マイクロ波イメージング

マイクロ波イメージングは​​、マイクロ波領域（すなわち、約300MHz〜300GHz ）の電磁波（EM）を使用して構造物（または媒体）内の隠れたまたは埋め込まれた物体を評価するために、古い検出/位置特定技術（例：レーダー）から発展した科学です。 ^[1]非破壊検査のためのエンジニアリングおよびアプリケーション指向のマイクロ波イメージングは​​、マイクロ波検査と呼ばれます（以下を参照）。

マイクロ波イメージング技術は、定量的または定性的に分類できます。定量的イメージング技術 (逆散乱法とも呼ばれます) は、非線形逆問題を解くことによって、イメージングされたオブジェクトの電気的 (つまり、電気的および磁気的特性の分布) および幾何学的パラメーター (つまり、形状、サイズ、および位置) を与えます。非線形逆問題は、ボルン近似または歪んだボルン近似を使用して、線形逆問題 (つまり、Ax=b、ここで A および b は既知で、x (またはイメージ) は未知) に変換されます。直接行列反転法を使用して反転問題を解決できるにもかかわらず、問題のサイズが非常に大きい場合 (つまり、A が非常に密で大きなマトリックスの場合)、これは非常にコストがかかります。この問題を克服するために、直接反転は反復ソルバーに置き換えられます。このクラスの技術は、通常時間のかかる順方向反復法と呼ばれます。一方、定性的マイクロ波イメージング法は、隠れたオブジェクトを表すために定性的プロファイル (反射率関数または定性的イメージと呼ばれる) を計算します。これらの技術は、近似値を使用してイメージングの問題を単純化し、次にバックプロパゲーション（時間反転、位相補償、またはバックマイグレーションとも呼ばれる）を使用して未知のイメージプロファイルを再構築します。合成開口レーダー（SAR）、地中探査レーダー（GPR）、および周波数波数移行アルゴリズムは、最も一般的な定性的マイクロ波イメージング法の一部です^[1]。

一般的に、マイクロ波画像システムはハードウェアとソフトウェアのコンポーネントで構成されています。ハードウェアは、テスト対象のサンプルからデータを収集します。送信アンテナは、テスト対象のサンプル (医療用画像の場合は人体など) に向けて EM 波を送信します。サンプルが均質な材料のみで構成され、サイズが無限である場合、理論的には EM 波は反射されません。周囲の均質な媒体と比較して異なる特性 (つまり、電気的/磁気的) を持つ異常が導入されると、EM 波の一部が反射される可能性があります。異常と周囲の媒体の特性の差が大きいほど、反射波は強くなります。この反射は、モノスタティック システムでは同じアンテナによって、バイスタティック構成では別の受信アンテナによって収集されます。

イメージング システムのクロスレンジ解像度を高めるには、複数のアンテナを動作波長よりも短い間隔で領域 (サンプリング領域と呼ばれる) に分散させる必要があります。ただし、互いに近接して配置されたアンテナ間の相互結合により、収集された信号の精度が低下する可能性があります。さらに、送信機と受信機のシステムが非常に複雑になります。これらの問題に対処するには、複数のアンテナの代わりに 1 つのスキャン アンテナを使用します。この構成では、アンテナがサンプリング領域全体をスキャンし、収集されたデータがアンテナの位置座標とともにマッピングされます。実際には、合成 (仮想) 開口はアンテナを動かすことによって生成されます (合成開口レーダーの原理に似ています^[2] )。その後、収集されたデータ (生データと呼ばれることもあります) は、処理のためにソフトウェアに送られます。適用される処理アルゴリズムに応じて、マイクロ波イメージング技術は定量的と定性的に分類できます。

マイクロ波イメージングは​​、非破壊検査および評価 (NDT&E、下記参照)、医療用イメージング、セキュリティ チェック ポイントでの隠し武器の検出、構造健全性監視、壁を通したイメージングなど、さまざまな用途に使用されてきました。

医療用途のマイクロ波イメージングもますます関心を集めています。悪性組織の誘電特性は、正常組織（乳房組織など）の特性と比較して大きく変化します。この違いは、マイクロ波イメージング法で検出できるコントラストに変換されます。一例として、世界中のいくつかの研究グループが、乳がんの早期発見のための効率的なマイクロ波イメージング技術の開発に取り組んでいます。^[3]

インフラの老朽化は世界的に深刻な問題となっている。例えば、鉄筋コンクリート構造物では、鉄筋の腐食が劣化の主な原因となっている。米国だけでも、腐食による修繕・維持費は年間約2,760億ドルに上る^{[4] [3]}。

最近、マイクロ波イメージングは​​構造健全性モニタリングに使用できる大きな可能性を示しています。低周波のマイクロ波 (例: <10 GHz) はコンクリートを容易に貫通し、鉄筋などの対象物に到達します。鉄筋に錆がある場合、錆は健全な金属に比べて電磁波の反射が少ないため、マイクロ波イメージング法では錆 (または腐食) のある鉄筋とない鉄筋を区別できます。^[要出典]マイクロ波イメージングは​​、コンクリート内部の異常 (例: 亀裂や気泡) を検出するためにも使用できます。

マイクロ波イメージングのこれらの用途は、土木工学における非破壊検査 (NDT) の一部です。NDT におけるマイクロ波イメージングの詳細については、以下で説明します。

