CN100548215C

CN100548215C - 一种利用热声成像检测异物的方法及其装置

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Publication number: CN100548215C
Application number: CNB2007100266467A
Authority: CN
Inventors: 邢达; 曾吕明
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: CN101011243A

Abstract

本发明涉及测试测量与成像技术领域。为了对待测物体形成更清晰的图像，本发明提供一种利用热声成像检测异物的方法及其装置。该装置由微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机、样品固定组件、声耦合组件组成；其中微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；样品固定组件置于声耦合组件内；样品固定组件与旋转扫描组件电气连接。本发明的方法和装置定位准确，分辨率高，能够为异物检测技术提供更为清晰的图片。同时，与现有的检测装置相比，本发明的装置造价更为低廉。

Description

一种利用热声成像检测异物的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种测试测量与成像技术领域，具体涉及一种利用热声成像检测异物的方法及其装置。

背景技术

目前国内外对异物的检测方法都是利用X射线直接透视下对待测异物成像，或者利用超声波对待测异物成像，这些方法和实现这些方法的装置缺点是机动性较差、操作复杂、费时费力，并且都需要胶片作业，分辨率较差；另外实现这些方法的装置价格也较昂贵。

发明内容

为解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种利用热声成像检测异物的方法，该方法包括以下步骤：

(1)采用脉冲微波入射到待测物体上，激励待测物体产生热声信号；

(2)旋转待测物体或声探测器扫描接收热声信号，同时采集热声信号数据；

(3)应用数据处理软件对采集的热声信号进行数据处理后，通过反投影算法对待测物体层析成像，得到待测物体的图像。

所述步骤(1)中，所采用的脉冲微波的波长较佳为1mm～1m。

所述步骤(2)中，旋转和扫描可以是在LabVIEW采集程序控制下，由步进电机带动声探测器或待测物体旋转采集热声信号。

所述步骤(2)中，声探测器可采用多元线性阵列探测器或者单一探元的超声换能器。

所述步骤(3)中，所述应用数据处理软件对采集的热声信号进行数据处理，可以是通过计算机利用MATLAB软件对采集的信号预处理和反投影的图像重建。

本发明所述的异物是与含异物的物体之间有微波吸收差异的物体。微波的吸收系数主要决定于物质的介电常数，如水的介电常数约为80.0，玻璃的介电常数约为3.5，二氧化硅的介电常数约为4.5，生物组织如精肉的介电常数可达55，所以利用两种物质间较大的微波吸收差异，可以得到较高对比度的层析重建图像。本发明的方法利用短脉冲微波照射待测物体，待测物体吸收微波能量产生热电膨胀效应，从而被激发出属于超声波范围的热声信号，通过检测这种热声信号来重建待测组织的微波吸收分布，因为不同物质的介电常数不同，所以对微波的吸收程度不同，利用这种吸收的差异来构建待测物体的图像，将异物在图像上显示出来，根据显示结果判定异物的形状、大小和位置等。

本发明还提供一种实现上述检测方法的装置，该装置包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机、样品固定组件、声耦合组件；微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；样品固定组件置于声耦合组件内；样品固定组件与旋转扫描组件电气连接。

所述微波发生组件可以由微波发生器和波导口组成。

所述旋转扫描组件可以由继电器、步进电机、三维扫描平台电气连接而成。

所述声信号采集组件可由声探测器、信号放大器、采集卡、控制器依次电气连接构成；所述的声探测器最好是多元线性阵列探测器或者单一探元的超声换能器。

所述计算机内装有采集控制软件和数据处理软件，采集控制软件可以是LabVIEW软件，数据处理软件可以是MATLAB软件；采集控制软件控制旋转扫描和采集热声信号；数据处理软件对采集的信号进行预处理和反投影的图像重建。

所述样品固定组件可以由三维可调的样品台和样品固定装置组成。

所述声耦合组件可由样品池、声耦合液组成，样品池可以是塑料水槽或者其它可以盛液体的器皿。

各组件中的元件之间更具体的连接关系如下：

样品台置于声耦合液中，样品台与步进电机电气连接，步进电机与三维扫描平台电气连接，步进电机还与继电器电气连接，继电器通过数字I/O卡与计算机连接；

声探测器通过支架固定在三维扫描平台上，声探测器、信号放大器、采集卡依次电气连接，控制器同时与信号放大器、采集卡、微波发生器电气连接；采集卡通过USB接口与计算机连接。

