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微波检测主要方法
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：
各类微波检测方法如表9.1。
该表对各种物理现象和用途进行了比较。
辐射计方法在被动式检测中具有广泛的应用。
在主动式检测中，特别是利用透射材料的微波在介质内部的衰减、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改变，测定多个方向的投影值，并将它与滤波（核）函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像的方法，检查非金属材料及其复合结构件断层剖面质量和加速器粒子束或等离子体的状态，用于射电天文，电磁探矿和地层分布测绘等。
反映物体内不同部位的大小形态、成份及其变化过程。
这是今后重点发展的方向。
表9.1各类微波检测方法的物理现象和用途
方法
物理现象
用途
穿透法
在材料内传输的微波，依照材料内部状态和介质特性不同而相应发生透射、散射和部分反射等变化
测厚、密度、湿度、介电常数、固化度、热老化度、化学成分、混合物含量、纤维含量、气孔含量、夹杂以及聚合、氧化、酯化、蒸馏、硫分的测量
反射法
由材料表面和内部反射的微波，其幅度、相位或频率随表面或内部状态（介质特性）而相应变化
检测各类玻璃钢材料，宇航防热用铝基厚聚氨脂泡沫、胶接工件等的裂纹、脱粘、分层、气孔、夹杂、疏松；测定金属板材、带材表面的裂纹，划痕深度；测厚，测位移距离，方位以及测湿、测密度、测混合物含量
散射法
贯穿材料的微波随材料内部散射中心（气孔、夹杂、空洞）而随机地发生散射、
检测气孔、夹杂、空洞、裂纹
干涉法
两个或两个以上微波波束同时以相同或相反方向传播，彼此产生干涉，监视驻波相位或幅度变化，或建立微波全息图象
检测不连续性缺陷（如分层、脱粘、裂缝），图像显示
涡流法
利用入射极化波、微波电桥或模式转换系统，测定散射、相位信号，探知裂缝
检测金属表面裂缝，其深度取决于频率和传播微波的模式
层析法
利用透射材料的微波在介质内部的衰减、反射、衍射、色散、相速等物理特性的改变，测定多个方向的投影值，并将它与核函数卷积，再进行反投影，用计算机重建图像
检查非金属材料及其复合结构件断层剖面质量和加速器粒子束或等离子体的状态，用于射电天文，电磁探矿和地层分布测绘等。
反映物体内不同部位的大小形态、成份及其变化过程
图9.1为常用微波传感器布置。
材才料
收发器
材料
（a）单传感器反射方法
发射器
接收器
材
料
（b）穿透方法
图9.1常用微波传感器布置图
材料
发射器
接收器
（d）正交放置散射法
接收器
材料
发射器
（c）收发分置反射法
第二节微波检测主要方法
一、微波穿透法
（一）系统
微波穿透（或称传输）法检测系统如图9.1（a）所示。
微波信号源用来产生等幅连续波，扫频波和脉冲调制波。
当被测材料对微波有吸收时，比如含有水分，透射波随传输距离增大而衰减。
在检测前，应把系统中指示器灵敏度放在最小位置，以免过载而损坏。
如果系统阻抗不均匀，可采用阻抗过渡办法得到匹配。
根据幅度、相位的变化反映材料内部状况这一特点，就可进行材料物理和化学变化的测定。
图9.2微波穿透检测系统
微波信号源
检波器
隔离器
衰减器
指示器
20dB
定向耦合器
检波器
指示器
试件
（a）
发射探头
接收探头
微波信号源
试件
相位比较器
发射探头
接收探头
90相移
输出
同相
输出
（b）
从接收喇叭探头取得的微波信号可以直接和微波信号源的信号比较幅度和相位。
如图9.2（b）所示。
在此参考信号取
，则接收信号
式中,
为正交分量（也称90º相移分量）；
为同相分量。
（二）分类
穿透法（传输法）有三种：
点频连续波法、扫频连续波法、脉冲调制波法。
1．点频连续波穿透法
微波发生器的频率是稳定的，且是窄带的；或者是所要求的频带宽度内材料性质随频率改变非常小，从而对频率并非特别敏感。
点频连续波传输的两种分量（同相和90º相移）都能检测，且相互干扰很小。
用穿透法检测玻璃钢或非金属胶接件缺陷，也主要是监视接收微波束相位或幅度的变化。
为改善微波辐射波束，可采用介质透镜，以保证波束横截面窄小，提高分辨率。
下面举三个实例说明：
（1）甲基丙烯酸甲酯材料在厚度36毫米的平板试样中，平行于表面钻5个直径为2毫米（相应于材料内波长
）的直孔，它们距表面分别为5、10、15、20、25mm（电场强度矢量方向平行于钻孔方向），扫描试样检测结果如图9.3所示。
曲线下凹部分就是缺陷信号。
实线表示收发探头都用开口波导的结果；虚线表示接收用开口波导，发射用喇叭加透镜的结果。
随着小孔到接收探头距离的减小，缺陷信号幅度增大，曲线宽度减小（曲线更加尖锐）。
对位于中间的小孔，曲线宽度减小，旁瓣数增加。
（2）聚氯乙烯材料在平板试样中刻有不同宽度b和深度t的矩形槽，其截面积bt
为4
，如图9.4所示。
图中实线和虚线的意义同
（1）所述，比较两者可以发现当槽宽b≥6mm时，缺陷信号幅度大小与缺陷深度大小成正比。
（3）聚氯乙烯材料在平板试样中钻不同直径和深度的圆孔，其容积等于15.7
。
平底孔中心轴与微波波束轴线平行。
图9.5平底孔的直径对缺陷信号的宽度影响较小，在0.2~2.2mm整个范围内孔深与缺陷信号幅度也成比例。
图9.3钻孔信号比较
050100150200
1.0
0.5
距离（mm）
信号幅度（µV）
1.0
0.5
0
r
d
发射
接收
1.0
0.5
0
050100150200250
