白宝泉：《微波的应用-微波法检测》

来源：互联网发布：linux 删除所有文件编辑：程序博客网时间：2024/04/28 03:30

《微波的应用-微波法检测》

。

代发表声明

下面是我好几年前为一起共事过的白宝泉同志整理的一份资料，因有五年多时间和他联系未成功，我担心他可能已经不在人世【注】，刊出此文，目的仅仅是为引起人们注意，想利用网络的力量来获得有关他的任何信息。

本资料原本是作为《微波手册》完整一章的约稿而撰写的，但具体是哪一家出版社邀请他写,我不清楚。现在这里先列出一个目录，以免引起著作权纠纷问题，如果一个月内没有得到白宝泉的信息，我可代替他，将其全文在CSDN上公开发表，我想这篇文章或许是他一生研究心血的结晶，发表此文一定是他原先所希望，同时我也将它当作我们共事岁月的一个纪念。微波检测应用很广也很有趣，如地下矿状或管道探测、预防汽车或火车相撞，温控加热癌症治疗等。它们很神奇，但不是魔术或虚拟游戏，是实实在在能作到的事情，了解一些对我们有帮助。

【注】我所以这样估计，是因为：白7年前不幸丧偶，一年多后再婚，当时他曾在网上Email给我再婚消息，但未给我家庭地址，此后就无信息。我用他的Email地址去过几次信，但始终不见回音。白1964年清华微波专业毕业，民盟成员，教授级高工。曾为毛主席水晶棺材安装过防裂声检测装置。他比我要年轻，但太肥胖，爱吃肥肉，他来我家找我时爬完我家五层楼梯以后总是上气不接下气，看来身体实在不够健康，极易跌倒样子。

目录

4-4 微波法检测……………………………………………………

4.4.1 概述……………………………………………………………………………

4.4.1.1 微波

4.4.1.2 微波法检测技术的发展

4.4.1.3 微波法检测技术的特点

4.4.1.4 微波的物理特性

4.4.2 微波检测机理…………………………………………………………………

4.4.2.1 微波检测的物理基础

4.4.2.2 微波在介质界面的反射与折射

4.4.2.3 微波在介质中的吸收与色散

4.4.2.4 驻波

4.4.2.5 散射

4.4.2.6 各种微波检测原理比较

4.4.3 微波检测主要方法……………………………………………………………

4.4.3.1 透射技术

4.4.3.2 反射技术

4.4.3.3 驻波技术

4.4.3.4 腔体微扰技术

4.4.4 微波检测装置…………………………………………………………………

4.4.4.1 微波检测装置的基本构成

4.4.4.2 微波检测装置的主要部件

1.微波信号源

2.微波传输线

3.微波传感器

4.4.4.3 微波法检测仪器的类型

4.4.5 微波涡流检测技术……………………………………………………………

4.4.5.1 电磁共振涡流探头

4.4.5.2 铁磁共振涡流探头

4.4.5.3 涡流用于小半径的孔和区域

4.4.6 微波全息照相技术……………………………………………………………

4.4.6.1 光全息照相

4.4.6.2 微波全息照相

4.4.6.3 应用实例

4.4.7 微波检测主要应用……………………………………………………………

4.4.7.1 湿度的微波测量

4.4.7.2 悬浮体浓度的微波测量

4.4.7.3 厚度的微波检测

4.4.7.4 固体火箭壳体完整性的微波检测

4.4.7.5 胶接结构脱粘的微波检测

4.4.7.6 金属表面裂纹的微波检测

4.4.7.7 探地雷达技术-----------------------------------------------

1.探地雷达技术概述

2.探地雷达主要类型

3.探地雷达仪器性能对比

4.探地雷达的数据处理

5.几种主要探地雷达的实用形式

6. 探地雷达的适应性和局限性

4.4.7.8 集成电路内部剥离缺陷的微波检测

4.4.7.9 用微波源加热的热成像检测

4.4.7.10 桥梁附近河床冲刷的微波探测

4.4.7.11 汽车防撞雷达

4.4.7.12 毫米波焦平面成像系统

4.4.7.13 微波波谱学应用

4.4.7.14 飞机构件涂层下腐蚀的微波检测

4.4.7.15 用于温度控制的微波辐射计

4.4.7.16 微波法检测技术的其他应用----------------------------------

1.地下水埋深与冰川厚度的微波测量

2.考古微波探测

3.环境污染微波监测

4.隧道盾构挖掘过程的微波“导引”

5.公共安全方面的微波检测

6.等离子体微波测量

作者简介………………………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………………

4.4 微波法检测

，

白宝泉编，zzwu 整理

，

(本文正文、插图、表格、公式均已上载完，初步校对与原稿一致，详细检查结果见后)

4.4.1概述

微波无损检测（Microwave Non- destructive Testing, 可简称“微波NDT”）技术，亦称微波法检测技术，是以微波物理学、电子学、微波测量、自动控制和计算机技术等为基础的一门微波应用技术。自二战以来，随着雷达技术的进步，微波法检测技术发展很快，并不断向工业、农业和科学技术领域渗透，特别是在非金属材料或构件、交通设施、建筑工程的质量控制与评估，以及在考古、地质、军事方面的探测应用，发展更快。20世纪50年代，微波测湿计的问世，揭开了微波法检测技术发展史的首页。随着复合材料在航空、航天工业中的广泛应用，1963年美国首先用微波法成功地检测出“北极星”A3型导弹的固体火箭发动机玻璃钢壳体的内部缺陷。从此，微波法检测技术走上了独立发展的道路，并引起了人们的广泛兴趣。经过多年来各方面的应用，显示了它作为质量控制与评估技术和非电量测量技术手段的强大生命力。

微波NDT技术，借助于微波传感器（即微波天线）和微波检测网络，在不破坏检测对象情况下，能对其内部缺陷的大小与分布、物理参数和工艺参数等多种非电量，通过扫查，转换成便于放大和数据处理的电量形式，经过计算机给出图像和数字显示结果，以实现快速、准确、经济的检测。目前，这种新颖的微波法检测技术，已走出实验室，向现场实用化的阶段迈进。

微波法检测技术的主要优点：它是一种新颖的无损检测技术，可实行非破坏性检测；与超声波法相比，对非金属有很强的穿透力，并可实行非接触检测；与射线法相比，平面型和体积型缺陷同样敏感；在无损检测方法中，微波法检测，检测设备比较简单、操作方便、检测速度快、可实行准确检测、便于实行自动化。在现场应用中，微波法检测技术，正在发展成为一种快速、准确、经济的整体性评估手段。

微波法检测的主要应用范围：

（1）在材料与结构检测方面：包括工程塑料、复合材料和各种金属与非金属的胶接结构、蜂窝结构中的分层与脱粘；固体火箭推进剂和飞机轮胎的内部气孔与裂缝；金属加工表面的裂纹、划痕（可给出深度信息，优于其他的表面无损检测法）以及粗糙度的检测等。

（2）在性能参数检测方面：包括非金属材料的湿度、密度、混合物组份比、固化度、金属板与介质板的厚度；粮食、石油、纸张和建筑材料等含水量；各种线径、微小位移、微小体积与等离子体温度的测量等。

（3）在工程结构检测方面：包括高速公路、机场跑道、桥梁的铺设路面质量；铁道路基、河堤或水坝的内部孔洞；桥墩附近水下河床的冲刷程度；以及考古、地质勘探等。

（4）在军事探测方面：除雷达之外，地雷的探测（尤其是塑料地雷探测）是非常重要的应用。据联合国统计，全球曾经有过战乱的国家，目前地下尚埋有上亿颗地雷。探测并排除这些地雷是项繁重的任务。

（5）在环境污染检测方面：微波法检测技术，可对水质与土壤的污染状况，以及石油对周围环境的污染程度等，根据介电常数差异和品质因素大小实行微波监测，并用微波辐射技术，进行微波萃取（选择不同溶剂和调节微波辐射参数，对废物中的目标成分实行萃取，从而使有机污染物和基本物质有效地分离）与微波消解。这些都对保护人的生命安全和农业生产有重大意义。

原则上，凡能传播微波的材料或结构部分，均可能实施微波检测。因此，微波检测技术的应用前途将是非常广阔的。

近年来，随着微波检测技术的发展，其应用范围也日益扩大。以往，复合材料、陶瓷、混凝土的无损检测一直被视为“非金属无损检测三大难题”，如今，随着国际上微波检测技术的应用与发展，这类难题正逐步获得有效的解决。

目前，微波检测技术中，平面二维（2D）和立体三维（3D）成像技术的开发，更加有利于对检测对象中的“缺陷有害度”进行整体性评估，致使微波检测技术进一步提高，迈向更高的微波NDE（无损评价）的技术水平。

表4-4-1 微波NDT的适用范围及特点

适用范围

主要检测内容

主要优点

局限性

1. 工程塑料，复合材料

2. 工程陶瓷

3. 钢筋混凝土

4. 金属表面开口裂纹

5. 橡胶轮胎

6. 固体火箭玻璃钢壳体与推进剂

7. 航空、航天工业中所用的非金属材料与胶接结构

8. 高速公路、机场、跑道的铺设路面

9. 桥梁和房屋建筑结构

10. 铁道路基

11. 粮食、石油、纸张和建筑材料等含水量快速测量

12. 集成电路芯片质量

13. 地下管线的分布

14. 地下水埋深

15. 考古

16. 环境污染监测

17. 桥墩附近水下河床的冲刷

18.地铁“盾构挖掘”中的微波导引。

1. 非金属内部气孔,裂纹,夹杂或不均匀性

2. 胶接结构的气孔或脱粘

3. 金属表面的开口裂纹深度和分布

4. 非金属的密度,固化度，湿度等快速测定

5. 飞机轮胎内部气孔与裂缝

6. 建筑工程构件内部孔洞

7. 集成电路芯片内部缺陷

8. 复合材料叠层的分层、气孔与脱粘

9. 非金属或金属板厚度的精确测定

10混凝土钢筋保护层厚度的快速测定。

1. 可实行非接触检测；

2. 对非金属材料的穿透力强

3. 在非金属内，对平面型和体积型缺陷同样敏感

4. 操作方便，检测数据易保存和再现

5. 易于自动化，适于连续、快速检测

6. 不需耦合剂，无污染问题

7. 微波信号可控性强(易于实行幅度、相位、频率及阶跃调频等多种调制方式)

8. 易于2D和3D成像，可实行整体性的检测与评估。

1.因趋肤效应，不能检测金属或碳、石墨等非金属导电材料的内部缺陷

2.检测灵敏度、空间分辨力、工作频率与传感器形式密切相关。

4.4.1.1 微波

微波（或称雷达波）是一种波长很短、频率很高的电磁波。微波在电磁波频谱中的位置如图4-4-1所示。

图4-4-1　电磁波频谱, 微波波长在1m 到 0.1mm 间

微波在通过非金属介质时，可产生反射、透射、吸收、散射、衍射等多种传播特性。这些与可见光或超声波有相似之处。但是，与可见光相比，微波对玻璃之外的非金属介质也有穿透性。与超声波相比，微波对非金属介质的穿透能力，高出2～3个数量级（按功率dB值计算）。

微波的频带也很宽，通常在300MHZ～300GHZ之间，在真空或空气中相应的波长为1m～1mm。微波波段又可进一步分为：分米波、厘米波、毫米波三个波段。并向亚毫米的波段扩展。微波在其频带内又分为若干主要区间，称为频段，用不同字母加以标示，见表4-4-2。