マイクロ波検査は、マイクロ波イメージングの科学的基礎を利用して、無害なマイクロ波で技術部品を検査します。マイクロ波検査は非破壊検査（NDT）の方法の1つです。誘電体、つまり非導電性材料の検査に限定されています。これにはガラス繊維強化プラスチック（GRP、GFRP）が含まれます。^[5]マイクロ波検査は、プラスチックバルブに組み込まれた目に見えないガスケットなど、組み込み状態のコンポーネントの検査にも使用できます。

マイクロ波の周波数は 300 MHz から 300 GHz までで、波長は 1 m から 1 mm に相当します。波長が 10 mm から 1 mm の 30 GHz から 300 GHz の部分は、ミリ波とも呼ばれます。マイクロ波は、テストするコンポーネントのサイズと同程度です。異なる誘電体媒体では、マイクロ波の伝搬速度は異なり、媒体間の表面で反射されます。別の部分は表面を越えて伝搬します。波動インピーダンスの差が大きいほど、反射される部分も大きくなります。

材料の欠陥を見つけるために、テストプローブをテスト対象デバイスの表面上を、取り付けた状態で、または短い距離で移動させます。これは手動または自動で行うことができます。^[6]テストプローブはマイクロ波を送受信します。

試験対象デバイス内部の表面の誘電特性の変化（収縮空洞、気孔、異物混入、亀裂など）により入射マイクロ波が反射され、その一部が送信機と受信機として機能する試験プローブに送り返されます。^{[7] [8]}

電子データ評価の結果は、B スキャン (断面図) や C スキャン (上面図) などの形式で表示されます。これらの表示方法は、超音波検査から採用されています。

反射法のほかに、送信アンテナと受信アンテナを別々に使用する透過法も可能です。テスト対象デバイス (DUT) の背面にアクセス可能である必要があり、この方法では DUT 内の欠陥の深さに関する情報は得られません。

マイクロ波テストは、一定周波数 ( CW ) または連続同調周波数 ( FMCW )で実行できます。 FMCW は、DUT 内の欠陥の深さを判断するのに有利です。

DUT の表面に取り付けられたテストプローブは、接触点の下の材料分布に関する情報を提供します。DUT 表面を点ごとに移動すると、多くの情報が保存され、評価されて全体像が得られます。これには時間がかかります。直接イメージング手順の方が高速です。マイクロ波バージョンは電子式^[9]か、マイクロ波吸収箔と赤外線カメラで構成される平面マイクロ波検出器を使用します (NIDIT 手順^[10] )。

マイクロ波試験は、誘電体材料の非破壊検査に有効な方法です。 誘電体材料には、プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック (GFRP)、プラスチックフォーム、木材、木材プラスチック複合材 (WPC)、およびほとんどの種類のセラミックが含まれます。 半製品やパイプなどの DUT 内部および表面の欠陥を検出できます。

マイクロ波試験の特殊な用途は非破壊的である

• 水分測定
• 壁厚測定
• 炭素複合材（CFRP）の塗装厚さの測定
• 状態監視、例えば組み立てられたバルブ内のガスケットの有無、熱交換器内のゴム製配管など^[11]
• 誘電率や残留応力などの材料パラメータの測定
• 炭素繊維強化（CFRP）複合材積層板で補強されたコンクリート橋梁部材の剥離検出^[12]
• 塗装されたアルミニウムおよび鋼鉄基板における腐食および前駆孔食の検出^[12]
• スプレー式断熱材の欠陥検出とスペースシャトルの断熱タイル^[12]

マイクロ波テストは多くの産業分野で使用されています。

• 航空宇宙、例えばCFRPの非破壊塗装厚さ測定^[13]
• 自動車、例えば有機シート部品やGFRP板バネの非破壊検査^[14]
• 土木工学、例：レーダー応用^[15]
• エネルギー供給、例えば風力発電所のローターブレード、ライザーパイプの試験^[16]
• セキュリティ、例えば空港のボディスキャナー^[9]

近年、非破壊検査の必要性は全般的に高まっており、特に誘電体材料でその傾向が顕著です。このため、またマイクロ波技術が消費者向け製品にますます多く使用され、コストが大幅に下がったため、マイクロ波による非破壊検査が増加しています。この重要性の高まりを認識し、2011年にドイツ非破壊検査協会（DGZfP）のマイクロ波およびTHz手順に関する専門委員会^[17] が設立され、2014年には米国非破壊検査協会（ASNT）の マイクロ波検査委員会が設立されました。標準化作業は始まったばかりです。

• Joseph T. Case、Shant Kenderian: MWNDT – 検査方法。Materials Evaluation、2017 年 3 月、339-346 ページ。(この論文には、マイクロ波テストに関する多くのリンクが含まれています)
• Reza Zoughi:マイクロ波非破壊検査および評価Kluwer Academic Publishers、ドルドレヒト 2000 年。
• N. Ida:マイクロ波 NDT Springer Science & Business Media、ルクセンブルク、2012 年

• [1] マイクロ波試験：概要
• [2] 非イオン化直接イメージングNIDIT法を用いたWPC板材の非破壊検査
• [3] 平面マルチスタティックアレイによる電子マイクロ波イメージング