1.0
0.5
距离（mm）
图9.5相同容积平底孔信号曲线（聚氯乙烯板厚22毫米）
信号幅度（µV）
图9.6为另一种微波穿透法检测系统。
标准信号源
调制器
隔离器
介电试验材料
频率计
可变衰减器
检波器
交流电压表
接收喇叭
发射喇叭
隔离器
终端器
标准信号源
隔离器
可变移相器
调制器
发射喇叭
检波器
可变衰减器
接收喇叭
分流器
隔离器
交流电压表
魔T（180º
混合T接头）
隔离器
可变衰减器1
介电材料
选通滤波器
（a）一般方式
（b）魔T方式
图9.6另一种微波穿透法检测系统
2．扫频连续波穿透法
某些微波相互作用的频率是敏感的，在这时它们的谐振频率随材料性质的改变而改变。
在必须应用的实际频带的范围内，响应为频率的函数。
点频微波发生器代之以其频率被预先编程能自动变化的扫频频率微波发生器，现行电子自动扫频可以一倍频程或更宽的频带（例如1~2GHz）工作。
低噪声、高增益、宽带放大器还能测定通过具有很高衰减材料的穿透传输信号。
已有从100kHz到4GHz或10MHz到40GHz的多倍程发生器。
矢量网络分析器提供了宽带的幅度和相位。
3．脉冲调制穿透法
穿透传输波能实现相位测量，但只相对参考波而言。
当要求测量传输时间时，就要应用脉冲调制技术。
为调制脉冲，在微波发生器内应有选通或关闭功能。
在接收器内的相敏检测器（相位比较器）通常被峰值检测器所取代。
因此，接收器输出由相对于发送脉冲有一定时间延迟的若干脉冲组成。
扫频频率测量给出了群延迟信息。
矢量网络的分析时间域特征也可以有效地应用。
二、微波反射法
（一）点频连续波反射法
（a）单路定向耦合反射计
调制器
试件
隔离器
频率计
可变衰减器
检波器
交流电压表
收﹑发喇叭
隔离器
定向
耦合器
标准信号源
微波
信号源
隔离器
可变衰减器
20dB定向耦合器
直流电表
检波器
直流电表
检波器
喇叭天线
（反射）
（入射）
试件
（b）双路定向耦合反射计
终端器
标准信号源
调制器
检波器
可变相移器
魔T（180º
混合T接头）
隔离器
可变衰减器1
定向耦合器
试件
收﹑发喇叭
（c）单喇叭魔T反射仪
分流器
选通滤波器
交流电压表
微波源
隔离器
衰减器
相移器
检波器
试件
示波器
（用于扫频波）
（d）双喇叭魔T反射计
衰减器
相移器
1
EH
2
图形记录仪
（用于连续波）
魔T（180
混合T接头）
试件
标准信号源
可调（滑动）短路器
收、发喇叭
交流电压表
可变衰减器1
可变衰减器2
（e）相敏魔T反射计
检波器
微波反射法要求收发传感器轴线与工件表面法线一致。
根据使用的微波器件不同，有点频连续波反射法，扫频连续波反射法，调频波反射法，时域（频域）反射法等。
图9.7为点频连续波反射法方框图。
图9.7点频连续波反射法方框图
根据信号源和所使用的微波器件不同，有定向耦合器反射计，单、双喇叭反射计，调频反射计（扫频反射计）及时域反射计等之分，图9.7（b）为双路定向耦合反射计系统框图。
反射计的信号源产生的微波信号通过波导进入测量系统，采用铁氧体隔离器作去耦衰减器，防止反射波进入信号源影响其输出功率与频率的稳定。
可变衰减器用来调节输出功率的大小，使指示器有适度的指示。
定向耦合器从主传输系统中按一定比例分出部分功率，也就是对入射波和反射波分别进行取样。
检波器用来检测微波信号。
利用晶体二极管的非线性进行检波，将微波信号转换为直流或低频信号，用一般仪器指示。
图9.7（d）是双喇叭反射计系统方框图（魔T桥路反射计）。
魔T的臂E接信号源，1、2臂分别接衰减器、相移器和喇叭天线。
如果1、2两臂的负载阻抗相等，则其所引起的反射系数也相等，在这个条件下魔T的H臂无输出，表示电桥平衡。
如果用喇叭探头扫描检测，恰好碰到试件内的缺陷，则两个反射系数不相等，电桥失去平衡，指示器指示不为零。
对相移器的基本要求是微波通过时的相移可以调节，但不产生衰减。
在该系统中，若使用连续波信号源，用图形记录检测结果；信号是扫频波，则用示波器记录和观察结果。
在用微波检测夹层材料时，由于试件内夹层之层厚d为四分之一波长奇数倍，即
时，式中n为折射率，m为正整数，分层间反射波相互抵消。
因此，在采用反射法检测时也要精心选择微波频率，防止发生“相位改变π层间反射波消失”的现象。
图9.8为微波频域反射测量法示意图。
反射计喇叭至被检材料部件之间的距离d（空气）可用下式表示：
（9-1）
式中,
为从频谱分析仪或频率计读取的差（拍）频，Hz；C为微波在空气中的传播速度，m/s；s为微波源扫频速率，Hz/s。
（9-2）
式中,P为从频率
扫到频率
所需的时间，s；B为带宽，Hz。
双向定向
耦合器
混频器
带通滤波器
扫频微波源
参考信号
入射波
（a）设备布置
反射信号
频谱分析仪
反射波
（前表面）
实验材料
d
空气
f2（终止频率）
（b）频率图示
fd
f1（起始频率）
B=f2-f1（带宽）
扫频速率S-B/P
t
P
反射信号
参考信号
图9.8微波频域反射测量法示意图
（二）微波调频反射计
图9.9为微波调频反射计极其响应曲线。
时间
反射信号
延迟时间
频率差
f2
f1
时间
f2
f1
123
微波源
检测器喇叭
反射板
频率
微波源
检测器喇叭
反射板
频率
塑料板
微波源
检测器喇叭
频率
时间
f2
f1
（a）金属反射板时反射计装置及发射信号波形
（b）金属反射板时反射计装置及接收信号波形
（c）塑料板时反射计装置及其信号波形
图9.9微波调频（FM）反射计及其影响曲线
（a）
（b）
（c）
（a）金属反射时反射计装置及发射信号波形；
（b）金属反射时反射计装置及接收信号波形；
