Глава 3. Радиолокационный мониторинг
техносферы Земли
3.1. База радиоволнового
неразрушающего контроля
Радиоволновой неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия электромагнитного излучения радиоволнового диапазона с объектами контроля. На практике наибольшее распространение получили сверхвысокочастотные (СВЧ) методы, использующие диапазон длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн может носить характер:
взаимодействия только падающей волны (процессы поглощения, дифракции, отражения, преломления, относящиеся к классу радиооптических процессов);
взаимодействия падающей и отраженной волн (интерференционные процессы, относящиеся к области радиоголографии).
Кроме того, в радиодефектоскопии могут использоваться специфические резонансные эффекты взаимодействия радиоволнового излучения (электронный парамагнитный резонанс, ядерный магнитный резонанс и др.).
Использование радиоволн перспективно по двум причинам:
достигается расширение области применения неразрушающего контроля, так как для контроля диэлектрических, полупроводниковых, ферритовых и композитных материалов радиоволновые методы наиболее эффективны;
появляется возможность использования радиоволн СВЧ диапазона.
Особенности использования волн СВЧ:
диапазон СВЧ позволяет получить большой интервал мощностей генерируемых волн, что удобно для контроля материалов и сред различной степени прозрачности, от весьма тонких до таких, как мощные бетонные основания;
волны СВЧ легко получить в виде когерентных поляризованных гармонических электромагнитных колебаний, а это дает возможность обеспечивать высокую чувствительность и точность контроля, используя интерференционные явления, возникающие при взаимодействии когерентных волн с диэлектрическим слоем;
с помощью СВЧ можно осуществить бесконтактный контроль качества при одностороннем расположении аппаратуры по отношению к объекту - способ контроля на отражение;
волны диапазона СВЧ могут быть остро сфокусированы, что позволяет обеспечить локальность контроля, минимальный краевой эффект, помехоустойчивость по отношению к близкорасположенным предметам, исключить влияние температуры объекта контроля на измерительные датчики и Т.п.;
информация о внутренней структуре, дефектах и геометрии содержится в большом числе параметров полезного СВЧ сигнала: амплитуде, фазе, коэффициенте поляризации, частоте и Т.д.;
применение радиоволн СВЧ диапазона обеспечивает весьма малую инерционность контроля, позволяя наблюдать и анализировать быстропротекающие процессы;
аппаратура диапазона СВЧ может быть выполнена достаточно компактной и удобной в эксплуатации;
при использовании резонансных радиоволновых СВЧ методов имеется возможность многопараметрового контроля геометрии, состава и структуры материалов в «здоровой» и «дефектной» зонах.
Преимущественная область применения методов и техники СВЧ - это контроль полуфабрикатов, изделий и конструкций из диэлектрических, композитных, ферритовых и полупроводниковых материалов. При контроле объектов из различных металлов и сплавов радиоволны могут использоваться только для измерения геометрических размеров, так как от металлических структур радиоволны полностью отражаются. Поэтому измерение толщины металлических листов, проката, лент возможно только при двухстороннем расположении измерительных преобразователей.
Электромагнитная волна представляет собой совокупность быстропеременных электрического Е и магнитного Н полей, распространяющихся в определенном направлении z. В свободном пространстве электромагнитная волна поперечна, Т.е. векторы Е и Н перпендикулярны направлению распространения волны z (продольная волна отсутствует) (рис. 3.1).
При радиоволновом контроле диэлектрических материалов необходимо знать диэлектрическую постоянную и тангенс угла диэлектрических потерь tg (обычно для диэлектриков магнитная проницаемость = 1) (табл. 3.1), для полупроводников и магнитных материалов необходимо учитывать и , для металлов в основном имеет значение величина проводимости .
В неограниченной диэлектрической среде без потерь = 1; = 0, наличие магнитной составляющей поля связано с существованием электрической составляющей Е, играющей основную роль в современных средствах контроля.
Рис. 3.1. Схема расположения векторов Е, Н и S в бегущей электромагнитной волне
Таблица 3.1.
