Nuevas técnicas de medida de radiación y dispersión sobre escáner xyz para aplicaciones de diagnóstico de antenas e imaging

Resumen

RESUMEN EN CASTELLANO: En la presente Tesis doctoral se presentan nuevos resultados experimentales en los campos de medida de antenas e imagen electromagnética con múltiples aplicaciones en diferentes campos como seguridad (escáneres de seguridad, detección de explosivos), inspección no invasiva y análisis de estructuras (fatiga, detección de grietas, detección de objetos ocultos, imagen a través de muros), imagen médica o ingeniería civil (detección de tuberías, corrimientos de laderas), etc. Los recientes avances en tecnologías de fabricación han contribuido enormemente al desarrollo de nuevos componentes y antenas para las bandas de longitudes de onda milimétricas y submilimétricas con la consecuente aparición de nuevas aplicaciones a nivel comercial para las que se demandan la simplificación y el desarrollo de nuevos dispositivos de coste reducido y la creación de nuevas técnicas de post-procesado en tiempo real, que permitan desarrollar sistemas de imagen electromagnética competitivos en coste, tamaño y resolución. Por otra parte, se hace necesario el desarrollo de nuevos sistemas de medida de gran precisión, capaces de cumplir con las restricciones de precisión necesarias para la medida de antenas en estas bandas. Las técnicas indirectas de holografía off-axis son técnicas interferométricas que permiten la caracterización de un campo electromagnético a partir de adquisiciones de sólo-amplitud. La recuperación del campo electromagnético, o de su fase, en caso de que su amplitud sea medida independientemente, se realiza mediante un sencillo proceso de filtrado del patrón de interferencia, conocido como holograma, en el dominio espectral, siempre que se disponga dela caracterización previa del campo empleado para crear la interferencia en amplitud y fase. La aplicación de estas técnicas resulta beneficiosa tanto en medida de antenas como en los sistemas de obtención de imagen electromagnética. Las medidas de fase, particularmente en bandas de alta frecuencia, como son las bandas de longitudes de onda milimétricas y submilimétricas, resultan muy complicadas y demandan el uso de dispositivos de alto coste, puesto que se requieren señales de referencia muy precisas. Dicha precisión hace necesario el uso de fuentes muy estables, condiciones constantes de temperatura y alta precisión en el posicionamiento. La deriva térmica que se produce en los dispositivos electrónicos y las variaciones que se introducen en los cables por su movimiento y cambio de curvatura, son dos grandes fuentes de error en las medidas de fase a estas frecuencias. Puesto que las técnicas de holografía off-axis requieren únicamente del conocimiento de la amplitud, pueden ser empleadas para evitar el efecto de estos tipos de error y desarrollar sistemas de medida robustos. El reemplazo de los receptores heterodinos para la adquisición coherente de fase por sencillos detectores de amplitud, permite también la reducción de costes y simplificación y reducción de tamaño y complejidad de los sistemas de medida. Por dicho motivo el uso de holografía off-axis en sistemas de imagen resulta altamente adecuado. Además, tanto la recuperación coherente de fase como el proceso de enfoque de la imagen se realizan durante el post-procesado, permitiendo prescindir del uso de elementos ópticos para el enfoque como las lentes, que limitarían el rango de uso y el campo de visión de los sistemas. Las técnicas de procesado empleadas durante la recuperación de fase del campo y el enfoque del objeto, son técnicas basadas en el uso de Transformadas de Fourier, lo que hace que resulten muy adecuadas para el desarrollo de sistemas de reconstrucción de imagen en tiempo real. Sin embargo, las técnicas de medida convencionales de holografía off-axis presentan ciertas limitaciones como son las altas tasas de muestreo requeridas, el solapamiento de los términos del holograma en el dominio espectral, el número de elementos necesarios (desfasadores, acopladores direccionales, combinadores de potencia, etc.). Los nuevos métodos desarrollados como parte de esta tesis doctoral tratan de complementar los métodos convencionales evitando dichas limitaciones. Con el fin de reducir la tasa de muestreo, se han implementado técnicas de muestreo no redundantes que pueden ser empleadas con las técnicas de holografía off-axis. Se han diseñado nuevas técnicas de medida de banda ancha para la caracterización eficiente de antenas en una banda de frecuencias y para la obtención de imágenes electromagnéticas tridimensionales mediante técnicas de radar de apertura sintética. Otras de las modificaciones propuestas se han enfocado a reducir el solapamiento en el dominio espectral en el caso de emplear ondas de referencia radiadas, a conseguir una mejor y más eficiente caracterización de la señal de referencia, o a limitar el número de componentes necesarios en la implementación del setup mediante el uso de desfases mecánicos. Las técnicas desarrolladas han sido validadas experimentalmente mediante ensayos en un rango de medida plano en campo cercano, desarrollado también como parte de la tesis. Dicha validación se ha llevado a cabo principalmente en la banda correspondiente a longitudes de onda milimétricas, aunque algunas de las técnicas también han sido validadas en bandas inferiores del espectro de microondas y en la parte baja de la banda de longitudes de onda submilimétricas. RESUMEN EN INGLÉS: This thesis presents novel experimental results in the fields of antenna measurement and inverse scattering for electromagnetic imaging applications that can be applied to different fields such as security (personnel screening, explosive detection), non-invasive inspection and structure analysis (fatigue and crack analysis, hide objects profile reconstruction, through the wall imaging) medicine, civil engineering (Ground penetrating radar, GBSAR, SAR, etc.). Recent advances in fabrication technologies have contributed to the development of new components and antennas at mm- (millimeter) and submm-wave (submillimeter) bands, which have led to the appearance of new applications at a commercial level that demand, on the one hand, a simplification and cost reduction in the design of the transceivers and availability of novel accurate and real-time post-processing techniques, and on the other hand, new measurement systems and techniques to cope with the strict requirements needed for the characterization of the antennas at those frequency bands. Indirect off-axis holography is an interferometric technique that allows for amplitude-only characterization of an unknown field by means of a simple filtering process of the hologram or interference pattern in the spectral domain, providing that the reference field, employed to interfere the unknown field, is known in amplitude and phase. This technique is appropriate for its use in both of the herein studied applications. Phase acquisition, especially at mm- and submm-wave frequencies is an expensive and challenging task since the need of a steady phase reference demands not only a very stable source but also unvarying temperature conditions and strong positioning requirements. Thus, thermal drift and cable flexing are two of the main error sources in those frequency bands. Indirect off-axis holography can be used to prevent the effect of these errors and develop new efficient and robust phaseless techniques while allowing for cost and complexity reduction of the measurement setup. Indirect off-axis holography techniques for imaging systems are very useful since the bulky systems required for coherent detection in active imaging are replaced with direct detectors, drastically reducing costs, complexity and size of the array of transceivers. Furthermore coherent phase retrieval as well as the focusing are done in the post-processing stage by means of Fourier-based procedures suitable for real-time imaging.