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一种微波调频热波成像系统及方法技术方案

技术编号:11546101 阅读:117 留言:0更新日期:2015-06-03 19:26
本发明专利技术公开了一种微波调频热波成像系统及方法。系统采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热,采用热像仪记录被检对象表面的温度。设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换,提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值;对温度信号和参考信号进行互相关,提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值;对温度信号和参考信号进行频域互相关,提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间等作为特征值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及系统具有抗干扰性强、深度信息丰富、检测时间短等优势,可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种微波调频热波成像系统及方法
本专利技术属于无损检测、目标探测和医学成像等
,特别是涉及一种微波热成像检测、探测和成像系统及方法。
技术介绍
随着现代科学和工业技术的发展,无损检测技术已成为保证产品质量和设备运行安全的必要手段。目前具有代表性的无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测以及热成像检测等技术。热成像检测技术采用热源对被检对象进行加热,采用热像仪观测和记录被检对象表面的温度变化信息,以对被检对象表面及内部的缺陷进行检测和评估。热成像检测技术具有非接触、非破坏、无需耦合、检测面积大、速度快等优点,已广泛应用于航空、航天、石油、化工、电力、核能等领域。热成像检测技术可以分为脉冲热成像检测技术、阶跃热成像检测技术、锁相热成像检测技术、脉冲相位热成像检测技术以及调频热成像检测技术。脉冲热成像检测技术需要高能量短时脉冲进行加热,可能对被检对象的表面造成热损伤。阶跃热成像检测技术采用长脉冲进行加热,易受加热不均匀、表面发射率变化等影响。锁相热成像检测技术采用单频热波进行加热,采用幅值图像和相位图像进行缺陷检测,具有可抑制加热不均匀、表面发射率变化等优势,但是每次检测只含有一个频率成分,检测时间长。脉冲相位热成像检测技术融合了脉冲和锁相热成像检测技术的优点,采用多个频率的相位图进行缺陷检测,但是高频成分能量较低。调频热成像检测技术改进了脉冲相位热成像检测技术,采用调频热波进行加热,即含有多个频率成分,各个频率的能量又足够大,可以改进深度分辨率。热成像检测技术采用的热源多种多样,从物理角度而言,有闪光灯、超声波、涡流、激光等。根据热源物理性质的不同,热成像检测技术包含闪光灯热成像检测技术、超声波热成像检测技术、涡流热成像检测技术和激光热成像检测技术等。微波加热(Microwaveheating)就是利用微波的能量特征,对物体进行加热的过程,具有加热均匀、速度快、可选择性加热、热惯性小、无污染等特点。国外已有学者对微波热成像检测技术进行了研究。文献[1]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术,采用热像图上某一路径的温度轮廓线进行缺陷检测。文献[2]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术,采用脉冲调制微波进行加热,采用不同时刻的热像图进行缺陷检测。文献[3]提供了一种微波锁相热成像检测技术,采用函数发生器和继电器控制微波炉的开关,采用快速傅里叶变换提取幅值和相位信息。现有微波热成像缺陷检测技术存在以下不足:1)缺陷检测方法依赖原始的热像图和瞬态温度曲线,易受噪声干扰;2)难以克服加热不均匀和表面发射率的干扰;3)获得不同深度的信息需要的检测时间长。热成像是一种主要的医学成像技术,通过探测人体体表的热辐射进行疾病的诊断。热成像技术早在1970年就应用于乳腺疾病的诊断。美国食品药品监督管理局于1983年正式批准热成像技术可应用于临床诊断。随着计算机技术和探测传感器技术的高速发展,开发出红外热层析成像技术。该技术除了具有常规热成像技术的功能外,还可利用计算机技术结合恰当的数学模型对热像进行分析和解读,获得体内的热源深度、形状、分布、热辐射值,并依据正常和异常细胞代谢热辐射的差别进行分析,方便医生对热像图进行判断。近年来,已有学者对微波热成像诊断技术进行了研究。文献[4]提出了计算机编码的脉冲调制微波辐照生物组织,采用红外热成像的方式观察分层仿生体模中各层的温度分布。文献[5]采用红外热成像仪测量微波辐射器辐照之后分层仿生体模的表面温度,对微波热疗中透热深度进行了研究。一些学者对微波热成像目标探测技术进行了研究。文献[6]提供了一种微波热成像目标探测系统及方法,采用不同时刻的热像图对埋在地下的目标进行探测。本专利技术公开一种微波调频热波成像(Microwavefrequencymodulatedthermalwaveimaging,MW-FMTWI)系统及方法。具有抗干扰性强、深度信息丰富、检测时间短等优点,可广泛应用于复合材料、非金属材料的无损检测、生物组织的医学成像以及地下目标的探测等领域。参考文献。[1].ChengL,TianGY,SzymanikB.Feasibilitystudiesonmicrowaveheatingfornondestructiveevaluationofglassfibrereinforcedplasticcomposites[A].InInstrumentationandMeasurementTechnologyConference(I2MTC),2011IEEE[C],2011:1-6。[2].KeoS-A,DeferD,BreabanF,etc.ComparisonbetweenMicrowaveInfraredThermographyandCO2LaserInfraredThermographyinDefectDetectioninApplicationswithCFRP[J].MaterialsSciencesandApplications,2013,4(10):600-605。[3].GaliettiU,PalumboD,CaliaG,etc.Nondestructiveevaluationofcompositematerialswithnewthermalmethods[A].In15thEuropeanConferenceonCompositeMaterials[C],2012。[4].马国军,江国泰,孙兵.脉冲调制微波辐照生物组织的热效应及红外热成像研究[J].红外与毫米波学报,2012,31(1):52-56。[5].孙兵,江国泰,陆晓峰,等.基于红外热成像的微波热疗透热深度[J].强激光与粒子束,2009,21(8):1194-1198。[6].SwiderskiW,HłostaP,SzugajewL,etc.Microwaveenhancementonthermaldetectionofburiedobjects[A].In11thInternationalConferenceonQuantitativeInfraRedThermography[C],2012。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有微波热成像技术的不足,提供一种微波调频热波成像系统及方法。系统由控制模块、微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置、热像仪、计算机及多个算法模块等组成。系统采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热,采用热像仪记录被检对象表面的温度信号。设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换,获得频域的幅值和相位信号,提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值;对温度信号和参考信号进行互相关,获得不同延迟时间的相关系数,提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值;对温度信号和参考信号进行频域互相关,获得不同延迟时间的互相关幅值和相位,提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间作为特征值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及系统可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。一种微波调频热波成像系统,主要包括:1)控制模块,用于设定系统工作参数,触发系统开始运行;2)微本文档来自技高网
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一种微波调频热波成像系统及方法