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90º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（b））工作在适当反射的入射角。
这时反射天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。
（a）单天线反射系统
微波发生器
相位检测器
被检件
同相输出
90相移输出
天线
（b）双天线反射系统
微波发生器
相位检测器
被检件
传输天线
接收天线
同相输出
90相移输出
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90º相移两分量。
实际上往往只利用反射信号的幅度。
双天线反射技术（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
。
若工件为蜂窝夹层结构，要发现半径a=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。
图9.11（a）装置图
发射机
检波器
接收探头
介质杆发射探头
转动台
试件
速调管
电源
速调管
隔离器
指示器
检波器
指示器
检波器
定向
耦合器
可变
衰减器
试件
图9.11（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
；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σ，则反向散射截面
，按下式计算：
（9-3）
正向散射截面
为
（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，反向散射截面
计算公式：
（9-5）
若在介质材料内部有球状气泡，则
=1，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12.4~18千兆赫，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。
0/4/23/4
1.0
0.5
波长（）
检测器响应
图9.13电磁波幅度（检测器响应）与沿驻波距离曲线
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
须不受入射波干扰。
单天
线通过循环电路馈入也可
用来分别传输入射波与反
射波。
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
的波节，
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—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
时，同时存在着行波和驻波，这是最一般的行驻波状态。
由于
，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
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
，则任意点反射系数的相角
。
当相移为
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
。
式中，
分别为介质相角
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
求得反射系数的模
或
1.0
00.250.50.751.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
||=0
图9.14不同||值的驻波曲线形状
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|Γ|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|Γ|=1，即
全反射时，
的分布才具有正半
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，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
放大器
微波源
喇叭天线
扫描检波器
试件
微波全息
阴极射线管
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
，且假定其为平面波（相同频率，相同相位）。
目标散射波被标为
，则在x-y平面内干涉图形上任一点，其强度I（x，y）变化可描述为：
（9-6）
式中，*指共轭复数。
在照相记录中，最后两项，
和
，因为它们是相对信号方位项，只它们起到重建作用。
项则是重建中的零阶散射项。
当干涉图被一个第三平面波
照射时，产生一个
调制波，它给出
（9-7）
因为
均为平面波，
，而乘积项
和
为恒量。
此表明目标散射波
和它的共轭
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，给出从全息图得到的目标的三维视图。
同心圆绕射板的设计步骤在
f=3
f=5/2
f=2
f=3/2
f=
f=/2
f
旋转轴
f
阻塞带
图9.16给出，圆的制作是以所
要求的焦点
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