表4-4-2 微波频段

频段标号

UHF

频率

/Hz

3×10⁸～

3×10⁹

2.3×10⁸～

1×10⁹

1×10⁹～

2×10⁹

2×10⁹～

4×10⁹

4×10⁹～

8×10⁹

真空中波长/m

1.0～1×10^-1

1.3～3×10^-1

3×10^-1～

1.5×10^-1

1.5×10^-1～

7.5×10^-2

7.5×10^-2～

3.8×10^-2

频段标号

X

频率

/Hz

8×10⁹～

12.5×10⁹

12.5×10⁹～

18×10⁹

18×10⁹～

26.5×10⁹

26.5×10⁹～

40×10⁹

33×10⁹～

50×10⁹

真空中波长/m

3.8×10^-2～

2.4×10^-2

2.4×10^-2～

1.7×10^-2

1.7×10^-2～

1.1×10^-2

1.1×10^-2～

7.5×10^-2

9.1×10^-3～

6.0×10^-3

频段标号

频率

/Hz

40×10⁹～

60×10⁹

50×10⁹～

75×10⁹

60×10⁹～

90×10⁹

75×10⁹～

110×10⁹

90×10⁹～

140×10⁹

真空中波长/m

7.5×10^-3～

5.0×10^-3

6.0×10^-3～

4.0×10^-3

5.5×10^-3～

3.3×10^-3

4.0×10^-3～

2.7×10^-3

3.3×10^-3～

2.1×10^-3

频段标号

频率

/Hz

110×10⁹～

170×10⁹

140×10⁹～

220×10⁹

170×10⁹～

260×10⁹

220×10⁹～

300×10⁹

真空中波长/m

2.7×10^-3～

1.8×10^-3

2.1×10^-3～

1.4×10^-3

1.8×10^-3～

1.2×10^-3

1.410^-3～

1.0×10^-3

4.4.1.2 微波法检测技术的发展

二战之后，随着微波测量技术的发展，对工业产品的微波法检测技术也伴随而生，大致经历了如下三个发展阶级：

１．早期探索试用阶级

微波技术，在无损检测上的应用，首先是对微波器件的检测，诸如；波导管、衰减器，谐振腔、天线和天线罩的质量检测。在上世纪60年代初，紧随着复合材料在航空、航天工业中的应用，也开始了微波法检测技术的应用研究。1963年，美国应用“短程雷达”对“北极星”导弹的固体火箭壳体内部缺陷进行了成功检测，从此微波法检测技术就进入独立发展的道路，其特有的效能引起人们广泛的兴趣。

在此阶段，“借用”当时雷达技术发展的部分成果，多以喇叭天线作为微波传感器，在多种非金属材料或构件上开展了微波法检测技术的探索试用。

２．专门开发阶段

从上世纪70年代开始，人们从实践中和理论上都逐步认识到：不能简单地“借用”雷达或遥感技术中已成熟应用的各种“辐射型天线”，来实现微波法的“短程检测”，这是因为微波法检测技术与雷达技术尽管有很多相似之处，但探测目标的大小与距离不同，应用场合有很大差别。基本的相似之处是，它们的空间分辨力主要取决于其微波天线的指向性。但雷达要探测的是空中和海面上几十公里～几千公里，甚至更远距离上的目标体，而微波法检测仅需要探测固体中距离很近的目标体，近则几毫米，远也不过几米，这在应用上就有很大差别。

雷达或遥感技术中所用的天线是个“辐射型”单元器件，可称之为“辐射型天线”。在天线的辐射电磁场中。沿其轴线从远至近，可分为“远场辐射区”、“近场辐射区”和“近场电抗区”。在雷达、遥感技术所谓的天线良好指向性，都是指处于天线“远场辐射区”所呈现的特性。而在天线“近场辐射区”其主波瓣变宽，指向性变差。靠近天线口面的“近场电抗区”还伴有旁瓣产生，并沿天线轴线方向上的电磁场强度呈现振荡状态。微波法检测实际应用场合为在“近程”实行检测。若仍借用雷达的“辐射天线”，则探测目标体将处于天线“近场辐射区”，甚至处于“近场电抗区”，导致天线指向性下降，空间分辩力降低，或无法检测。

对应用在“近程”检测场合的微波法检测技术，人们逐步采用“传输方式”工作的微波传感器，也可将其称为“传输型天线”（如终端开口的同轴线或波导、介质传输天线、微带边缘形成的“谐振式传感器”等），以替代雷达中所用的“辐射型天线”。

国内外在雷达技术基础上发展了“近程”微波法检测技术，所实行的专门开发，重点在以下几个方面：

(1) 首先，在微波法检测技术发展中，微波传感器的创新是关键（传感器的区别与差异，是不同探测技术类型的主要特征体现）,专门开发的微波传感器可在“近程”检测中呈现良好的指向性，实行准确的定位。

(2) 波长更短的毫米波技术，在微波法检测技术中得到更充分的应用，以求检测更微小的缺陷，并提高空间分辨能力。

(3) 用供电简单、体积小、重量轻、寿命长的“固态微波源”来代替“真空管微波源”,并逐步用“微带线”来代替“同轴线”和“波导管”，为微波法检测仪器装置的便携式、小型化提供于有力的技术支撑。

(4) 因微波在非金属中传播速度很大,接近光速。在定位中，微波法检测若采用“时间间隔”法（也属于“幅度调制法”）是比较困难的。目前，更多地是采用“相位调制法”或“频率调制法”。也就是将距离、深度或厚度的测量，转换为相位差或频率差的测量。在用频率法测量中，则又经历了从“点频”（固定频率）、“扫数”到“阶跃调频”的几个发展过程。

(5) 微波法检测技术中，平面二维（2D）和立体三维（3D）的计算机成像技术的开发应用，致使微波法检测技术逐步成为一种快速、直观、准确、整体性的无损检测技术，更有利于对“缺陷有害度”进行有效评估，并提升为微波NDE技术。

本文作者曾在上海材料研究所，与同事们一起，负责对多种近场微波传感器、毫米波技术、固态微波源、多种调制方式以及计算机成像技术的综合开发上，作出了一些开创性的应用研究，所研制的微波扫查系统，经部级鉴定，在工作频率和检测性能上属于国际先进水平。

３．现场实用化发展阶段

从上世纪90年代至今，国外已将微波法检测技术广泛应用于国民经济各个部门中。在航空、航天装置中关键材料或构件的检验；电子工业中集成电路芯片等精密构件的检验；市政与基础设施建设中，公路、桥梁、机场跑道、铁道路基、河提、大坝、房屋等建筑工程检验；桥墩附近水中河床冲刷状况检测；违禁物安全检查；地下水勘探；考古等方面，微波法检测技术已成必不可少、甚至唯一有效的检测手段。

微波一般包括分米波、厘米波、毫米波。在其频率高端，随亚毫米波的发展，目前已有人利用它的旋转极化的谐振特性，对各种金属元素进行快速的“波谱学分析”。频率更低的电磁波在地下可用来探测更大的深度。因此，微波法检测技术的应用前景将是非常广阔的。

4.4.1.3 微波法检测技术的特点

１．优点

与其它无损检测技术相比，微波法检测有下列主要优点：

(1) 可非接触式检测（无需耦合剂），有利于实施快速、连续的检测，可同时适用于不同曲率半径的曲面，优于超声波法；

(2) 微波对非金属的穿透能力强（按功率dB值计算,微波在非金属中的衰减比超声波小2～3个数量级）。优于超声波法；

(3) 不存在因耦合剂带来的材料污染问题，也优于超声波法；

(4) 微波对非金属既有穿透性，也有反射或散射特性，并有独特的极化特性，对平面型和体积型缺陷同样敏感，优于X射线法；

(5) 检测速度快，检测数据易于保存和再现，也优于X射线法；

(6) 操作简单、无需对被测试件“加热”或“加载”，这些特点均优于声发射、红外或激光等其它无损检测新技术方法；

(7) 微波参数的可控性强（既能在正弦波载波状态下采用幅度法、相位法或频率法的多种调制方法，又能在非正弦（无载波）状态下采用时域反射法），可适当提高工作频率，以更高的灵敏度和空间分辨力实行精确检测。

2．局限性

微波法检测技术，因电磁波的“趋肤效应”，不能检测金属或碳与石墨等非金属导电材料的内部缺陷；在金属与非金属胶接结构中不能从金属一侧检测胶接质量；在其它非导电的非金属材料或构件中，检测灵敏度和空间分辨力与工作频率和微波传感器形式密切相关(工作频率加大将提升检测性能）。

4.4.1.4微波的物理特性

微波的主要物理特性与光波和声波有相似之处。当波长远小于反射体尺寸时，微波和几何光学的特性相似，具有反射、折射、衍射等特性。

当波长与反射体尺寸处于相同数量级时，微波又近似声学特性。在谐振区可呈现谐振特性，在瑞利区可呈现散射特性。

表4-4-3给出几种常用导体不同频率微波的渗透深度。从表4-4-3可知在金属中渗透深度随着频率的升高而急居地变小。

表4-4-3 在导体中的渗透深度

导体

电导率

σ/(x10^-7s/m)

相对磁导率μr

δf^1/2

(m/s^1/2)

渗透深度/mm

60Hz

1KHz

1MHz

3GHz

铜

5.80

1.00

0.066

8.5

2.1

6.6×10^-2

1.2×10^-3

铝

3.45

1.00

0.085

11.0

2.7

8.5×10^-2

1.6×10^-3

铬

3.8

1.00

0.081

10.0

2.6

8.1×10^-2

1.5×10-3

石墨

0.01

1.00

1.59

205

50.3

1.59

2.9×10-2

镍

1.3

1×10²

0.014

1.8

4.4

1.4×10^-2

2.6×10-4

海水

5×10^-7

1.00

2×10²

3×10⁴

7×10³

2×10²

非良导体

4.4.2微波检测机理

4.4.2.1微波检测的物理基础

在自由空间，电磁波是横波，即构成电磁波的电场和磁场的振荡方向都与波的行进方向垂直。电场和磁场的强度和微波传播方向相互关系，如图4-4-2所示。

图4-4-3　线性偏振、正弦变化平面电磁波在真空中传播

其中：λ- 电磁波长 Z - 传播方向 E - 电场强度 H - 磁场强度

最简单的电磁波的一种形式为线性偏振的正弦变化的平面电磁波，如图4-4-3所示。在微波检测中，介质材料可用磁导率（μ）、介电常数（ε）和电导率（σ）三个性能参数来表征。通常这些参数随电磁波频率f而变化；考虑到损耗效应，即呈现复数形式。

(4-4-1)

微波入射到良导电体内，场强的幅度衰减到入射面原始值的1/e倍（即36.8 ) 式中：σ为导电率，μ为导磁率，f为电磁波的频率。

微波入射到非导电介质内，若介质是均匀的，则传播速度v基本为匀速，但幅度上有一定衰减：

(4-4-2)

式中：μ_r与ε_r分别为相对的磁导率和介电常数（对非铁性材料μr=1）。

若微波入射的非导电介质是不均匀的非铁磁性材料，则在介质的不均匀性或气孔、分层、裂纹、疏松、夹杂和其实缺陷的界面，由于介电常数的区别与差异，引起微波的反射和折射，检测其反射波或透射波（也称传输波）的幅度及相位的变化，可实现微波法探测。

4.4.2.2微波在介质界面的反射与折射

平面电磁波斜入射到介质界面上，如图4-4-4所示。

图4-4-4 介质分界的斜入射

反射面的法线与入射波的射线构成的平面称为入射平面。电场在入射平面，称为平行极化，电场垂直于入射平面，称垂直极极化。平面电磁波在不同介质界面上反射与折射特性与可见光的特性基本相似，同样是反射角与入射角相等；折射角θ₂与入射角θ₁之间则满足Snill定律：

（4-4-3）

线偏振平面电磁波的平行极化与垂直极化如图4-4-5所示。

在介质界面上，平行极化时，反射系数R₁₁与透射系数T₁₁为

(4-4-4)

(4-4-5)

而垂直极化时，反射系数R_⊥和透射系数T_⊥则分别为

(4-4-6)

(4-4-7)

当采用平行极化时，若选择入射角

（4-4-8）

则微波能量从界面上全部注入介质，在第1介质内没有反射，θ_ρ称为布儒斯特角。在微波法检测中，常用此极化特性，以双天线方式，减小被测表面的无用反射。

入射角（θ₁），度

a)微波进入介质 b)微波离开介质

图4-4-5 线偏振平面电磁波的平行极化与垂直极化

4.4.2.3微波在介质中的吸收与色散

当微波通过均匀非金属介质的传播时，也要产生变化。微波的激励，使介质的极性分子交替地贮存和消耗电磁波能量。这种贮存和消耗电磁能的非金属介电特性，通常用复数的介电常数来表示，实部表示能量的贮存，虚部表示能量的损耗。

在均匀介质中传播的连续性微波可表示为矢量形式

或正弦波形式

。

按照欧拉公式，它们之间很容易转换。两式中：传播常数γ=α+jβ, α是衰减系数，β是相位系数，α和β在频率变化较小的范围内一般可视为常数，γ是传播方向。α和β在微波频段一般为复数，虚部表示的能量断不可忽略。