【技术保护点】
一种微波调频热波成像系统及方法,其特征在于,系统采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热,采用热像仪记录被检对象表面的温度信号;设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号;对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换,获得频域的幅值和相位信号,提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值;对温度信号和参考信号进行互相关,获得不同延迟时间的相关系数,提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间等作为特征值;对温度信号和参考信号进行频域互相关,获得不同延迟时间的互相关幅值和相位,提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间等作为特征值;采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。

【技术特征摘要】
1.一种微波调频热波成像系统,其特征在于,主要包括:控制模块、微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置、天线、热像仪、微波防护装置、被检对象、计算机、参考信号设定模块、傅里叶变换模块、时域互相关模块、频域互相关模块和成像模块,系统采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热,采用热像仪记录被检对象表面的温度信号;设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号;对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换,获得频域的幅值和相位信号,提取特定频率的幅值和相位、以及幅值和相位的峰值频率、特定频率的差分幅值和相位以及差分幅值和相位的峰值频率作为特征值;对温度信号和参考信号进行互相关,获得不同延迟时间的相关系数,提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值;对温度信号和参考信号进行频域互相关,获得不同延迟时间的互相关幅值和相位,提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间作为特征值;采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。2.应用权利要求1所述的一种微波调频热波成像系统的方法,其特征在于包括如下步骤:1)把被检对象置于微波防护装置里边,调整好天线和被检对象的位置,使天线可对被检对象的被检区域进行加热,调整热像仪的位置和各项参数,使热像仪的视场覆盖被检对象的被检区域;2)采用控制模块设定系统工作参数,触发系统开始运行;3)微波产生装置为磁控管,产生频率为0.915GHz或2.45GHz的连续微波,并把微波传输到幅度调制装置;4)调频信号产生装置产生调频信号,如线性调频信号或其它非线性调频信号,并把调频信号传输到幅度调制装置;5)幅度调制装置把微波和调频信号进行幅度调制,产生激励信号;如调频信号是线性调频的,则激励信号也是线性调频的;如调频信号是非线性调频的,则激励信号也是非线性调频的;幅度调制装置把激励信号传输到天线;6)天线把激励信号发射到被检对象的被检区域,对被检区域进行体积型加热,被检对象内部产生不同频率的热波;7)热像仪记录被检对象的被检区域表面随时间变化的温度信号,并把温度信号传输给计算机,该温度信号反映被检对象内部由缺陷造成的热波异常;8)控制模块控制微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置结束运行;9)计算机存储温度信号,并运行以下模块;10)参考信号设定模块设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号;11)傅里叶变换模块对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换,得到频域的幅值和相位信号,提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率参数作为特征值;12)时域互相关模块对温度信号和参考信号进行互相关,获得不同延迟时间的相关系数,提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间参数作为特征值;13)频域互相关模块对调频信号和温度信号进行频域互相关,获得不同延迟时间的互相关幅值和相位,提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及互相关幅值和相位的峰值延迟时间参数作为特征值;14)成像模块对被检区域内所有像素的温度信号重复步骤11)-13),获得每个像素点的特征值,进行成像显示,对被检对象的内部缺陷进行检测识别,对被检对象不同深度的信息进行成像。3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,调频信号产生装置产生线性调频信号或非线性调频信号,且调频信号的各项参数可以调整;调频信号的最小频率决定了本发明所能检测的最大深度,计算公式为:上式中,α为被检对象的热扩散系数,ft为调频信号的最小频率。4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,天线对被检对象进行体积型加热,加热功率P表示为:上式中,ω为微波角频率,ε0为绝对介电常数,ε”为损耗因子,E为微波电场,V为被检对象体积;由于微波电场正比于激励信号的幅值,因此加热功率也随着激励信号的幅值进行变化;由于激励信号包含多个频率成分,因此,被检对象产生的热量也包含多个频率成分,即被检对象内部产生多个不同频率的热波;...

【专利技术属性】
技术研发人员:何赟泽杨瑞珍
申请(专利权)人:何赟泽
类型:发明
国别省市:湖南;43

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