本发明专利技术公开了太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统及方法。系统由控制模块、太赫兹光源、太赫兹镜片组、热像仪、计算机及多个算法模块等组成。采用脉冲或连续太赫兹光束对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象表面的瞬态温度信号。对不同时刻的热像图进行空间导数变换，检测浅层缺陷；对瞬态温度信号和参考信号进行差分、一阶求导、二阶求导和傅里叶变换等处理，提取最大值时间、峰值时间、分离时间、分离频率、峰值频率等作为特征值；采用特征值进行成像显示，实现缺陷检测；建立特征值与深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不同时间范围的温度变化率，实现不同深度范围的层析成像。该发明专利技术可应用于无损检测、医学成像等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无损检测和医学成像等
，特别是涉及太赫兹热成像检测和层 析成像系统及方法。
技术介绍
太赫兹波是指位于毫米波和红外线之间的电磁波，频率在0.IT到IOTHz之间，波 长在3mm到30ym之间。太赫兹波具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能。太赫 兹波与不同物质的相互作用具有很大的差别：极性材料对太赫兹波的吸收非常强；金属对 太赫兹波具有很强的反射性；而非极性和非金属材料对太赫兹波而言几乎是透明的。这就 给太赫兹波用于无损检测提供了基本的物理基础。 太赫兹检测技术已经成为现有无损检测技术的重要补充。在美国，太赫兹检测技 术已应用于航天飞机外挂燃料箱防热材料、泡沫夹芯雷达天线罩板块等多种材料与结构的 检测。当如，太赫兹检测技术面临的主要问题有：1)如何制造低成本、尚功率、尚效率的太 赫兹源；2)如何制造低成本、快速采集的太赫兹阵列探测装置；3)如何对检测数据进行合 理的解释与应用。 太赫兹加热就是利用太赫兹波的能量特征，对物体进行加热的过程，具有加热均 匀、穿透性好、速度快、热惯性小、无污染、可选择性加热等特点。太赫兹加热具有巨大的应 用潜力，德国研宄人员利用超级计算机计算发现，利用强烈的太赫兹辐射，可实现在不到万 亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。 热成像检测技术已成为一种主要的无损检测技术。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。 太赫兹热成像检测技术集成了太赫兹加热和热成像检测的优点，可以预见，它将 在无损检测领域发挥重要的作用。文献提供了一种太赫兹激励的热成像检测技术，采 用经斩波器调制的太赫兹光束对被检对象进行周期性加热，采用不同时刻的热像图进行缺 陷检测。现有太赫兹热成像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， 易受噪声干扰；2)缺少有效的缺陷深度定量方法；3)缺少被检对象的层析成像方法。 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。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，出现了热层析成像技术。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 分析判断，方便医生对热像图进行判断。 近年来，太赫兹检测技术也被用于医学成像研宄。但是，尚未有结合太赫兹加热和 热成像检测的优势进行太赫兹热成像的研宄。 本专利技术公开太赫兹瞬态热成像（Terahertztransientthermography,TTTor T3)检测和层析成像系统及方法，其具有操作简单、易定量、抗干扰性强、可层析成像等优 点，可广泛应用于复合材料、介质材料等产品的无损检测、生物组织的医学成像以及目标识 别等领域。 参考文献：陈大鹏，邢春飞，张峥，张存林.太赫兹激励的红外热波检测技术.物理 快报，2012，61(2): 024202。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有热成像和太赫兹检测技术的不足，提供太赫兹瞬态热成 像检测和层析成像系统及方法。系统由控制模块、太赫兹光源、太赫兹镜片组、热像仪、计 算机及算法模块等组成。采用太赫兹光束对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象 表面上升和下降的瞬态温度信号，把无缺陷区域的瞬态温度信号作为参考信号。