因此，在均匀介质中传播的连续性微波，随着传播距离的增加，除了幅度要衰减外，还会产生相移（相位差变化）。此衰减主要是由于均匀介质的极化分子在微波电磁场作用下旋转极化所造成的能量消耗。一束微波，往往是在中心频率周围的一组不同微波频率所组成，而非单一频率，在传播中因介质不均匀，引起不同频率成分产生较大衰减和相移，使各频率成分的差异加大。同时可能产生高次模式，其相速随频率而变，称之为“色散型波”。

4.4.2.4驻波

当微波用作无损检测手段时，由于非金属材料对微波的高透射性，检测非金属材料的厚度又在几个波长内，界面的反射常会产生驻波状态，即极值点（最大或最小点）的位置固定（尽管入射和反射波都在“行进”），这是频率相同、传播方向相反的微波干涉所形成的状态。

当非金属材料内部有缺陷时，由于传播途中入射和反射的变化，会使驻波形状改变，因此能用于无损检测；并能用于精确厚度检测。驻波的形成如图4-4-6所示。

图4-4-6 驻波的形成

4.4.2.5散射

当微波辐射到小粒子或非均匀介质材料时，因表面不光滑程度在尺寸上与微波波长是相同数量级时，反射波不再是单一的波，而是由不同幅度、相位和传播方向的波所组成，这种辐射特性称为散射；当与波长相比，光滑表面尺寸较大时，通常产生反射。反射可以说是特定条件下的散射，金属球的散射特性如图4-4-7所示。

图4-4-7不同半径金属球的微波散射

广义而言，微波散射法是微波法检测技术一种常用方法。

4.4.2.6各种微波检测原理比较

微波法检测，实质上是综合了微波与物质的相互作用原理而发展起来的。根据材料缺陷或其他非电量与材料介电常数的函数关系，利用微波反射、透射、散射或腔体微扰等物理方法，测量微波的基本参数（如幅度、相位或频率等）的变化，来确定材料或构件内的缺陷或其他非电量。不同的检测对象，检测原理略有区别，见表4-4-4。

表4-4-4各种微波检测原理比较

检测对象

检测原理

1.非金属内部缺陷

反射、透射、散射、介质电磁特性

2.金属表面开口裂纹

反射、腔体微扰

3.介质板厚度

反射、透射

4.金属板厚度

反射、腔体微扰

5.湿度（含水量）

反射、透射、腔体微扰

6.温度、密度、组份

介质电磁特性

7.流量、速度

多普勒效应

8.振动

腔体微扰

9.金属线径

衍射、腔体微扰

44.3微波法检测主要方法

微波法检测主要方法见表4-4-5。

微波法检测主要方法的用途见表4-4-6。

表4-4-6微波检测主要方法的用途

。检测手段。。

物理原理

用途

透射法

微波在材料内传输时，因材料内部状态和介质特性不同，而改变透射、散射和反射。测量透射信号的幅度、相位或频率，可知内部状态。

测量厚度、密度、温度、介电常数、固化度、组份、纤维含量、聚合、气化、脂化及气孔、夹杂等

反射法

由材料表面或内部界面的反射引起微波参量的变化，测量表面或内部状态的异常

检测非金属与金属的胶接结构的脱粘、分层、夹杂、疏松；金属表面开口裂纹或划痕深度；测量厚度、湿度、密度及混合物组份比

干涉法

当两个微波产生干涉时，监视驻波幅度或相位变化，建立微波全息图像

检测不连续性（如分层、脱粘、裂缝）

散射法

由微波穿透材料内部散射中心（气孔、空间、夹杂）所产生的散射，来确定内部状态

检测气孔、空洞、夹杂及裂缝

4.4.3.1透射技术

透射（或穿透）技术的基本构成如图4-4-8所示。

图4-4-8 透射法微

波检测的基本构成：微波发生器供给发射天线和微波检测网络以微波信号，传输波经发射天线入射到被测试件。若被测试件内部有缺陷，除了被测试件的表面和底面有反射和折射外，在缺陷的界面还要产生附加的反射、折射甚至散射，则馈送至接收天线的传输波的幅度与相位也将产生更多的变化，来反映缺陷的存在，经微波检测网络给出低频的相应信号，再经放大和处理后，显示出探测结果。

随微波信号的调制方式不同，透射技术的微波信号可有三种主要形式：

1. 固定频率（点频）连续波形式；

2. 可变频率（扫频或阶跃调频）连续波形式；

3. 脉冲幅度调制波形式。

4.4.3.2反射技术

反射技术，就其天线而言可有两种形式：单天线法与双天线法，如图4-4-9所示。

图4-4-9 反射技术

a) 单天线法 b)双天线法

单天线法，要求天线必须垂直或近似垂直于入射被测试件的表面才能有效地回收信号。如前所述，垂直入射时，无论是平行极化还是垂直极化，由于在试件表面会产生较大的反射干扰波，使入射到试件内的能量减小，并可能淹没随后由缺陷所产生的幅度较小的反射波。因此在微波检测中，单天线法有不利之处，不常采用。

双天线法，可以充分利用平行极化的极化特性，在入射角接近Brewster角时，使入射的能量尽可能地入射到试件中，减小干扰波，提高灵敏度，在微波探伤或测厚中常被采用。

4.4.3.3驻波技术

驻波的形成，是由相同频率的两个波相反方向进行干涉，在空间产生驻波状态。如图4-4-10所示。

图4-4-10驻波技术

在检测非金属材料的内部缺陷或胶接质量时，也背垫上金属板，由于反射可形成驻波状态，使检测到的信号幅度或相位的变化更加敏感。

以上透射、反射、驻波干涉等方法，与光学方法有类似之处。

4.4.3.4腔体微扰法

微波部件中，谐振腔是具有选频特性的电磁振荡系统（类似于LC谐振间路）若谐振腔中物体的介电常数或几何参数产生微小变化，则会引起谐振腔的某些参量（如谐振频率、品质因素等）发生相应的微小变化，这称为“腔体微扰”。腔体微扰法，是微波特有的检测方法。利用此法，可实现厚度、温度、线径、振动量，等非电量的检测。

4.4.4微波法检测装置

4.4.4.1微波法检测装置基本构成

微波法检测装置的基本构成大致如下：

1. 信号拾取部分

(1)微波信号源及供电调制电路：

　　产生所要求的调制微波信号。

(2)微波天线（亦称微波传感器）：

经发射天线馈送的微波信号，入射到被测试件中，反映试件内部缺陷信息的微波信号，再被接收天线接收。

(3)微波检测网络：

经过检测网络，解调出能反映缺陷及总的特征参数（输出的一般为低频信号）。

2. 放大部份：

将微弱的低频信号，经高增益放大，提高信噪比。

3. 数据处理与显示部分：

将放大的信号经计算机数据处理后，给出平面二维(2D)或立体三维（3D）的数据或成像显示。

以上三个部分是任何探测仪器都需必备的基本组成部分。

４. 扫查机构部分：

工程应用中，带动天线实行扫查的“扫查机构部分”，也是不可缺少的。

4.4.4.2微波检测装置的主要部件

1．微波信号源

在微波检测技术的发展中，作为微波源的器件，主要包括微波真空器件和固态器件两大类，它们在应用中呈现出不同的特色。微波真空器件，计有反射速调管（Klystron）、行波管（TWT）、回波振荡管（BWO）等，其主要特点是：能复盖的工作频率比较宽，约在5～270GHz左右；输出的功率电平也比较大，连续波功率高达1-3KW左右，峰值功率可达5MW（1GHz时）；但由于它们的自身尺寸较大或供电系统笨重复杂，在很多无损检测场合的应用中受到了限制。固态器件中，如冲击雪崩渡越时间（IMPATT）二极管，输出功率已达几十瓦或更大；耿氏（Gumn）体效应二极管，在8mm波段，连续波功率可达100mW以上，并具有更低的噪声电平。这类固态器件，其工作频率已扩展到3mm波段，输出功率也在几十毫瓦左右。在很多微波检测场合，它们基本上可满足需要。

2．微波传输线

微波传输线是用于微波能量的传送，有同轴线、波导管和微带线等几种形式。

1) 传统的微波传输线

2) 微带传输线

图4-4-11 微波传输线

同轴线是由同心的内导体和外导体组成，有软硬两类。表4-4-7列出国产SYV和SWV系列同轴电缆参数。

波导管是传输微波的最常用的传输线。不同尺寸的波导只能传输频率此传导截止频率的电磁。常用矩形波导参数如表4-4-8所示。

表4-4-7 国产同轴射频电缆参数

参数

型号

特性阻挠

/Ω

衰减不大于/dB·m^-1

电晕电压
/Kv

绝缘电阻/MΩ·Km^-¹

SYV-50-2

0.1561

10000

SYV-50-5

0.082

10000

SYV-50-11

0.052

5.5

10000

SYV-75-2

0.280

6.9

10000

SYV-75-5

0.082

10000

SYV-75-18

0.026

8.5

10000

SWV-50-2

0.160

3.5

10000

SWV-50-7

0.065

10000

SWV-75-7

0.061

10000

表4-4-8常用矩形波导参数

波导型号

主核频率范围/GHz

截止效率

/GHz

内截面尺寸/mm

壁厚
/mm

衰减值

/dB·cm^-1

宽度向

高度向

WJB-100

8.20-12.5

6.557

22.86

10.16

1.0

0.110

WJB-120

9.84-15.0

7.868

19.05

9.52

1.0

0.133

WJB-140

11.9-180.0

9.487

15.80

7.90

1.0

0.176

WJB-180

14.5-22.0

11.571

12.96

6.48

1.0

0.238

WJB-220

17.6-26.7

14.071

10.67

4.82

1.0

0.370

WJB-260

21.7-33.0

17.357

8.64

4.32

1.0

0.435

WJB-320

26.4-40.4

21.077

7.11

3.56

1.0

0.583

近年来，微带线有逐步取代波导管之势。尽管目前还存在泄漏等问题，但因其体积小、重量轻，在航空、航天的微波检测系统中必将获得广泛的应用。

3、微波传感器

(1)天线的作用：

微波传感器,亦称微波天线。它担任两个任务：1）向试件发送微波能量，2)接收由试件透射、反射或散射回来的能量。若两者用一个天线，既发射又接收，则为单天线系统；若两者用两个天线，分别担任发射与接收，则为双天线系统。

(2) 天线的基本类型

微波技术所用的天线类型，基本上分为两类：1）辐射型天线：用于雷达、遥感等远场探测；2）传输型天线：常用于微波测量和无损检测。微波法技术在发展初期，在近程应用中也借用过辐射型天线。近年来在近场检测时，多用传输型天线。

(3) 常用的几种传输型天线

1）末端开口的同轴线或波导管：

此类传感器，多用在微波传感器贴近试件表面的情况下，才有较好的指向性。否则，在微波传感器远离试件表面时，从同轴线或波导管末端开口发射出来的微波波束将会发散，使指向性下降，探测性能也要降低。

2）介质天线：

此类传感器，将两端为尖顶或楔形形状的介质棒装在波导管上，两端渐变的形状是为了分别与波导管和与空间上实现阻抗匹配，可在近场检测时有比较好的指向性。介质天线示意图见图4-4-12：

图4-4-12 介质天线示意图

3）微带边缘场的谐振传感器

微波谐振传感器的示意图见图4-4-13，图中，由边缘场的等效电路构成谐振器。

图4-4-13 微波谐振传感器

此类传感器应用谐振法，可对被测试件表面实行超高分辨力的检测，空间分辩力可达微米数量级。并能对油罐车内油体的不同深度含水量实行快速、准确检测。

4）合成孔经天线

为了提高微波天线的空间分辨力，除了要求天线自身的指向性之外，还可采用两个或多个天线组合，以合成孔径的方式，来提高天线组合的空间分辨力。图4-4-14为双天线合成孔径组合的天线指向性示意图。

图4-4-14 天线合成孔径原理图

4.4.4.3微波法检测仪器的类型

按检测对象来分，微波法检测仪器可分为性能参数的“非电量测量”和材料与结构的“质量控制与评估”两种基本仪器类型。前者如湿度、厚度、浓度、温度等微波测量仪器；后者如各种用途的微波探伤仪。

