СВЧ-ТОМОГРАФИЯ

СВЧ-томография, использующая радио­
волны сверхвысоких частот в диапазоне при­
близительно 10 см ... 1 мм, находится на на­
чальной стадии. В США разработан и опробо­
ван экспериментальный образец СВЧ-томог-
рафа; применение его - медицинское.
Другой перспективной областью приме­
нения СВЧ-томографии является неразру-й
шающий контроль ответственных изделий из
диэлектрических полимерно-композиционных
материалов. Moiyr решаться такие задачи, как
контроль многослойных конструющй с малы­
ми отклонениями по плотности, текстуры,
напряженно-деформированного состояния,
остаточных тепловых и механических напря­
жений.
Для томографических  систе м могут быть
эффективны алгоритмы, основанные на ин­
версном преобразовании Радона многоракурс­
ных результатов регистрации.
Задачи рентгеновской томографии сво­
дятся к нахождению решения системы линей­
ных уравнений вида
lc]ld]=lp],
ще [с] - матрица коэффициентов; [d] -
вектор неизвестных плотностей, взятых в точ­
ках некоторой координатной сетки, а в [/?]
содержатся значения линейных интегралов,
измеренных по отдельным траекториям. При
визуализации же в радиоволнах результати-
рующая система уравнений будет
[c(d)]ld]=[p],
ще матрица коэффициентов [c(d)] зависит
от искомой плотности и, следовательно, задача
СТШ10ВИТСЯ нелинейной.
Разработанный в рентгеновской томо­
графии алгоритм непосредственно использо­
вать нельзя, поскольку траектории, по кото­
рым измеряются нелинейные интегралы, неиз­
вестны и, следовательно, требуется нелинейная
процедура восстановления.
Предложен метод обобщения хорошо из­
вестного алгебраического метода реконструк­
ции на нелинейный случай. Вначале задается
некий исходный профиль проводимости
(диэлектрической проницаемости, плотности),
а затем методом конечных разностей рассчи­
тывается потенциал (на^тряжен-ность электри­
ческого поля), подчиняющийся заданной си­
стеме граничных условий. Если для рекон­
струкции используется итеративная процедура,
то вычисление может производиться после
каждой итерации, а траектории должны соот­
ветствующим образом изменяться.
В методе линейного восстановления про­
цедура решения состоит в разбиении сечения
на небольшие элементы и вычислении элек­
трического поля в центре каждого элемента с
помощью метода моментов. Во всех случаях
максимальный размер элемента находится
между 0,1Х//8 и 0,2Х//7,
где X - длина волны в свободном про­
странстве; 8 - относительная диэлектрическая
проницаемость элемента.
Затем передатчик перемещается по
окружности объекта контроля и вычисления
проводят при различных положениях прием­
ника. При повышении частоты передатчика
можно получить более точную информацию о
распределении диэлектрической проницаемос­
ти.
Еще одним направлением в разработке
томохрафических систем на СВЧ является
применение допплеровского метода. Суть ме­
тода в следующем. СВЧ антенна используется
для облучения вращающегося объекта с неко­
торой заданной мощностью излучения на од­
ной частоте. Эта же антенна используется и
для приема отраженных сигналов. Исследуе­
мый объект поворачивается на угол 360*, при
этом на каждом угле наблюдения фиксируются
амплитуда и фаза сигналов. Поскольку иссле­
дуемый объект поворачивается относительно
неподвижной антенны, центры рассеяния
энергии облучения внутри объекта дают отра­
женные сигналы, сдвинутые по частоте отно­
сительно исходной на величину, зависящую от
скорости перемещения отдельных отражате­
лей.
Если объект вращается с постоянной уг­
ловой скоростью, то центры рассеяния, лежа­
щие на линии постоянной поперечной даль­
ности, будут иметь одинаковую составляющую
скорости в направлении на антенну. Таким
образом, в данный момент времени все эти
центры рассеяния будут отражать сигнал и все
отраженные ими сигналы будут иметь один и
тот же допплеровский сдвиг частоты.
Измеряя выходной сигнал приемника на
некоторой частоте, получим сумму (линейный
интеграл) рассеянного излучения на данной
поперечной дальности, соответствующей этой
частоте. Амплитуда отраженных сигналов на
других частотах дает линейные интегралы для
рассеивателей на других поперечных дально­
стях. График зависимости мгновенной ампли­
туды от частоты можно интерпретировать как
томографическую проекцию. Через некоторое
время исследуемый объект повернется в новое
положение и будут получены новые проекщш
и т.д.
