微波检测技术的发展

    第二次世界大战以来,由于雷达的进步,微波技术发展很快,并渗透到检测诊断领域。1963年,美国首先使用微波法成功检测了“北极星”A3导弹固体火箭发动机玻璃钢壳体内部缺陷,从此发展了微波测厚等非电量测试、微波诊断检验和在线监控技术,显示了它作为质量和安全测控工具的生命力。这门以微波物理学、电子学和微波测量为基础的应用学科,能对各种适用材料构件和地质状况等进行非接触检测和监控。

    微波检测技术的研究内容是除微波能的加热干燥外的非通讯、非电量应用。微波检测的基本原理就是将微波作为传递信息的载体,研究微波与物质相互作用及其探测应用。

    微波检测技术发展很快,尤其是短程雷达和探地雷达的开发成功,越来越多地应用在非金属、复合材料、金属表面探测以及地面、湖底和地下矿藏透视等,并且日益渗透到航空、航天、船舶、兵器、核工业、冶金、石化、机械和电力等产业部门和医学卫生、气象预报、地下考古、科学研究以及国民经济需要的各个领域[1]。

1　基本原理

    微波检测技术由早期的微波探伤仪、微波显微镜到探地雷达,直至对目标进行成像和识别,其基本原理均是基于电磁波的介质特性与反射透射率之间的关系以及定位方程。

    设厚度为d的介质板放在两种半无限大媒质间,其中介质板与空气媒质的分界面为z=0的平面,介质板与媒质Ⅱ的分界面为z=d的平面(图1)。

    探地雷达又称地质雷达(简称GPR),是利用微波技术探测地下目标分布形态及特征的一种物理方法。按照微波频率的不同,探测深度可达几米到几十米。适用于目标体与周围环境介电特征参数差异大的场合。由电磁波在各结构层中的双程传播时间t和计算得到的速度v,从式(4)即可求出混凝土各结构层的厚度H[2]:

    式中c为电磁波在真空中的传播速度; c=0.3 m/ns;εr为各结构层相对介电常数;v为电磁波在各结构层中的传播速度。

探测各种地下目标,当波在地下介质中传播时,其路径、电磁场强度及波形随着所通过介质的介电性质及几何形态而变化。根据接收的雷达剖面,利用反射回波的双程走时、幅度和相位等信息,可对地下介质的结构进行描述,从而实现目标物的探测或工程质量的评价。最普遍的是使用渡越时间Δt。它和传播速度v及目标深度D有一定关系。探地雷达的检测原理见图2。当已知发射信号与接收信号的时间差Δt,以及电磁波在地下的传播速度v,则可用“时距法”算出反射物所处的深度D。反射信号的幅度与界面的反射系数、穿透介质对波的吸收程度、相对介电常数、导磁系数及电导率有关。通常测量介质中波速v的方法由公式(3)求得,或由求得,式中H为探测的深度,m;X为收发天线间距,m;t为雷达波在介质中的传播时间,ns。也可由共用中点(Common Mid-Point)法检测后得出波速[3]。