按仪器发展程度来分，微波法检测仪器又可分为“微波检测试验装置”和“专用化微波仪器设备”如下两个发展阶段：

1、微波法检测的试验装置

针对检测对象，开发相应的微波法检测技术时，一般先要从事：（1）微波源和其调制电路的研究；（2）专用微波传感器的研究；（3）微波检测网络的研究。微波检测网络的输出经标量或矢量的微波网络分析仪（或六端口网络分析仪）等微波测量仪器检测，再和计算机结合，组成微波法检测试验装置，进行微波检测的试验研究，为专用微波法检测仪器的开发打下坚实的基础。

2、微波法检测的专用仪器

微波法检测专用仪器的构成，可根据微波检测的需要，实行系统的专用开发，制成可靠的专用测量仪器，如微波湿度计、微波厚度计和探地雷达等。这些仪器的出现表明相应的微波探测技术已发展到实用化阶段。

微波法检测具体的试验装置和专用仪器，将在随后的章节中结合“微波检测主要应用”来进一步介绍。

4.4.5 微波涡流检测技术

4.4.5.1 电磁共振涡流探头

微波检测裂缝，可以应用微波涡流检测技术。微波涡流的应用产生与常规涡流有些明显不同的性质。主要有三项：

（1）因为是微波频率，趋肤深度非常小（典型的为几微米），裂缝必须是金属表面开口的，才能被检测。

（2）在微波频段可以应用辐射和非辐射两种探头。

（3）如果裂缝是开口的，当频率增高时，贮存在裂缝内的能量在裂缝响应中开始占优势。这就意味着，微波检测系统对开口裂缝是非常灵敏的。结果是，如果频率增加到足够高，波就能在裂缝内传播，而裂缝响应也就变成对裂缝的深度非常灵敏。

在低频率的涡流检测中有两种不同的方法。首先是单线圈系统，在这里感应涡电流按ΔZ的系数改变线圈的阻抗。第二种方法是引入第二个传感器（感应线圈或霍尔效应装置），它同时感受施加电场和感应涡流引起的第二电场。上述两基本配置的数字变化已经用在低频探测和微波频率探测。首先考虑的是低频单线圈系统的微波变型。

已经用来分析微波涡传感器以计算因裂缝引起的探头阻抗ΔZc变化的一种方法以Lorentz互易性理论为基础。实质上，互易性理论是建立缺陷造成的阻抗变化与包围该缺陷体积的表面上的某些磁场积分的关系。用于微分涡流分析的基本公式为：

式中

　I ——无缺陷时探头电流；

I^’——有缺陷时探头电流；

S_F——包含缺陷的表面；

H ——无缺陷时的磁场；

H^’ ——有缺陷时的磁场；

E ——无缺陷时的电场；

E^’ ——有缺陷时的电场；

n ——垂直于S_F表面的单位矢量。

式（4-4-9）示出了探头阻抗的变化不受垂直于表面的电磁场的影响。

式（4-4-9）可以用逼真假设加以简化。只要探头和涡流远小于微波波长，辐射场就可以被忽略。这可以假设缺陷(裂缝)是深为a，宽为Δu的矩形，且a<<Δu。

如果在常用的微波频率，缺陷深度与集肤深度之比远大于1，则ΔZ_{c =}：

(4-4-10)

式中

k——2π被真空中波长所除的商（ka<<1）

H₀——正切于金属表面的磁场的复数幅度；

η₀——真空的本征阻抗或120π；

Z₀——表面阻抗。

由于4-4-10，若Δu小且H₀/I为实数，则ΔZ_c基本上为电感性的。

如果频率足够高，则缺陷深度被集肤深度所除的商远大于1，阻抗的变化为：

式(4-4-11)显示，如果槽的宽度小，而H₀/I为实数，则ΔZ_c既有电阻性又有电感性分量。如果槽宽不小，则ΔZ_c在高频变为电感性占优势。

三种微波裂缝检测系统的方框图形式示于4-4-15~ 4-4-17。

较早期的微波检测的配置以方框图形式示于图4-4-15。它是带有两附加特性的反射计。第一附加特性是一微波电桥，用以消除背景噪声(也就是表面反射)。第二是旋转波导接头，以提供入射波的偏振。当入射电场垂直于裂缝的长度时，由于裂缝成了偏振滤波器，散射最大，这就有效地标记了被裂缝散射的信号。这是一种模式转换的形式，在这里，裂缝将入射波的一部分（模式）转换为正交偏振波(独立模式)。

另一种用于微波裂缝检测的系统是模式转换系统，示于图4-4-16，该系统选择连接模式耦合器至喇叭天线的圆形波导的直径，能够激励和发射TM_0.1或TE_0.1圆形波导模式。表面内的裂缝转换，某些入射能量成为TE_1.1模式，它是用楔形波导和法位第转子调制器从其他模式能量分离出来的。

第三种微波涡流检测系统的方框图见图4-4-17。它也用模式转换，但不用偏振调制。当入射偏振相对于槽(裂缝)成0°或90°时，线性偏振入射波部分地转换成正交偏振，零拍检测系统提供同相输出(I)和90^o相移输出(Q)，而且能用与常规(低频)涡流系统相同方式显示。

图4-4-15 微波裂缝检测的系统

图4-4-16模式转换裂缝检测的系统

用于该系统的天线，是一个工作频率为100GHz，焦点波束宽约为3.5mm的透镜一聚焦喇叭。这是搜索远场内缺陷的辐射探头的一个例子。

有关三种系统得出的结果报道指出，开口的、具有高Q值，且长度大于半波长的裂缝均能被检出。实际上，人们可改变频率直至裂缝信号垂直提离圆。知道频率和在裂缝内传播的电磁波的一个模式，深度就可以测定，由于裂缝信号相位的测量是相对于提离圆的，这一特征是自校的。(提离信号在示波器上近似遵循圆形规迹。该规迹称提离圆。提离圆的直径依据系统的增益而定。)

微波涡流系统也有用平面传输而不是波导的，从而使它们成为近场型。这种探头具有较图4-4-15～4-4-17所示的其他形式高的灵敏度。如图4-4-18所示，探头采用一对相邻的耦合微波条带线。该耦合微波条带线能承载两正交的TEM模式，偶数的（图4-4-18 a）和奇数的（图4-4-18 b）。其传播方向垂直于图4-4-18 a）的平面。对偶数模式，两条带相对于地的电位是相同的。对奇数模式，相对于地的电位，大小相等极性相反。两条带载相等但反向的电流。

图4-4-17 用自差法检测交叉偏振背散射的微波系统

图4-4-18 一对耦合微波带状线的两个正交模式
a) 偶数模式 b) 奇数模式

在偶数模式，只要保持对称，将不会向奇数模式转换。然而，当一个接地平面内的表面裂缝干扰一个条带的电流但不干扰另一条带时，一些功率将转换为奇数模式。如果被检测的表面是接地平面之一，且条带被偶数模式激励，而不仅当检测的只是奇数模式时，这样一对耦合条带传输线就能用来作表面裂缝检测。正像人们以前已经讨论过的，这种类型的探头依靠模式转换获得了高灵敏度。

用于检测175mm壳体的探头截面图，示于图4-4-19。这种微波条带线的两主要特征是：

1) 微波条带线的长度可按要求选取；

2) 如果采用薄的、柔软的介电材料条带线，探头可以制成适合弯曲的表面检测。

在图4-4-19中，当需要检测开口裂缝时，壳体形成条带传输线的一个接地平面。

用耦合微波条带检测裂缝的系统示于图4-4-20。通过调节连接于探头输出的可变衰减器和移向器，使其能达到50～75dB的动态范围。积分检测和随之的平方和相加使产生一相敏输出。所用频率接近10GHz。当图4-4-20的系统被连接到图4-4-19所示的裂缝检测器时，小至长2.54mm，宽0.038mm，深0.13mm的电火花加工的槽，可以被检测出来。然而，当探头扫查表面时，在偶数和奇数模式间维持高的绝缘(电桥平衡)是困难的。这通常是由于从壳体轻微地提离检测器的缘故。若用同相和90异相信号而不只是幅度信号，提离效应可以减少。

图4-4-19 微波条带线裂缝检测截面图

（图注：未标单位的为in）

图4-4-20耦合微波条带线表面裂缝检测系统

（LQ 本机振荡器； IF 中频频率； RF射频频率）

4.4.5.2 铁磁共振涡流探头

一种与上述完全不同的探头示于图４-4-21。替代电磁共振的，这种探头采用了铁磁共振(FMR)。铁磁材料在它们的导磁率中呈现出自然的分散性。铁素体中的这种效应已经研究出，在无外加磁场时，典型的有两个共振, 一个在3～500MHz的范围，而另一个在1200MHz。有证据说明较高的共振是由于电子的自旋。由于存在着内部各向异性的磁场，这些自旋共振的出现是必然的。这些内部磁场趋向于保持与优选的晶体轴一致的电子磁矢量。很多此类共振是很宽钝的。

图4-4-21 典型的铁磁涡流共振探头（缺，以上为铁磁涡流原理）

研究柘榴石的磁共振已给出某些窄的铁磁共振线。钇铁柘榴石(YIG)给出十分窄的铁磁共振线。多晶的YIG所具有的线显示内部场的值为33、14和4.0kA·m^-1(420、180和50Oe)。其性质通过代替部分的钇、铬和诸如钇与镝等稀土元素加以改变。抛光的、单晶球形式的、置换的YIG可获得一个优越的窄线。最好的结果是宽为41A·m^-1 (O.52 Oe)。内部场的值为0.175T(1750G)。在直径0.8mm的球形式内，具有线宽185 A·m^-1 (2.3 Oe)的单晶，其Q因素在9.5～67GHz的频率范围，约为3000。要求外加磁场覆盖这一频率范围。

图4-4-21内例示的共振器是直径小于1mm的单晶YIG球。球的共振频率通过所加的场H_DC的强度和方向确定的，见图4-4-20。在YIG内的内部磁场来自YIG球内电子的旋转磁场，这是由于它们与所加磁场H_DC相互作用引起的。进动角频率ω₀由下式确定。

(4-4-12)

式中　r=2.8*10⁶rad/Oe.s。

对谐振频率范围为500~2000MHz，H_DC的值14.2～56.8A·m^-1(178～714 Oe)之内改变。这样范围的磁场值是很容易用钐-钴和其他类型的现代磁材料提供的。

与低频涡流头不一样，图4-4-20所示的线圈是单匝的，它的直径是1.5倍YIG球的直径或者是0.25～0.75mm，导线直径用0.13mm。

铁磁共振是以铁磁材料为条件。YIG球如此之小，以致边界条件必须加以考虑。如此引入无限数目的共振模式，被称为静磁学模式。每一模式均带有球内的磁化特征分布和依据H_DC的特征频率。当图4-4-21内的微波涡流探头按图4-4-22所示装置时，如图4-4-21所示，置于线圈的射频(RF)场(H_RF)内的材料特征，将改变YIG内的耦合损耗和模式。靠近探头的材料引起模态的幅度和频率发生变化。这转而又将改变来自单匝环电感线圈的反射能量。

占优势的模式是一磁场均匀分布于整球且是均匀进动的。其进动频率ω₀由式(4-4-12)给出，而且可用场强的电子偶极力矩(m_RFV_s)表示，此处V_s为球的体积。由于H_DC和m_RF的矢量乘积是以频率ω相对于H_DC进动的，按照右手定则，在垂直于H_DC平面内，见图4-4-21。进动是处在加于耦合线圈的驱动电流I的频率。当进动频率ω₀等于进动频率ω时，得到的偶极力矩为最大。随时间变化的磁场，由于这种旋转偶极力矩的作用而建立在球的外部。上述外部随时间变化的磁场受材料内部缺陷的干扰就以与常规低频涡流探头产生时间变化磁场的相同方式产生缺陷的检测信号。

图4-4-22 从FMR探头测量反射的微波系统

实际上，YIG球是以沉积的方式固定在一片带有环形蚀刻的微波电路板上，导线引环路的一端与半刚性同轴线连接。一个小的钐一钴磁铁在黄铜的夹持器内供给偏压场。磁铁的位置可以调节，用以改变场的取向与频率。这种类型的探头，由于体积小，给出了优越的空间分辨力，鉴别克服边缘效应，以及对局限角落的可达性。