对不同时 刻的热像图进行空间导数处理，采用不连续特征进行缺陷检测；提取瞬态温度信号的最大 值时间等作为特征值；把瞬态温度信号与参考信号进行差分(减法处理）得到时域差分信 号，提取分离时间和峰值时间等作为特征值；求出瞬态温度信号的一阶导数和二阶导数，提 取上升阶段和下降阶段的峰值时间等作为特征值；对瞬态温度信号与参考信号进行傅里叶 变换得到频域的幅值谱和相位谱，提取特定频率的(差分）幅值和（差分）相位、差分幅值谱 和差分相位谱的分离频率和峰值频率等作为特征值；采用特征值进行成像，实现缺陷检测； 通过理论分析和试验，建立特征值与深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不 同时间范围的温度变化率，实现不同深度范围的层析成像。该系统及方法具有操作简单、易 于定量、抗干扰性强、可层析成像等优点，可广泛应用于无损检测、医学成像和目标识别等 领域。 太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统，主要包括： 1)控制模块，用于设定系统工作参数，控制系统运行。 2)太赫兹光源，用于产生脉冲或连续太赫兹光束，并发射太赫兹光束到太赫兹镜 片组。 3)太赫兹镜片组，用于调整太赫兹光束的光路、照射面积、照射位置等参数。 4)被检对象，被检测或成像的对象，其内部可能含有水分、冰粒、裂纹、气泡、脱层 等缺陷或肿瘤等病变组织（以下简称缺陷或肿瘤等病变组织为缺陷)。 5)热像仪，用于记录被检对象表面随时间变化的温度信息，并传输到计算机。 6)计算机，用于存储、显示、处理和分析原始数据，并执行以下算法模块。 7)图像处理模块，用于显示不同时刻的热像图，对不同时刻的热像图进行空间导 数或梯度变换。 8)参考信号模块，用于设置参考信号。 9)时域处理模块，提取瞬态温度信号的最大值时间等作为特征值；把瞬态温度信 号和参考信号进行差分处理，获得时域差分信号，从时域差分信号上提取分离时间和峰值 时间等作为特征值。 10)时域导数模块，用于计算瞬态温度信号的一阶导数和二阶导数曲线，并提取上 升阶段和下降阶段的峰值时间等作为特征值。 11)频域处理模块，用于把瞬态温度信号和参考信号进行傅里叶变换，获得频域幅 值谱和相位谱，从频域(差分）幅值谱和(差分）相位谱上提取特定频率的幅值和相位、分离 频率、峰值频率等作为特征值。 12)缺陷检测模块，用于把被检区域所有像素点的特征值进行成像显示，实现缺陷 检测。 13)定量关系模块，用于建立特征值和缺陷深度的定量对应关系。 14)缺陷定量模块，用于计算未知缺陷的深度，即被检对象中缺陷离热像仪记录温 度一侧的表面的距离。 15)层析成像模块，用于对被检对象不同深度范围的属性进行成像。 16)标准试件，含有不同深度不同属性的人工缺陷的试件。 基于太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统的太赫兹瞬态热成像检测和层析成 像方法，包括如下步骤： 1)采用控制模块设定系统工作参数，控制系统开始运行。 2)太赫兹光源产生频率为0. 1T-10THz范围内的太赫兹光束，并把太赫兹光束发 射到太赫兹镜片组。 3)太赫兹镜片组调整太赫兹光束的光路、照射面积、照射位置等参数，并把太赫兹 光束发射到被检对象。 4)太赫兹光束对被检对象进行加热，被检对象的温度随时间逐渐上升；在结束加 热后，被检对象表面的温度开始下降；如果被检对象内部存在缺陷，将在温度上升或下降阶 段造成异常变化。 5)热像仪记录被检对象表面随时间变化的温度信息，并把温度信息传输给计算 机。 6)计算机存储温度信息，并运行以下模块。 7)当前第1页1 本文档来自技高网...
【技术保护点】
太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统及方法，其特征在于，系统由控制模块(1)、太赫兹光源(2)、太赫兹镜片组(3)、热像仪(5)、计算机(6)及多个算法模块等组成；采用太赫兹光束对被检对象(4)进行加热，采用热像仪(5)记录被检对象(4)表面上升和下降的瞬态温度信号(20)，把无缺陷区域的瞬态温度信号(20)作为参考信号(19)；对不同时刻的热像图进行空间导数处理，采用不连续特征进行缺陷检测；提取瞬态温度信号(20)的最大值时间(25)等作为特征值；把瞬态温度信号(20)与参考信号(19)进行差分（减法处理）得到时域差分信号(23)，提取分离时间(28)和峰值时间(30)等作为特征值；求出瞬态温度信号(20)的一阶导数和二阶导数，提取上升阶段的峰值时间(26)和下降阶段的峰值时间(27)等作为特征值；对瞬态温度信号(20)与参考信号(19)进行傅里叶变换得到频域的幅值谱和相位谱(34)，提取特定频率的（差分）幅值和（差分）相位、差分幅值谱和差分相位谱的峰值频率(37)和分离频率(38)等作为特征值；采用特征值进行成像，实现缺陷检测；通过理论分析和试验，建立特征值与缺陷深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不同时间范围的温度变化率，实现被检对象(4)不同深度范围的层析成像。...
【技术特征摘要】
【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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