本发明的装置工作过程和原理为：用样品固定装置将待测物体固定于样品台上，微波发生器产生脉冲微波(波长、脉宽和重复频率可根据需要选择)，脉冲微波经波导口辐射到待测物体上，物体以及物体内的异物吸收微波温度升高，升温导致热膨胀而产生热声信号，经由声耦合液耦合到声探测器；声探测器接收到热声信号，经信号放大器预处理后，再由采集卡采集后经USB接口传输到计算机进行处理。信号采集过程中，由步进电机控制样品台的旋转，步进电机同时通过控制三维可调的平台带动声探测器的旋转，步进电机由计算机通过继电器控制；控制器同时控制微波发生器的微波发射、信号放大器的信号放大和采集卡的信号采集。待测物体的旋转角度、步进电机的旋转步长、信号采集的时间、以及信号采集位置可以根据待测物体的情况选择。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

(1)本发明方法利用不同物体的微波吸收差异特性，并结合了超声对机体具有高分辨率以及微波成像具有高对比度、较强穿透能力的优点，与传统用于异物检测的成像方法相比具有深层、无射线性、高分辨率、高对比度的优点，能为检测技术中提供更为清晰的参考图片。

(2)本发明方法利用多元线性阵列探头作为热声探测器，能够实现快速无损的检测。

(3)本发明的方法可选用不同波长的脉冲微波，实现对应不同深度的部位检测，对物体内异物形成全方位的清晰图像，如异物的大小、形状、位置等。

(4)本发明的装置的各组件的造价较低，所以整体装置的造价亦相对较低，易于应用推广。

附图说明

图1是实施例1的装置的结构示意图。图中所示各元件的名称为：微波发生器1-1，波导口1-2，步进电机2-1，三维扫描平台2-2，继电器2-3，声探测器3-1，信号放大器3-2，采集卡3-3，控制器3-4，计算机4，样品台5，样品池6-1，声耦合液6-2。

图2是K字型黑橡胶埋于琼脂中45mm深的剖面照片；

图3是利用实施例1的装置对琼脂中橡胶异物的检测图像，其中样品旋转的角度为180°，步进电机的旋转步长为36°。

图4是一根针(金属异物)埋于精肉中15mm深的剖面照片；

图5是利用实施例1的装置对含金属异物的精肉所成的图像，其中样品旋转的角度为180°，步进电机的旋转步长为18°。

具体实施方式

实施例1本发明的装置

图1为本发明优选装置结构图，该装置由微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机、样品固定组件、声耦合组件组成。其中微波发生组件由微波发生器1-1和波导口1-2连接构成；旋转扫描组件由计算机4通过数字I/O卡和继电器2-3控制旋转样品步进电机2-1和三维扫描平台2-2，三维扫描平台2-2带着声探测器3-1移动；声信号采集组件由声探测器3-1接收信号，再经信号放大器3-2放大和高速采集卡3-3采集传输到计算机4，控制器3-4(可编程逻辑器件EPM7032，美国Altera公司)同步控制微波发射、信号放大和采集，其中声信号通过声耦合组件耦合到声探测器3-1。其中：微波发生器1-1选用中国兵器工业第二零六研究所的BW-1200HPT，可发射频率为1.2GHz的脉冲微波，脉宽为0.5或1us可选，微波的能量通过截面积为12.7mm×6.3mm的矩形波导1-2均匀的辐射到样品上；样品固定组件由样品台5和附在样品台5上的样品固定装置组成，样品台选用塑料样品台，被成像的样品放置在塑料样品台上，样品池6-1是用合成树脂制成的长方体容器，样品池中充满了声耦合液6-2变压器油利于声速匹配；整个系统以CTS-200(SIUI，China)B超为实验平台，选用多元线性阵列探测器系统(MLTAS)3-2接收热声信号并通过相控聚焦技术放大信号。其中，MLTAS是由前置放大器、多路转换开关和相位调整电路组成。控制器3-4同步控制微波发射、信号相控聚焦放大和采集；声探测器3-1为多元探测器EZU-PL21(Hitachi，Japan)，由320个振元组成并被分割成64个振群，每5个振元组成一个振群。它的中心频率为3.5MHz，扫描宽度为102mm；信号采集卡3-3选用Gage Applied公司的Compuscope12100型高速数据采集卡(DAS-CARD)，采用外部触发方式，采样速率可达100MHz；旋转组件为日本东方2相步进电机VEXTA步长1.8°；采集控制程序用LabVIEW软件实现，数字图形信号处理用MATLAB软件实现；计算机4选用P4微机，内存256M。