FMR涡流探头的高灵敏度和高空间分辨力已经得到实践的证实。在一种情况下发现，FMR探头对开口槽较之商用100kHz探头具有高达40倍的灵敏度。用FMR探头检测到的缺陷信号与应力疲劳裂缝的开口宽度相互符合关系也得到了良好证实。

另一些研究工作者已经将FMR探头应用到铝、316型不锈钢、磁性铁和XC-38。他们采用YIG和镓添加剂的钇柘榴石(GaYIG)。这种柘榴石和以前所介绍的石榴石的主要区别是：YIG饱和磁化曲线固定在0.075T(750G)：而GaYIG则随镓的添加量而改变。所用共振器的原理图，见图4-4-23。通过测量图4-4-23中的反射系数完成共振频线的表征。通过铜环路的方式，加微波信号到柘榴石上：在共振不存在时，波形被反射：当达到共振时，入射波被柘榴石吸收而反射波被严重衰减。通过标量分析或矢量分析，即可标定反射系数。

在空气中(未耦合至样件)，共振频率是与图4-4-23中所加的偏置场H_DC成正比，比例常数为2.8MHz/Oe，YIG的共振线位于3GHz以上。对GaYIG，共振频率能下降到小于1GHz。

图4-4-23 YIG共振器原理示意图

所用柘榴石的直径有375μm或500μm。仅只用柘榴石，它要求偏置磁场在80和160kA·m^-1(1000和2000 Oe)之间。微波环是由印刷电路制作的。有关微波振荡器的实践经验指出，环路具有1.5倍柘榴石直径的，则其铜带宽应为0.1mm。

常用的有三种探头(A，Bl，B2)。这三种检测头例示于图4-4-24。该三种探头的构成用在下列几种情况：

1)探头A用于非磁性金属，在此场合下磁场平行于金属表面，而探头A的干扰场将处于非磁性金属表面内：

2)探头B1用于磁性材料，FMR探头住金属和磁铁之问给YIG提供偏置磁场，而RF场垂直于磁金属表面：

3)探头B2用于磁性材料，FMR探头在磁铁和金属之间，而来自YIG线圈的RF场平行于金属表面。

图4-4-24 用YIG线圈构成的三种微波涡流探头

a) 用于非磁性的金属

b) 用于磁性金属，RF场垂直于金属表面

c) 用于磁性金属，RF场平行于金属表面

探头B2由于环路的位置，在金属和柘榴石之间最小距离大约lmm，这一缺点可以通过采用半环路来克服。在探头B1中，有为数众多的寄生模式，它们几乎与主模式同样强烈。这种探头，当需要在缺陷效应中分离出有关距离效应时，特别有价值。

测量原理可以描述为共振线和缺陷存在的一种变形。FMR所用的电子器件方框图示4-4-24。对标量分析，一个频率摆动振荡器(摆频振荡器)(德国称信号发生器，确切地说是频率调制的RF源)送出一个波形，通过耦合器再由循环器到探义。来自探头的信号，经过循环器到检测器再到示波器的垂直轴。所用信号改变频率并送至示破器的水平轴，示波器显示探头作为频率函数的共振。自动控制装置使其能确定峰值时的频率。金属的扫查发生在单一的方向并作出曲线f(x)。缺陷以频率偏移表征。

对向量分析，反射波送至矢量分析器，它使得能够显示相平面内的反射系数。缺陷的效应被相平面内谐振环所表征。当需要对，同步器允许相位锁定在摆频振荡器上以提供较大的频率稳定。

对三种金属进行了试验研究，铝、316型不锈钢和磁性铁。样件表面研磨至算术平均粗糙度Ra为0.1μm。

缺陷是用直的人工凹槽，切割横过样件的整个长度。研究的参量是谐振峰的频率。铝和不锈钢的结果相差不大。铝和磁性铁的矢量分析之问差别是明显的。

提离效应对铝和磁性铁有本质上的差别；而铝和不锈钢则是相同的。对铝，提离Δh大于300μm，频率保持稳定；提离从300μm减至100μm，频率由4014MHz增加到4024MHz。对磁性铁，频率从600μm的3800MHz几乎是指数地减到100μm的4300MHz。铁内的频率变化是由磁性和金属间的空隙变化引起的。非金属材料中，频率的改变是由于金属中的涡电流。

在图4-4-22和图4-l-23例示的配置中，频率测量的灵敏度为100kHz，几乎是被其不稳定性所限。在三种金属的每一种，其提离同为100μm，由100μm×l00μm缺陷所引起的频率偏移图形：铝最小，不锈钢居中，而磁性铁最大。频率偏移：铝为4MHz，不锈钢为12MHz，而磁性铁为27MHz。对于所有三种金属，10μm×5μm的缺陷都消失在背境中。

图4-4-25 分析框图

a) 标量分析 b) 矢量分析

实验证实，FMR探头对铁磁材料中的缺陷较之非磁性金属中的有较好的灵敏度。对于非磁性金属，频率的偏移是由涡流引起的：而铁磁性金属，频率的偏移是由缺陷形成的偏置场引变造成的。由于频率偏移0.1MHz可以测量到，场的变化0.05％即能被测出。

4.4.5.3 在检测小半径的孔和区域上的应用

用涡流测量小曲率半径的孔和区域，美国西南研究院己采用慢波装置。该慢波装置除了最后一匝短路以外，类似于螺旋天线或螺旋TWT。这一短路匝形成一短路空间传输线而没有屏蔽。在这一检测装置中，它的长度和直径是可以调节的，在螺旋置于孔内，当最后一匝未短路时，它形成螺旋谐振器：或者当螺旋被短路时形成一螺旋的延迟线。图4-4-25所示的系统，当采用螺旋天线时，幅度和相位信息可由测量与腐蚀敏感的表明阻抗获得。可构成多个并联的螺旋探头，以测量多个孔的大小。

关于小曲率半径的区域，慢波螺旋可以制成为柔性的，从而使其适应工件的特定的构形或可以使其在工件表面上扫查。然后，通过标定使表面阻抗相对于被检测表面的腐蚀敏感。

在任何情况下，微波信号传送不是用螺旋形导线就是用圆形或矩形截面的中空的管，前者在螺旋的内部和外部均具灵敏度；后者通过管内的孔或槽均能使其对表面阻抗灵敏。所以，为了满足飞机不同形状部件表面阻抗测量的需要，可以形成许多不同的配置。

4.4.6微波全息照相技术

全息照相图是参考电磁波叠加在目标散射电磁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问的相对幅度和相位，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E₁，且假定其为平面波(相同频率，相同相位)。目标散射波被标为E₂，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：

I(x,y) = (E₁+E₂)(E₁+E₂)^* = |E₁|²+|E₂|²+ E₁E₂^*+ E₁^*E₂（4-4-13)

式中，*指共轭复数。在照相记录中，最后两项，E₁E₂*和E₁*E₂，因为它们是相对信号方位项，它们只起到重建作用。│E₁│²和│E₂│²项则是重建中的零阶散射项。当干涉图被一个第三平面波E₃照射时，产生一个E₄调制波，它给出为：

E₄ = E₃E₁E₂^*+ E₃E₁^*E₂(4-4-14)

因为E₁和E₃均为平面波，E₁= E₂*，而乘积项E₃E₁和E₃E₁*为恒量。式4-4-14表明，目标散射波E₂和它的共轭E₂*是被重建的，从而目标图像的虚像和实像得到重建。

4.4.6.1 光全息照相

点光源的全息照相作业可用如图4-4-26所不组成。在图4-4-26 a）所示同心圆绕射板中，开口的孔隙只允许对构成有用的在焦点相加的能量通过：不透明环阻止干扰与破坏有用的焦点长度的能量。在重建过程中，激光辐照全息图的地方示于图4-4-26 b），衍射使得会聚波在焦点F形成光点的实像。在同心圆绕射板，衍射还形成发散波，它对观察者产生光点位于共轭焦点Fc(见图4-4-26 b)的虚傍。发散光与来自针孔的光是很难区别的，而观察者将想像他看到了位于照亮的同心圆绕射板(全息图)后面空间的第二个光源。

4.4.6.2 微波全息照相

微波在微波全息照相中类似于激光在光全息照相中，微波全息图可定义为照相记录了感兴趣的微波与由其同一源产生的相干参考波之间的一组相干(相同频率与相位)干涉图形。这种方法至今仍被有效地应用。

制作微波全息图的设备示于图4-4-27。干涉图型通过照相扫查成为可见的。制作图型要求有两组波。第一组是来自通过波导透镜方式的馈入喇叭的入射波：第二组为参考波。上述两波的设置，使在入射波和参考波组合的扫查平面上形成干涉图型。用配有小氖灯的小偶极子天线扫查干涉板。被小偶极子拾取的信号是峰值检测，进而将该峰值检测信号放大加于氖灯上，使其亮度随之变化。照相机设置时间曝光记录作为偶极子检测器的位置函数的氖灯亮度。形成的照相是为微波干涉图型(微波全息图)。

图4-4-26 盖伯全息照相示意图

a)制作 b)重建

图4-4-27 盖伯全息照相示意图

需要实施规程考查，首先是，照相底板对微波的灵敏度，已研究多年未能成功。第二，微波图形可以用两种方法制作。第一种方法是将记录的干涉图形照相转为微波液晶显示。第二种方法是通过热图的应用。这两种方法都将在本节“检测仪器”中讨论。

第三种考查也必须实施。在图4-4-27中，全息图是通过逐点将干涉图形由微波强度变换成光强度，然后逐点照相光强，用照相的方法制作的。再则在图4-4-27，加在被目标反射或折射电磁波上的也为电磁波。有另外一个途径可达到同样结果。在感兴趣的全部完整频率的微波频率(300MHz～300GHz)，不产生辐射参考电磁平面波或参考球面波，而产生干涉图形是可能的。这可以通过在检测以前，加一本机产生的参考信号到来自目标的检测信号上来实施，见图4-4-28。

图4-4-28 用本机产生非辐射
参考波的微波全息照相

为模拟平面波，用一参考波R加到目标信号S上，本机产生的信号相位必须随图4-4-28中探头在其行进方向的位移线性变化。这种相位上的线性变化用连接探头运动到相移器的旋转很容易实现。球形波的模拟较为复杂。在Fresnel近似范围以内，相位应随位置正交地变化(同相和90相移)，而这将足以满足。这一方法采用能相位编程的本机参考信号R将导致更大的可能。例如，它能模拟介电常数大于真空中的慢波，从而，使其行进速度慢于在真空中。因为相位的转动是与探头运动同步的，相移器可以在任何要求的速率下转动以模拟任意的大波矢量。这样能够移动目标的频谱(即使当它是占有一宽带时)，足以避免与图像频谱重叠。在重建时分离了实像和虚像。

另一可能是类噪声参考波的模拟，在该参考波中，相位被制成以任意的方式，譬如Φ (x,y)，是作为位置的函数变化的。在这一情况下，函数Φ (x,y)必须储存以备重建过程之用。进而，相位可以变化，从而得到所采用的扩散参考波的模拟。重建时必须采用同样扩散参考波。应用可编程参考波的优点是：

1)较易仪器化，即使在平面波参考的情况也是一样：

2)更具灵活性；

3)容易模拟复杂调制配置的可能。

进一步的可能示于图4-4-29 a），在这里采用了乘法检测器以代替强度测量装置或平方律检测器。乘法检测器是由乘法和低通滤波器组成。该检测器也称为校正器，广泛地用于干涉仪和射电天文学。

图4-4-29 全息图的记录
a)微波乘法全息图 b)微波复数全息图H₁+jH₂的记录 C乘法检测器

如果R(参考)和S(信号)是输入到乘法检测器两输入端，而假定S是来自目标，R来自本机产生的参考，则乘法检测输出为ReR*S(星号意为复数共轭，Re意为R*与S乘积的实数部分)。作为探头位置函数(图4-4-29a)，f(x,y)的输出记录被称为乘法全息。它可以被记录到照相底板上，而且在重建中恰好用作强度全息图。不同的仅只乘法全息图不包含不需要的│R│²和│S│²，因为它们已经被滤掉。在强度全息照相中的某些全息照相，│S│²频谱可能重叠于R^*S和RS^*，结果被歪曲。因为乘法全息图不总是为正，所以记录必须带符号。