Диэлектрические свойства сухих материалов в диапазоне сверхвысоких частот
Материал
|
|
tg 10-3
|
Плот
ность, г/см3
|
Темпера
тура,°С
|
=10 см
|
=3см
|
= 10 см
|
=3см
|
Окись алюминия
|
9,6
|
9,2
|
0,02
|
0,08
|
1,4
|
20
|
Окись бериллия
|
6,5
|
6,8
|
0,02
|
0,08
|
1,4
|
25
|
Кремнезем
|
3,8
|
3,8
|
0,6
|
0,9
|
1,9
|
20
|
Окись магния
|
8,6
|
9,4
|
0,01
|
0,2
|
1,7
|
20
|
Полиэтилен
|
2,4
|
2,7
|
0,1
|
0,1
|
|
20
|
Тефлон
|
2,05
|
2,07
|
0,02
|
0,4
|
-
|
-
|
Полистирол
|
2,4
|
2,6
|
0,6
|
2
|
-
|
-
|
Плексиглас
|
2,5
|
2,7
|
6
|
8
|
-
|
-
|
Целлюлоза ацетатная
|
3,2
|
3,6
|
14
|
23
|
-
|
-
|
СаСО2
|
6,7
|
7,2
|
11
|
20
|
-
|
-
|
Плавленый кварц
|
3,4
|
3,9
|
0,1
|
0,1
|
-
|
-
|
Парафин
|
2,2
|
2,3
|
0,2
|
0,25
|
-
|
-
|
Бакелит
|
1,5
|
1,7
|
60
|
80
|
-
|
-
|
Цемент(новороссийский)
|
2,65
|
4,0
|
35
|
20
|
1,7
|
20
|
Нейлон
|
2,6
|
2,8
|
6
|
10
|
-
|
20
|
Лед
|
3,17
|
3,17
|
0,7
|
0,7
|
0,92
|
1
|
Снег
|
1,2
|
1,26
|
0,4
|
0,4
|
0,3
|
2
|
Растительный жир
|
2,2
|
2,2
|
40
|
50
|
-
|
20
|
Кирпич красный
|
3,4
|
3,7
|
25
|
30
|
1,7
|
-
|
Кирпич пористый
|
2,9
|
3,0
|
20
|
22
|
1,0
|
20
|
Кирпич силикатный
|
3,1
|
3,2
|
14
|
32
|
1,7
|
20
|
Гипс
|
2,65
|
2,8
|
5
|
7
|
1,8
|
20
|
Мел
|
2,2 - 3,0
|
2,5 - 3,2
|
11 - 20
|
20 - 35
|
1,0 - 1,7
|
20
|
Пиритные огарки
|
2,2 - 3,2
|
2,5 - 3,7
|
30 - 54
|
40 - 45
|
1,0 - 1,6
|
-
|
Асбест
|
1,8
|
2,0
|
40
|
60
|
1,1
|
-
|
Древесина (береза)
|
2,5
|
2,6
|
70
|
120
|
0,7
|
-
|
Дуб
|
3,1
|
3,6
|
40
|
90
|
0,82
|
-
|
Древесноволокнистые плиты
|
2,9
|
3,2
|
36
|
80
|
0,2
|
-
|
Сосна
|
2,6
|
2,8
|
20
|
40
|
0,5
|
-
|
Ель
|
2,6
|
2,8
|
14
|
36
|
0,4
|
-
|
Фанера (6 мм)
|
3,2
|
4,1
|
80
|
320
|
0,65
|
-
|
Нитрон
|
1,5
|
1,7
|
0,3
|
0,4
|
-
|
-
|
Лавсан
|
1,2
|
1,36
|
0,2
|
0,4
|
-
|
-
|
Винол
|
1,4
|
1,5
|
0,32
|
0,45
|
-
|
20
|
Капрон
|
1,2
|
1,3
|
0,4
|
0,51
|
-
|
-
|
Полипропилен
|
1,25
|
1,37
|
0,27
|
0,36
|
-
|
-
|
Антрацит
|
4,6
|
5,6
|
3
|
4,8
|
1,4
|
-
|
Хлопок-сырец
|
2,2
|
2,6
|
0,35
|
0,38
|
0,06
|
-
|
Войлок шерстяной
|
3,1
|
3,4
|
6
|
8
|
0,25
|
-
|
Глина огнеупорная
|
4,2
|
4,8
|
3
|
6
|
1,8
|
-
|
Каолин
|
3,2
|
3,7
|
0,48
|
0,8
|
1,7
|
-
|
Карбоксилметилцеллюлоза
|
3,2
|
3,8
|
0,25
|
0,76
|
0,4
|
-
|
Аглопорит
|
2,4
|
2,9
|
2,8
|
7
|
0,7
|
-
|
Керамзит
|
2,1
|
2,3
|
3,2
|
8
|
0,5
|
-
|
Гравий
|
1,8 - 2,3
|
2,1 - 2,6
|
0,3 - 0,6
|
0,4 - 0,8
|
1,4 - 1,9
|
-
|
Грунт-суглинок
|
3,2
|
3,8
|
7
|
8,9
|
1,9
|
-
|
Грунт песчаный
|
3,6
|
4,1
|
3
|
5
|
1,4
|
-
|
Доломит
|