在控制器3-4提供的时钟信号控制下，多元声探测器3-1以d/2间隔扫描方式实现对成像区域的自动电子扫描采集。即每次选择11个群元接收热声信号，接收的信号通过前置放大器放大后，再由多路转换开关电路转换成6路信号，6路信号再通过相位调整电路进行时间延时补偿后合成一路信号，供高速信号采集卡3-3采集入计算机4；在时钟信号的下一个周期，11个群元同时向前平移d/2进入下一次接收，并同步触发微波发生器1-1和高速数据采集卡3-3。每次选择的11个群元实际上等效为一个有很强空间方向性指向的探测器，在它的相干聚焦方向上，各个探测器接收到信号由于相位被补偿相同，合成的信号最大；在探测器的非聚焦方向上，各个探测器的信号相位补偿不同，信号彼此抵消。成像时将振元里的每一组探测器采集的信号转换成一维图像，将多个位置扫描的多组一维图像按顺序组合并反投影成二维图像，方便快速的实现物体内的异物的热声层析成像检测。

实施例2本发明的优选方法

(1)将待测物体固定在样品台上，采用波长为1mm～1m脉冲微波入射到待测物体上，激励待测物体产生热声信号；

(2)在LabVIEW采集程序控制下，由步进电机带动多元线性阵列探测器或待测物体旋转采集热声信号，同时采集热声信号数据；

(3)通过计算机利用MATLAB软件对采集的信号预处理和反投影的图像重建，然后通过反投影算法得到待测物体的图像。

实施例3应用本发明的方法和装置检测琼脂内的K字型黑橡胶异物

利用实施例1的装置按实施例2的步骤对琼脂中橡胶异物进行检测。其中微波发生器输出脉冲微波的波长为25cm，脉宽和重复频率分别选为0.5us和5.086Hz，样品旋转的角度为180°，步进电机的旋转步长为36°，信号采集位置5个。得到如图3所示的图像，由图像可知，它与样品照片(图2)在相对位置、形状、大小等特性上能很好的相对应，说明本发明的方法和装置对待测物所成的像与待测物的位置、形状、大小相符，能够对异物进行精确的检测。

实施例4应用本发明的方法和装置对精肉内的金属异物进行检测利用实施例1所述的装置按照实施例2的步骤对含金属异物的精肉成像(异物为一根针，针的直径为0.5mm，长度30mm，埋藏深度15mm)。微波发生器输出脉冲微波的波长为25cm，脉宽和重复频率分别选为0.5us和5.086Hz，样品旋转的角度为180°，步进电机的旋转步长为18°，信号采集位置10个，得到如图5所示的图像。从图像5可以看出，图像所示的待测组织中针的形态特征与实物剖面照片(图4)相吻合，说明本发明的方法和装置能够对待测物大小精确成像，同时能对待测物的位置精确定位。

Claims

1、一种利用热声成像检测异物的装置，包括微波发生组件、旋转扫描组件、声信号采集组件、计算机、样品固定组件、声耦合组件；

所述微波发生组件、声信号采集组件、计算机依次电气连接；旋转扫描组件与计算机电气连接；样品固定组件置于声耦合组件内；样品固定组件与旋转扫描组件电气连接；

所述的微波发生组件由微波发生器和波导口连接而成；

所述的旋转扫描组件由继电器、步进电机和三维扫描平台电气连接而成；

所述的声信号采集组件由多元线性阵列探测器、信号放大器、控制器和采集卡依次电气连接而成；多元线性阵列探测器通过支架固定在三维扫描平台上；计算机同时与继电器、采集卡电气连接；控制器同时连接信号放大器、采集卡和微波发生器；

所述的样品固定组件为样品台和样品固定装置组成；样品台与步进电机电气连接；

所述声耦合组件由样品池和声耦合液组成；样品台置于声耦合液中。