在微波频率，记录场的相位和幅度两者，较之仅只是强度，相对地说要容易。这可以采用两乘法检测器来实施。一个乘法器相关R和S；而另一相关jR和S，这里jR为R偏移90^o。该两输出为R*S的实数部分和虚数部分，记录如两函数，H₁(x,y)和H₂(x,y)它们形成复数全息图。

对复数全息图，参考的相移没有也行。相移的函数仅只是使它在仅只记录一个强度图型以后，能够重新恢复相位。这一相位的恢复可以用与一复数全息图的比较而获得，如果参考波R的相位与信号波S相比变化要远快得多，也就是，倘若当R通过整个一圈相位的旋转，而S的变化并在明显，则取R相位相差90^o的两点两个强度的测量将等于R*S的测量。复数全总图由作为记录平面内的位置函数的两个映像，H₁(x,y)=ReR*S和H₂(x,y)=ImR*S，组成，如果要求在某些点再现S，那么，信号R乘以H₁和jR乘以H₂，其结果相加，将能达到这一要求。如果k│R│²。取为一，则输出恰好是S。这正是感兴趣的，与强度全息图比较，它产生的只有一个图像—虚像。

微波和毫米波全息照相较光全息照相有下述优点：

1)更有利于穿过空气，所以目标反射的图像能使其透过烟、雾和其他光学不透明的介电障碍物；

2)具有好的重建性和更为灵活的检测性，以及电子处理方法，从而可以获得图像的分离和增强；

3)信息容量远较光全息图少，允许实时操作。

4.4.6.3 应用实例

微波全息照相应用实例中最为成功的是：用微波全息照相检测和辨认隐藏的武器，已经用于一些国家机场的安全保证；在恶劣的气候中对机场跑道的高精确度目视观察。

例１用微波全息照相检查登机行李隐藏的武器 全息照相成像实验在70GHz可导致产生关于枪的可见图像。武器被70GHz (λ=4.3mm)的连续波模式所幅照。所用的速调管的输出为750mW，而它馈给产生均匀辐射场0.2mW／cm²。的抛物面天线，被武器散射的波场的相位分布被空间扫查锥形嗽叭所描绘，嗽叭具有10mm×7.7mm的接收孔径。接收器相位检测系统输出的是与被测目标的场的相位成正比的值。示波器上的显示可照相以产生相位图，枪的重建图像示出了所用的枪的概貌，枪的边缘正如所要求的那样加重了。在离天线1mm的范围线性分辨力约为10mm。

例2 利用微波全息照相提供机场跑道高精确度的目视观察 微波系统用来实施起落跑道的精确测定，是采用在一定的间隔处设置反射器的方法。微波系统的建造是用来以全息照相方式目视在跑道上的这些反射器的分布。着陆的飞机用两微波束照射设有标志的跑道。由于用来成像的是一个处在毫米级的波段。它的波长足够短，所以能够容易地分辨目标(跑道)。较长波长的辐射用来实现目标驱动的参考束。这就获得了使得在飞机上的全息图记录阵列中，减少了所需要的接收元件：放松对在阵列中必须知道的接收元件位置的精度要求。3mm的成像波长和6m间隔的反射器，使全息图记录阵列长度能在最大的3km操作范围分辨1.5m两相邻反射器。

4.4.7微波法检测主要应用

4.4.7.1湿度的微波测量

大多数非金属材料在生产、应用、运输、储藏过程中，需要保持一定的湿度，以保证物品的性能和质量。如湿度对照相胶片的质量有明显的影响；火箭燃料里有微量水分就可能结冰而产生危险；在生产人造橡胶时，混合剂里水分太多，反应器里会产生大量的乙炔，容易燃烧爆炸。

1．微波测湿的基本原理：

测湿样品通常是某种介质和水的混合物，其复合介电常数介于水的介电常数和某种物质的介电常数之间，在频率为1~30 Hz时，常温下水的相对介电常数为30~77，损耗角正切(tanδ)为0.12~0.17，而大多数绝缘物质的相对介电常数为1～5，损耗角正切为0.001~0.05。因此，水在微波波段的介电常数和损耗角正切比大多数脱水物质高得多，测湿样品中含水量少量的变化将导致复合介电常数很大的变化。故根据测湿样品介电常数的大小和其相关量，便可确定含水量的多少。

(4-4-15)

对于TEM波，衰减常数和相移常数分别为

微波通过厚度为d的测湿样品后，其衰减和相移量分别为

（4-4-16)

由此可见，随着样品湿度的不同，ε_r和tanδ数值也不同，因而微波通过样品后的振幅和相位将随样品的湿度而变。若在谐振腔内放人测湿样品，则腔的谐振频率和品质因数值将发生变化。在实际测湿过程中，并不需要测出介电常数的值，而是直接测量微波衰减或相移，或谐振频率，然后根据它们与湿度的定标曲线查得湿度。

2．最常用的微波测湿法方框图

微波测湿法有衰减法、相移法、反射波法、平衡桥路法、谐振腔法等。

其中最常用的双T平衡桥路法，其测试电路图4-4-30所示。双T平衡桥路法测湿灵敏度高，适用于低水分或高分辨率测量。由于采用了桥路平衡，测量数据与晶体检波律无关，可降低对微波信号源稳幅的要求。在毫米波段可测量石油0.002％～0.1％的含水量，在3 cm波段测粒状固体如磷酸氨含水量为0.2％～1.5％，其精度可达±0.1％。

图4-4-30 双T平衡桥路法测湿仪方框图

4.4.7.2悬浮体浓度的微波测量

悬浮体是指液体和与其不相溶的某种固体微粒的混合体。通常把液体称为基质，把固体微粒称为悬浮质。为了得到悬浮体浓度与微波衰减量之间的定量关系，假定悬浮体是由基质层与悬浮质层组成，其物理模型如图4-4-31所示。悬浮质的厚度d₁为

d₁= d - d。

式中，d为悬浮体厚度，d。为基质层厚度。若用W、W₀和W₁分别表示面积为S。的悬浮体层、基质层和悬浮质层的重量，γ、γ₀和γ₁表示相应层的比重，则各层的重量分别为

由以上三式，得

根据浓度的定义,有

由此解得

图4-4-31 悬浮体的物理模型

悬浮体浓度测量可选用图4-4-30所示的双T平衡桥路法电路。悬浮体的物理模型如图4-4-30所示。在温度为15℃和25℃时，测得比重γ₁＝1.46g·cm^-3的炼乳的浓度s和微波衰减的关系如图4-4-32所示。

这种方法可用于乳类产品的生产、水泥粘合剂、化工的中间生产过程和其他悬浮体浓度的测量。

微波通过悬浮体之衰减为

式中，

α、α₀和α₁分别表示悬浮体层、基质层和悬浮质层的衰减常数。

A。、A₁和A分别表示微波通过厚度为d的基质、厚度为d₁的悬浮质和厚为d的悬浮体的衰减量。

当A>>A₁且基质为水时，最终有

(4-4-17)

由此可见，某种悬浮体对微波的衰减A与浓度s之间有一定的函数关系：。因此，通过微波衰减的测量，可以测定悬浮体的浓度。

图4-4-32 炼乳的浓度和衰减的实验曲线

4.4.7.3 厚度的微波检测

1、金属板微波测厚

微波测厚的原理如图4-4-33(a)所示。图4-4-33(b)所示为待测金属板与两个终端短路器组成的“等效短路器谐振器”。环形器作为耦合元件，将金属板上下表面的反射波从输入端耦合出来。金属板与终端器机械上并不接触，终端器与被测金属板之间的距离约为λ／3。等效谐振腔的总长度L=L₁+L₂，L与金属板的厚度有线性关系。当待测金属板的厚度d变化时，金属板上下表面的反射波相位随之改变，最后表现为环形器输人端反射系数相角的变化。

图4-4-33微波测厚的工作原理图

1,2－终端器; 3,4－波导; 5－待测金属片; 6－环形器

显然，同波导短路器一样，输人端反射系数的相角为

(4-4-18)

或

(4-4-19)

式中，Δd为金属板厚度的变化量。由式(4-4-18)和式(4-4-19)可见，当板厚增加λg／8时，谐振器的总长度L将减短λg／8，其输入端反射系数相角将超前,π／2；当金属板厚度d不变，仅作上下平行移动时，由于谐振器总长度L不变，因而输入端反射系数相角θ也不会变，故测量结果与金属板平行移动无关。

微波相角的变化采用图4-4-33(a)所示的微波电桥“和差”系统。图中测量谐振器与比较谐振器在电气上完全对称，但在结构上稍有差异。比较谐振器由两只可移动短路活塞构成，魔T作为相角比较器件，对两个谐振器的输出信号进行比较。微波信号经过环形器由魔T的E臂输入，魔T将微波功率反向平分给两个谐振器。两个谐振器的反射波信号同时返回到魔T的H臂和E臂，并得到两路信号的和与差。当两路信号电长度为λ_g／8时，检波输出之差值为零，放大器无输出。一旦厚度变化Δd，放大器便有偏差电流信号输出至自动调节系统。

该厚度测试系统测厚范围为0.1~0.5 mm，给定误差约l%，偏差系统动态误差±0.01 mm，8 小时漂移0.01 mm，输出信号响应时间50μs，已用于金属带材自动化轧制过程。

以上对金属板的微波测厚法，甚至能在高温条件下对金属板实行快速、精确的测厚。

2、非金属板微波测厚

对非金属板的微波测厚法，可用穿透法或反射法（背衬金属板），由微波的衰减量和相移量，来实现快速、精确的测厚。

4.4.7.4 固体火箭壳体完整性的检测

连续波反射计，是在发一收结合的开槽微波同轴传输线内用检测器测量驻波的幅度。它们可以用来检测诸如玻璃纤维固体火箭燃烧室部件的不连续性，使用频率为12.4～18.0GHz。来自内部不连续的反射改变被检测器测量的驻波幅度并给予输出的改变。当材料被扫查且反射仪的信号被强度调制记录仪记录时，不连续性可以被观察为亮区或暗区。这种C扫查形式，当其与电平灵敏设各相连接时，可以用来只记录高于或低于某一电平的变化，从而显示的只是不连续。包含开槽同轴传输线的连续波微波检测系统方块图如图4-4-34所示。

区的附加反射的存在增加了进入天线的总反射。驻波可以被材料中的反射所建立，从而，在某些频率相隔四分之一波长的反射存在着全抵消。由于这一可能，应该小心选择频率。采用几种频率以保证无完全抵消存在。

图4-4-34 用来检测不连续的微波检测系统

气孔测量所依据的是，气孔形成的不连续产生附加反射，其所引起的是进入天线的合成反射波的变化。图4-4-34所示系统可采用直接耦合器替代开槽测试线以改善上述测量。该耦合器能使输出信号仅只与反射信号的幅度成正比。

4.4.7.5 胶接结构脱粘的微波检测

图4-4-35所示是利用网络分析仪组成的9 GHz微波检测系统，通过试样检测的胶接结构缺陷，灵敏度还会提高。

图4-4-35 利用网络分析仪的微波检测系统

用相位和幅度测量来检测脱粘及气孔的大小。如φ18 mm和φ36 mm的脱粘，相位指示分别为160º和150º，而φ18 mm和φ36 mm的气孔，相应指示分别为145º和115º，相差甚远，容易区分。

4.4.7.6金属表面裂纹的微波检测

虽然微波不能穿过金属材料内部，但是用微波可以检测金属表面的裂纹。若金属表面有裂纹，并且裂纹与电场极化方向相同，则反射波与裂纹深度、宽度有关。根据这一原理，可以非接触地测定金属加工表面的粗糙度和裂纹深度，其测试电路如图4-4-36(a)所示，检测效果如图4-4-36 (b)和(c)所示。微波信号通过矩形波导耦合至圆波导，当传播到被测金属表面时，由于裂纹破坏了原来波型的表面电流，使原来的波型被简并成TE₁₀波。再经过波型滤波器和法拉第旋转器使矩形波导激励TE₁₀波，最后通过晶体检波和放大予以显示。

图4-4-36　金属表面裂纹微波检测系统及效果

4.4.7.7 探地雷达技术

1. 探地雷达技术概述

探地雷达(Ground Penetrating Radar，缩写GPR)是以地下不同介质电磁性质的差异为物理依据的一种高频电磁深圳技术，又称亚表面雷达(sub-surface radar)。