Таким образом, за полный оборот иссле­
дуемого тела будет получен набор проекций.
Алгоритм томографической реконструкции по
данным, получаемым из этих проекций, дает
изображение распределения центров рассеяния
в облучаемом объекте.
Восстановление изображения по коге­
рентной допплеровской томограмме состоит в
вычислении двумерного преобразования Фу­
рье. Главное преимущество когерентной доп­
плеровской томографии состоит в том, что она
обладает высоким пространственным разреше­
нием, которое можно получить при непре­
рывном излучении, не прибегая к использова­
нию широкополосных сигналов. К недостат­
кам относится наличие больших боковых ле­
пестков у передаточной функции точки, кото­
рые ограничивают динамический диапазон и
ухудшают разрешение.
Наибольший интерес в обращении вол­
нового уравнения, необходимого для количе­
ственных оценок, достигнут в реконструк­
тивной томографии при работе в трансмисси­
онном режиме. Примером такого подхода
являются методы СВЧ-томографии, основан­
ные на принципах СВЧ-радиоеидеиия и много-
частотной радиоголографгш.
Принцип многочастотной голографии
наиболее перспективен для формирования
томографических изображений в СВЧ-диапа-
зоне. Для голографии присуща возможность
избирательного восстановления определенной
части образной информации об источниках
волнового поля в процессе реконструкции.
Однако разрешающая способность не одина­
кова в различных координатных направлениях
и зависит от метода регистрации голограмм.
Так, предложено использовать для облучения
объектов широкополосные сигналы. Примене­
ние широкополосных сигналов в радиоголо­
графии позволяет: во-первых, значительно
улучшить разрешающую способность в ради­
альном направлении и повысить качество
изображений; во-вторых, осуществить синте­
зирование приемной апертуры.
Синтезирование приемной апертуры
осуществляется при облучении исследуемой
среды широкополосным квазигармоническим
сигналом с линейной частотной модуляцией
или дискретной перестройкой частоты. При
этом сканирование одной из координат в про­
странстве заменяется сканированием частотой.
При реализации методов многочастотной
радиоголографии для облучения объекта ис­
пользуют зоцдирующий сигнал в внде корот­
кого импульса, в виде квазигармонического
сигнала с линейной частотной модуляцией или
дис]фетной перестройкой частоты. При этом
разрешающая способность не зависит от вида
используемого сигнала и определяется только
шириной его спектра и размерами приемной
апертуры.
Метод многочастотной голографии обес­
печивает улучшение характеристик томографи­
ческих систем в диапазоне СВЧ. При получе­
нии изображений объектов, С1фьпых неодно­
родными средами, метод наиболее эффективно
подавляет ложные изображения.
Применение широкополосных зонди­
рующих сигналов, улучшая разрешающую
способность по глубине, открывает перспекти-
вы построения изображений объектов по сече­
ниям.
Описанные выше методики и алгоритмы
могут быть использованы при решении при­
кладных задач по контролю изделий из диэ­
лектрических полимерно-композиционных
материалов. Может использоваться метод ко­
герентной допплеровской томографии для
контроля и диагностики изделий в виде тел
вращения из радиопрозрачных полимерно-
К0МП03И1Щ0ННЫХ материалов и многочастот­
ный метод послойного зондирования. 6 дру­
гом случае методика может быть основана на
радиоволновом методе синтезирования оги­
бающей радиоимпульсного сигнала во времен­
ной области по данным измерений на многих
частотах отражающей способности исследуе­
мых структур при их электромагнитном обу­
чении в диапазоне СВЧ. Данная методика
может быть использована для следующего:
измерения общей электрической толщи­
ны слоистой структуры;
измерения электрических толщин каждо­
го из слоев структуры;
определения геометрических толщин
каждого из слоев структуры;
измерения расстояния от апертуры ан­
тенны до передней грани образца;
выявления внутренних неоднородностей
в слоях и определения глубины их залегания;
определения эффективной относитель­
ной диэлектрической проницаемости материа­
ла каждого из слоев;
определения модуля коэффициента от­
ражения всей структуры и границы раздела
между слоями.
В результате использования данной ме­
тодики и сканирования объекта может быть
получено квазитомографическое изображение
поперечного сечения исследуемого объекга в
отраженных волнах.