3,2
|
3,4
|
2,7
|
3,1
|
2,6
|
-
|
Линолеум
|
4,6
|
5,8
|
61
|
320
|
1,1
|
-
|
Магнезия (порошок)
|
2,9
|
3,6
|
5,2
|
20
|
0,4
|
-
|
Минеральная вата
|
1,8
|
1,9
|
0,9
|
1,1
|
0,1
|
-
|
Минераловатная плита
|
4,2
|
4,6
|
5
|
9
|
0,4
|
-
|
Мрамор
|
2,1
|
2,4
|
0,36
|
0,5
|
2,7
|
-
|
Шамот ШС-4
|
-
|
3,6
|
-
|
12,7
|
-
|
20
|
Бакор-33
|
-
|
7,4
|
-
|
41,8
|
_
|
300
|
Пенопласт
|
1,6
|
1,7
|
0,3
|
0,36
|
0,03
|
-
|
Пеностекло
|
2,6
|
2,9
|
0,46
|
0,63
|
0,3
|
20
|
Песок речной
|
2,1
|
3,0
|
1,2
|
2,1
|
1,5
|
-
|
Песок кварцевый
|
2,0
|
2,1
|
1,1
|
1,6
|
1,3
|
-
|
Гуттаперча
|
2,4
|
2,3
|
6
|
5
|
-
|
-
|
Пчелиный воск
|
2,3
|
2,3
|
5
|
4,8
|
-
|
-
|
Красное дерево
|
1,7
|
1,7
|
27
|
29
|
-
|
-
|
Мыло
|
2,9
|
3,1
|
110
|
170
|
-
|
-
|
Мясо (натуральное)
|
40
|
30
|
330
|
370
|
-
|
-
|
Поваренная соль
|
6,0
|
6,0
|
0,2
|
0,2
|
-
|
-
|
Фарфор литой
|
5,6
|
5,5
|
13
|
15
|
-
|
-
|
Фарфор прессованный
|
5,0
|
5,1
|
9
|
15
|
-
|
-
|
Стекло
|
5,1-7,2
|
5,1-7,2
|
10-22
|
10-24
|
-
|
-
|
Бакелит (плиточный)
|
3,7
|
3,6
|
43
|
41
|
-
|
-
|
Каучук
|
2,3
|
2,3
|
3
|
3
|
-
|
-
|
Слюда
|
1,6
|
1,6
|
0,21
|
0,22
|
-
|
-
|
Сланцы эстонские
|
3,1
|
3,4
|
5,2
|
5,8
|
-
|
-
|
Торф фрезерный
|
3,2
|
3,8
|
7,1
|
8,9
|
-
|
-
|
Торфоплиты
|
2,9
|
3,1
|
20
|
28
|
-
|
-
|
Фаянс
|
4,6
|
4,8
|
7
|
8,2
|
-
|
-
|
Лен
|
2,1
|
3,2
|
40
|
65
|
0,09
|
-
|
Известняк
|
3,8
|
4,3
|
54
|
62
|
1,4
|
-
|
Кожа
|
4,6
|
5,2
|
35
|
72
|
0,7
|
-
|
Кокс
|
4,8
|
5,1
|
20
|
22
|
0,5
|
-
|
Асфальтобетон
|
3,6
|
4,3
|
65
|
91
|
2,1
|
-
|
Тяжелый бетон
|
4,1
|
4,5
|
8
|
И
|
2,2
|
-
|
Пенобетон
|
3,1
|
3,1
|
4
|
4
|
0,3
|
20
|
Нефть сырая
|
4,2
|
4,4
|
88
|
62
|
|
-
|
Одним из важнейших параметров электромагнитной волны является ее поляризация, определяемая ориентацией вектора Е в пространстве по мере ее распространения. Волну называют естественной (неполяризованной), если вектор Е принимает в плоскости, перпендикулярной к направлению ее распространения, в различные моменты времени различные направления, а конец его описывает окружность. Если при тех же условиях конец вектора описывает эллипс, то волну называют частично поляризованной по эллипсу. Когда вектор Е равномерно вращается (влево и вправо) вокруг направления распространения, а конец его описывает эллипс, то волну называют поляризованной по эллипсу (влево и вправо) (рис. 3.2). В частных случаях эллипс вырождается в окружность (волна поляризована по кругу) или прямую линию (плоскополяризованная волна).