表4-4-9列举了在一些常用介质中影响电磁波传播的部分物理参数。

表4-4-9 常用介质中影响电磁波传播的部分物理参数

如果按用途或天线的工作模式分类，GPR可以细分成很多类型，但其工作原理大致相同，即发射天线发射的电磁波在地层中传播时，如果遇到电磁性质不同的目标，将发生前向和后向散射，散射波在多个目标之间以及目标内部还会形成新的散射，一部分散射波被接收天线接收。随着天线的移动，GPR记录到各测量点处的电磁波信号，经过进一步处理和分析后可判断地质分层情况和各层的材质等，同时可以识别地下目标体。

GPR技术紧随着无线电技术的发展而萌生，尽管如此，如今的电磁学理论已相当成熟，然而GPR技术还处在不断完善的过程中。在目前的计算机水平下，地质结构和地质材料的多样性、目标体的电磁特性和几何形状的复杂性，不断向GPR提出新的挑战，日趋广泛的地下探测活动推动着GPR硬件系统的发展和数据处理技术的创新。

人们在微波技术发展的基础上开发了GPR技术，但由于地下介质的复杂性、非均质性、无规律性及多变性，时至今日有些难题仍有待解决。近年来，GPR技术取得了突破性的进展，在我国，地矿、煤炭、铁道、水利、建筑等部门和单位相继引进国外的仪器和设备，已在地质调查、工程与环境勘查、农业、考古、地下水污染等诸多领域取得了良好的效果。

2. 探地雷达主要类型

依据不同的工作方式，GPR可分为地面探地雷达和钻孔探地雷达。

（1）地面探地雷达

地面探地雷达的示意图如图4-4-37所示。主要用于检测地下浅层目标，例如市政工程设施、机场跑道、高速公路和桥梁的铺设路面、铁路路基、隧道衬砌和地雷等的检测；随着探测灵敏度和空间分辨力的提高，探地雷达也逐渐用于墙壁、楼板等房屋建筑结构的检测。探测深度可达３０米左右。

图4-4-37地面探地雷达示意图

（2）钻孔探地雷达

钻孔探地雷达示意图如图4-4-38所示。又有单孔和双孔两种主要工作模式，主要用于岩层裂隙探测、矿产勘探和地下水调查等。探测深度可达100米以上。

、

图4-4-38 钻孔探地雷达示意图

3. 探地雷达仪器性能对比

国内外典型探地雷达仪器性能对比详见表4-4-10。

表4-4-10 国内外典型探地雷达仪器性能对比

4、探地雷达的数据处理

在商用GPR出现以后，数据处理能力成为制约GPR发展水平、限制GPR应用范围的关键因素，一方面其数据量相当大，不经过处理几乎无法判读出有用信息，且处理任务繁重；另一方面只有具备相关专业知识的人员才可能完美地处理并判读GPR数据。提高处理效率、减少对专家的依赖性，是GPR数据处理研究的两大课题。

与研制GPR的硬件系统相比，数据处理研究对物质条件的要求相对较少，因而吸引了世界上大批数学、地球物理、电子工程及其相关专业的优秀人才投身其中，取得了丰硕的成果。

数据处理主要指对GPR采集并记录的数字化数据的处理，处理过程依据GPR的不同用途会有很大差异，很多情况下仅需对原始数据作简单处理，数据处理要作具体分析，讲究技巧和策略。一般地，数据处理可分为基本处理和高级处理两部分。

（1）基本处理

基本处理包括数据编辑整理、时变增益校正、时间和空间滤波，核心在于杂波抑制和滤波，由于GPR回波信号具有时变、非平稳、随机性等特点，且覆盖频谱宽，传统的傅里叶变换域滤波的降噪效果不佳。对随机噪声通过叠加的方法可以取得明显效果；对相干噪声的处理比较复杂，其处理技术一直随着GPR的发展而进步。实际上，信号处理的任何新技术都值得关注，如S变换，它秉承了小波变换的时频局部化的思想，由于巧妙地采用了与频率相关的高斯形窗函数，因而具有比小波变换更优良的性能，即可用于直接作时频分析(小波变换只能在某时间尺度下分析)，更强的频率局部化能力并且天然地保持了局部化频率分量的相位特征，更高的时间清晰度，而且运算更方便，已成功应用于医学诊断、电能质量分析和地震数据处理等方面，S变换同样适用于GPR的信号处理。

（2）高级处理

为了对地下探测区作精确的刻画，需要对GPR数据作深入处理，可采用图像处理法和逆散射法。

1) 图像处理法，主要是对时域雷达图进行数学和图形处理，用处理过的图像提供目标的相关信息，适于目标识别类的应用领域。图像法具有处理速度快的优点，因此在地雷探测等对实时性要求极高的场合，得到了广泛应用。图像法最初借鉴了比较成熟的地震数据处理方法，如偏移、反褶积，随后Hough变换、合成孔径成像、全息成像、高分辨率三维图像处理、自适应图像法等也应用于GPR数据的实时处理或后处理。基于图像的目标自动识别属于更高级的处理过程。GPR图像处理技术的总体发展水平目前尚处于幼年期，与医学诊断等行业的图像处理水平有较大差距。

2) 逆散射法，从电磁波的标量或矢量方程出发，根据GPR接收的信号反演目标及其背景的电磁本构参数、目标的几何参数(尺寸、深度和方位角等)，在定量无损评估(QNDE)等方面得到了有效应用。逆散射问题除了在一些极简单的物理模型假设下有显式的解析解外，通常是非线性并且是不适定的。目前逆散射问题的求解计算大多是将其分解为一系列正问题，利用确定类或随机类优化算法进行迭代求解，因而计算量大、占用计算机内存和CPU时间多。如何在现有计算机技术水平下提高计算效率一直是GPR发展过程中的热点，各国学者倾注了极大的科研激情，其前景举世瞩目。

5、几种主要探地雷达的实用形式

　　常见探地雷达有车载式、手推车式、便携式等几种不同形式。如图4-4-39所示的几幅图像显示了正在对公路路面、房屋楼板、隧道内墙以及铁道路基进行探测作业的车载式、手推车式和便携式探地雷达。

图4-4-39 a) 车载式GPR系统（检测公路铺设路面）

图4-4-39 b) 手推车式GPR系统（检测楼板）

图4-4-39 c) 便携式GPR系统（检测隧道内壁）

图4-4-39 d) 手推车式GPR系统（检测铁道路基）

6、探地雷达的适应性和局限性

（1）适应性

现阶段商用GPR品种繁多，数据记录格式各异，尚无世界通用的产品规范，给厂商和用户增加了麻烦，而且不利于通用数据处理软件的开发和推广。尽管如此，在无损检测领域至今还没有其它检测手段具有像GPR这样广泛的适应性，惠及如此众多的行业，在很多场合下GPR是无可替代的。除了车载式探雷用的GPR和机载GPR有越来越复杂的倾向外，一般民用产品正在向更精巧、更智能化、更节能和更方便的方向发展，最具吸引力的是价格要低廉，这一点对于GPR的健康发展具有深远意义。

（2）局限性

GPR也有局限性，例如，它的探测深度与分辨率是相互制约的，所以在选用工作频率或天线时只好折中考虑。另外，它的探测效果也与地质条件密切相关，当土壤对电磁波的耗散性弱，且目标的电磁特性与其环境反差大时，探测效果就好，且数据处理相对简单；反之，呈现不出较好的性能，甚至可能完全不适用。

4.4.7.8 集成电路内部剥离的微波无损检测

1．`检测装置

(1) 同轴线传感器如图4-4-40所示。

图4-4-40 同轴线传感器与集成电路封装截面

（2）微波相位测量系统

微波测量系统的方块图如图4-4-41所示，整个装置是由传感器、网络分析仪、计算机和扫查平台（XY与Z）等部分构成。

图4-4-41 微波相位监测系统的配置

2、检测结果

检测结果的图像如图4-4-42所示.由图可以看到，树脂中存在的裂缝以及树脂与芯片焊盘的剥离十分清晰。

3、应用前景

IC集成电路内部的剥离缺陷的微波无损检测，对集成电路的质量控制是一种很有效的技术手段。如应用毫米技术，可更精确地检测这种缺陷。

图4-4-42 显微镜下IC封装的截面图

Chip —— 芯片 Chip pad —— 芯片焊盘

Delamination —— 剥离 Lead —— 引线

Resin —— 树脂 Crack —— 裂纹

4.4.7.9 用微波源加热的热成像无损检测

用微波源加热的热成像无损检测技术，与用光学加热的传统热成像技术相比，其优点：可对缺陷有选择性地加热；可覆盖样品的更大深度；并能提高热成像检测的空间分辨力、检测灵敏度和样品加热速度。将微波源加热的热成像NDT技术，用于现场检测，可获得准确、快速、经济的整体性检测效果。

1、试验装置

用微波源加热的热成像试验装置如图4-4-43.。

图4-4-43 微波源热成像试验装置

微波发生器(MW-Generator)输出的功率，经行波管放大器(TWT-amp.)放大，快送至微波天线(MW-Horn)向目标发射。微波束照射到样品面板（Sample panel）上使其加热。再由红外摄像机(IR-Camera)回收反映样品状态的图像，送回微机（Microcomputer），经数据处理，可显示出样品中缺陷的分布。在样品附近，放置微波吸收体(MW-Absorber)，以防因微波反射、散射造成的干扰。

2、检测结果

样品的结构如图4-4-44所示。检测结果由图4-4-45给出。

图4-4-44 聚四氟乙烯—有机玻璃—水构成的样品图解

图4-4-45 样品的检测结果

水是最强的微波吸收体，在频率为18GHz附近，微薄吸收达到最大值。在检测图像中，呈现三条空白。随着聚四氟乙烯逐渐加厚，红外图像显示的温度也逐渐降低，且图像边缘渐趋模糊。在实际应用中，可由红外图像显示的温度高地反映缺陷深度的差异。

3、应用前景：

(1) 国外已用于桥梁工程的检测，尤其适合于在斜拉桥上检测钢索内部缺陷及钢索与混凝土的连接质量。

(2) 在航空航天不同导热率的合金连接质量方面，估计也将有良好的应用前景。

4-4-7-10 桥梁附近河床冲刷的微波探测

对桥墩周围水下河床可能形成的冲刷孔洞，可用亚表面雷达实行探测与评估。这种应用在发达国家已获得重大进展。这类孔洞是最终可能导致桥梁倒塌的重大隐患。

很多国家对桥墩附近水下河床冲刷孔洞都成为主要关心的对象。当洪水沉淀后，这类孔洞势必将被淤泥所回填，因此无论是在水面上用声纳一类的技术实行检测，还是由潜水员在水下目视检查,都是困难的。

河床冲刷的模拟试验见图4-4-46。此项试验包括：相应河水和泥沙、试样的相对介电常数和高频电导率的测量、对检测系统的评定试验。不同材料特性的填充物的试验结果见图4-4-47。结果证实，用船载天线以工作频率范围为100MHz至500MHz的检测设备，有能力去检测已被泥沙回填的冲刷孔洞。电导率是影响有效探测的最大水深的关键因素，并且表明因化学污染或在潮水区域混有海水而使电导率增大。除河口地段，受海潮影响，含盐量高，电导率大，使微波衰较大。河流其它地段，微波法可探测的河床之上的河水深度，都可以达4~5m左右。图4-4-48 为正在用于桥墩附近水下河床冲刷监测的微波检测系统。

河床中桥墩底座处冲刷孔洞，是由于在桥墩处局部河流被向下转向和底座处产生漩涡所产生的。这种漩涡产生浸蚀河床的力。漩涡受河流流速和桥墩的几何形状的影响。因河流流量的增加而形成漩涡，则造成冲刷孔洞的增大，其极端情况可逐渐损坏桥墩。当流量减小时漩涡也减小，则孔洞可能保持在某一尺寸或被泥沙、碎石或类似的物质回填到与其它河床一致的程度。根据河流特性和水的状态的不同，冲刷孔洞处的情况是变化的，从全是空洞到完全被回填，近几年，在加拿大的多处铁路桥梁附近的许多孔洞，已经成为冲刷类孔洞，并且，这类问题已为世人周知。需要一套检测系统，它能够从水表面检测上述情况的任何状态，因为潜水员肉眼观察是不可能的，声纳技术虽已被广泛用来测量河床，但声纳技术在传播中遇到第一个固体障碍物时几乎完全被反射，这就意味着它不能用来检测被回填的冲刷孔洞。然而研究工作业以表明，雷达系统不仅能检测河床表面，而且能检测河床亚表面的详细情况，它能在未干透的泥水中进行检测。在美国和芬兰进行的检测证明，雷达能够在池塘和低的电导率的水的江河中进行检测。

