebas de microondas son un método de END útil 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 . Se pueden detectar defectos en el interior del dispositivo bajo prueba y en su superficie, p. ej. en productos semiacabados o en tuberías .
Las aplicaciones especiales de las pruebas de microondas no son destructivas.
Las pruebas de microondas se utilizan en muchos sectores industriales:
En los últimos años ha aumentado la necesidad de END en general y especialmente también de materiales dieléctricos. Por esta razón y porque las técnicas de microondas se utilizan cada vez más en productos de consumo y por lo tanto son mucho menos costosas, los END con microondas aumentan. Reconociendo esta creciente importancia, en 2011 se fundó el Comité de expertos en procedimientos de microondas y THz [15] 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 normalización está en sus inicios.