Рис. 3.2. Схема эллиптической поляризации
В свободной волне Е и Н софазны, Т.е. они одновременно в одних и тех же точках пространства достигают максимального или минимального значения (рис. 3.3). Аналогичная картина получится, если вместо z отложить вектор t. Векторы Е и Н всегда образуют правый винт, что определяет направление распространения энергии и очень важно при анализе условий отражения.
Рис.3.3. Схема распространения плоскополяризованной электромагнитной волны
Поток энергии S ортогонален векторам Е и Н и совпадает с направлением распространения волн z. Поток энергии колеблется с удвоенной частотой (по сравнению с Е и Н) (рис. 3.4), принимая положительные значения (включая S = 0). Плотность потока энергии пропорциональна квадрату амплитуды электрического поля. Это общее и важное положение, на котором фактически основана возможность регистрации распространяющихся электромагнитных волн различными приемниками, так как из-за инерционности приемники энергии СВЧ регистрируют средние значения квадрата амплитуды Е.
Рис. 3.4. Изменение во времени значений Е, Н и S в бегущей волне
При наличии границы раздела появляется отраженная волна, взаимодействующая с падающей и образующая в первой среде стоячую волну, для которой как во времени, так и в пространстве имеет место сдвиг фаз / 2 между векторами Е и Н.
Узлы (и соответственно пучности) векторов Е и H разнесены пространственно, и расстояние между ними (между узлами Е и Н) равно I4. В любом узле вектор S = [ЕН] обращается в нуль, Т.е. энергия не распространяется вдоль z (рис. 3.5).
Рис. 3.5. Временная (а) и пространственная (б) зависимости Е и Н в стоячей электромагнитной волне
Измеряя расстояние между узлами (или пучностями) электрической напряженности, находят значения длины волны. При наличии второй границы раздела сред, Т.е. появлении промежуточного слоя, отражения наклонно падающей волны количественно характеризуют коэффициентом зеркального отражения от слоя (рис. 3.6, а). Если вектор Е лежит в плоскости падения, поляризация падающей волны называется вертикальной, а когда вектор Е перпендикулярен плоскости падения - горизонтальной.
Рис.3.6. Отражение волны от слоя при наклонном падении (а) и расчетные зависимости Rc (б) и c (в) от толщины диэлектрического слоя на металлической основе: 1 - 2 любое, tg 2 = 0, 2a - 2 = 3,0 и tg 2 = 0,01; 3 - 2 = 2,23 и tg 2 = 0,1
Теоретический анализ позволяет сделать следующие основные выводы:
при значительном увеличении толщины слоя коэффициент отражения от слоя становится равным коэффициенту отражения от передней границы слоя;
полуволновые слои (без потерь), расположенные в однородной изотропной среде, являются неотражающими в некотором диапазоне углов падения волны, который шире при вертикальной поляризации падающих волн;
как и в оптике, в СВЧ-диапазоне можно осуществить согласование граничащих сред, приводящее к резкому уменьшению отраженной от границы раздела энергии.
Более качественное согласование наблюдается при вертикальной поляризации падающих волн. Указанные свойства зависимости коэффициента отражения от слоя используются в основе многих СВЧ-методов неразрушающего контроля материалов и сред, прозрачных в диапазоне СВЧ. Аналогичные рассуждения могут быть сделаны и для коэффициента прохождения волны через радиопрозрачный слой.
При анализе результатов необходимо знать величину общего ослабления сигнала, вызванного взаимодействием со средой. Энергия волны будет уменьшаться из-за следующих основных причин:
поглощения в среде;
рассеяния микрочастицами;
ослабления, вызванного неидеальной прозрачностью границ раздела;
ослабления за счет неидеальной направленности приемно-передающих антенн.
В результате общее ослабление будет суммой этих составляющих. При наличии СВЧ-генератора мощностью 10-2 Вт и приемника с чувствительностью 10-9 Вт, Т.е. компактной аппаратуры с динамическим диапазоном в 70 дБ, максимальная глубина просвечивания широкого класса строительных материалов на длине волны 8 мм составляет 50 - 100 мм, а в трехсантиметровом диапазоне 250 - 600 мм.
|