图4-4-46 河床冲刷的试验

图4-4-47　各种材料特性试验的结果

图　4-4-48 用于桥墩附近

水下河床冲刷监测的微波检测系统

4.4.7.11 汽车防撞雷达

微波检测，在交通方面，目前最成功的应用，是用“扫频法”实行的雷达测速以便实时测量汽车在公路的车速。如今，各国正在努力开发的是汽车防撞雷达，这是微波在交通方面的一个重要用途。

有关汽车防撞雷达的研究越来越多。目前已开发的防撞雷达有调频连续波雷达、脉冲雷达和相位编码雷达等。其中，调频连续波雷达占了大多数，由于其射频结构简单，发射功率小，因而受到重视。但是在高精度、高分辨率的要求下，采用调频连续波FMCW雷达要想得到较高的调频线性度和较宽的调频范围，技术难度大，不易实现，且成本高。另外，FMCW雷达无法确定目标相对运动的方向。这些缺点阻碍了FMCW雷达的普及。基于六端口技术原理的防撞雷达则可以克服这些缺点。我们将其应用在雷达中，认为回波信号是发射信号遇到目标后的反射波，然后研究回波信号与发射信号的关系，进而得到回波信号所包含的信息。在此基础之上，本文列举了六端口结在汽车防撞雷达中的应用。

显然，如能通过六端口结测量出反射系数的相位，那就可以得到所需测量的量。图4-4-49所示为采用双频六端口技术的测距测速雷达的原理框图。图4-4-49(a)是采用模拟信号处理的，图4-4-49(b)是采用数字信号处理的。图中，发射机产生两个有一定频差的射频信号，经功率放大由天线发射出去。回波信号经过低噪声放大，作为六端口结的一个输入信号。而从发射机耦合过来的部分信号作为六端口结的参考信号。六端口结的四个输出信号分别接二极管检波器进行平方率检波，然后经视频放大器进行模拟信号处理；或者如图4-4-49(b)那样将六端口结的四个输出信号经过A／D转换，进行数字信号处理，输出所需要的距离和相对速度信息。注意，采用ASP，电路简单，成本低，测量精度可以接受；采用DSP提高了测量精度，但也提高了整个雷达系统的成本。

图4-4-49　双频六端口测速测距雷达原理框图

六端口检测技术也用于探伤和测厚。

4.4.7.12 毫米波焦平面成像系统

1. 毫米波焦平面成像的基本原理

如图4-4-50所示，这是美国Millitech公司研制成的94 GHz的焦平面成像系统，它由两大部分组成：光学部分和焦平面阵(FPA)。其中光学部分由介质透镜组成，F／D=1.1，D=Ø30cm．为使结构紧凑，光学系统借助于扭转反射镜和传输透镜构成折叠式传输系统，这样光程可缩短2/3。焦平面阵由卡片式阵元板组成，每片有8x8个阵元，共有1536个阵元，每一个阵元可在1公里距离内分辨3m．每一个阵元的像素有16x24道．每一个道都是一个宽带双边带超外差式接收机。

图4-4-50 毫米波焦平面成像原理图

2。毫米波焦平面成像的主要应用

（1）违禁品安全检查

众所周知，人体皮肤、衣服和由金属或塑料制成的武器，其噪声温度有很大的不同。美国Millitech公司研制成的超小型毫米波焦平面成像系统，由64个阵元组成，用于检查违禁品十分成功，可以很清楚地显示出隐藏在衣服内层的金属或塑料制手抢等违禁品．

（2）低能见度下飞机的安全着陆系统

现代的飞机自动驾驶着陆系统，由于造价昂贵，设备复杂，缺乏灵活性等原因，还未被广泛采用。应用毫米波焦平面成像技术来发展飞饥的安全着陆系统是很有前途的。它可以为驾驶员提供清晰的前方视场。并且是完全自主的，不需要其他地面设备的支撑。

例如英国DRA研制成功的由毫米波所构成的低能见度下飞机的安全着陆系统，就是一个十分成功的例子。

（3）毫米波焦平面成像系统的其他应用

毫米波焦平面成像系统应用于托克马克的等离子体诊断，适用于研究等离子体内短期发生的单次突发事件，具有很高的空问分辨率。它还可以在射电天文望远镜中应用于对超新星的成像，具有很高的角分辨宰。

4.4.7.13 微波波谱学应用

微波波谱学是一门研究在微波频率下，物质产生电磁辐射与吸收以及能量的频谱分布情况，以了解分子能谱的精细和超精细结构的学科。微波波谱是某些物质固有的，或物质在恒定外磁场作用下发生的能级之间的跃迁产生的。按它的起源可分为气体波谱和固体波谱两大类，后者主要是指顺磁共振波谱。利用微波波谱可以辨认各种有机分子和对大分子或复杂分子的精细结构做细致的研究。20世纪60年代开始利用射电望远镜与微波波谱学相结合，已在星际空间发现了几十种有机分子。这些“星际有机分子”的发现，为研究宇宙中物质的演化和生命的起源提供了极宝贵的资料。与可见光相比，微波频率低得多，微波波谱学可以补充可见光分析之不足。

研究气体的微波波谱可以揭露分子内部的能级结构，从而获得关于分子的结构，特别是分子结合键的性质。分析波谱中的超精细结构还可以探讨原子核的性质。为了上述目的，研究微波波谱比研究红外波谱更为优越，这是因为前者的分辨力较大，灵敏度高，频率可以测得更精确。早期的微波波谱实验是对氨蒸气进行的。那时，虽然所能得到的微波功率和探测方法都使实验的灵敏度较低，但在波长约1.25 cm处也显示出有一宽的吸收带。随着微波技术的发展，尤其是速调管和磁控管等强有力的振荡源的发展，气体微波波谱的实验获得了更高的分辨力和更多的信息，特别是与气体分子谱线相联系的超精细结构的发现在物理学家和化学家中引起了很大的兴趣。

微波波谱的另一重要类型是固体中的顺磁共振谱，它是由晶体中的顺磁离子在外磁场的作用下产生能级分裂而引起的。由于顺磁离子是处于晶格当中，因此情况要复杂得多。目前顺磁共振技术已经成为研究固体内部的结构、晶格作用力的重要工具。

顺磁共振，现在更普遍地叫做电子自旋共振。研究电子自旋共振、采用高频调制技术的近代典型电子共振谱仪的方框图如图4-4-51所示。由图可见，100 GHz振荡器的输出馈送到一个小线圈，这个小线圈置于谐振腔内，围绕着样品。该线圈产生一个方向平行于直流主磁场的高频调制磁场，因此，微波吸收信号也被此频率调制，该调制由微波电路终端的晶体检测出来，然后送往100 kHz窄带放大器，得到最终的吸收信号，再用示波器显示或记录仪记录。检波系统的噪声容量可用相敏检波技术使其减小。在相敏检波器中，来自100 kHz振荡器的参考信号也馈送到放大器，从而只有和调制场同相位的信号才被放大。由调制线圈产生的实际调制深度不大，通常比谱线宽度要小。当直流主磁场通过共振值时，这个小的高频调制“载”在吸收线的轮廓上，在行进时就采下吸收线各点的斜率。为此，在记录仪上画出的是吸收曲线的一次微分曲线，而不是吸收线本身。

图4-4-51 高频调制电子共振谱仪线路的方框图

4.4.7.14 飞机构件涂层下腐蚀的微波检测

(本节暂略)

4.4.7.15 用于温度控制的微波辐射计

1、微波辐射计基本原理

由于肿瘤能够在42.5 ~45度Ｃ的温度下萎缩直至死亡，因此用微波治疗仪对肿瘤组织进行加热到此温度是可以达到杀死肿瘤细胞的目的的。这一问题的关键是：（1）要准确地对肿瘤块进行温度控制，否则如果温度过大，就会杀死正常细胞；（2）又因为病变组织的范围一般较小，因此也应解决微小区域的测温问题，以提高空间分辨能力。

微波辐射计是目前进行无接触测温的一种较好方法。其基本原理是测量自然界中一切物体微弱的热辐射微波信号。根据普朗克定律，微波辐射取决于温度，因此可用辐射测量估计温度。微波辐射计的主要指标是频段、温度分辨率和空间分辨率。适当选择频段能够使辐射计对某种应用效果达到最佳。从目前来看，微波辐射计的温度分辨率一般可达0.3℃左右

根据量子力学里的普朗克辐射定律导出，被测人体的温度为：

式中，P为辐射计接收功率；k为玻尔兹曼常数，k=.1.38*10^-23；Ｂ为辐射计的带宽；ε为人体（某一部位的）热发射率，可通过实验得到。

这样就可以通过微波辐射计的测量来获得人体某一部位的温度，并调节辐射量的大小，来控制温度。

2、用于控温的微波辐射计的加热与控制

用于控温的微波辐射计一般由信号源、测量单元、计算机等构成。

在实际操作中，让病人躺在成型的介质台上，或者在台上放置一形状可以改变的介质块，如高介电常数的软垫，或一个聚乙稀薄膜的暖水袋。使病人能够舒服地躺在介质台上并与台子有良好的接触，以防止人体与介质台之间的空气产生反射而影响测量的精度。天线通过介质安装在病人患部，通过微波治疗仪和微波辐射计实现对肿瘤组织的加温控制。

肿瘤是人类感到恐惧的一种疾病，怎样很好地治疗肿瘤疾病，一直是医务界人士潜心研究的方向。国内临床治疗统计表明，单独放疗的有效率不高；在放疗时，再用微波辐射计加热和温控，能明显提高对肿瘤的疗效，并减少对正常组织的损伤。因此，微波加热与温控技术用于治疗肿瘤病症，有很大的发展前途。

4.4.7.16 微波法检测技术的其他应用（本节暂略）

1．地下水埋深与冰川厚度的微波测量

2．考古微波探测

3．环境污染微波监测

4．隧道盾构挖掘过程的微波“导引”

5．公共安全方面的微波检测

6．等离子体微波测量

[--完--]

参考文献

未给出

作者简介

作者白宝泉1964年毕业于清华大学无线电电子学系雷达专业。长期从事无损检测技术（从检测法、传感器到仪器装置）的应用研究，涉足超声波、声发射、微波三个无损检测技术领域。负责开发的“超声波硬度计”，国内重要的大型容器“声发射检测系统”（连续监测）、大型火箭弹带“微波无损检测扫查系统”等项目均为国内首创，其中微波扫查系统的工作频率和检测能力达到国际先进水平；参与开发的航空轴承钢、大型板材、大型石油天燃气螺焊缝三种“超声波多通道自动化探伤装置”，在上世纪70年代，代表了超声波自动化探伤仪的国内发展水平，还参与过用于煤层勘操的“地震勘操仪”等项目的应用研究。曾多次在国内外的无损检测和毫米波相关学术会议上宣读论文，并进行学术交流。负责编写了《机械工程手册》（1997年所谓“跨世纪版”，全说明国共约3200余人参与编写）的“无损检测”一章。曾为机械部技术发展基金会共性技术项目评审专家，上海材料研究所硕士生导师和教授级高工。

全文检查结果：

1. 缺少插图21：铁磁涡流的原理，（原稿亦缺），我从网上下载了一个gif文件补充上，但不配；

2. 多了以下一幅插图，但不知应插何处？ 似乎是图44-39b所指装置各部分的说明；

3. 我帮整理时用Word2003，系用双栏排版，放到网上，改用现在的形式；

4. 原稿已写“参考文献”项目，但后面没有列任何参考文献；

最后说明：帮助整理此文我花了很多时间，期间也对内容提过意见，我发表它一方面是帮助白宝泉实现了愿望，同时，文章虽不是我写的，但毕竟也是我做过的一种工作： “帮助别人工作” 的工作，值得纪念。再有，他写的一大堆手写底稿放在我这里我一直担心如何妥善保管，现在已全部上载到了网上，即使丢了也不用担心了。