CN102269717A

CN102269717A - 超短脉冲微波热声成像方法及其装置

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Publication number: CN102269717A
Application number: CN 201110107421
Authority: CN
Inventors: 娄存广; 邢达
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2011-04-27
Filing date: 2011-04-27
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-04-27
Also published as: CN102269717B

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲微波热声成像方法及其装置。该装置包括超短脉冲微波发生器、超声探测器和数据采集及图像重建装置。该方法包括步骤：将待测物体固定在含有去离子水的耦合池中；超短脉冲微波发生器在触发电路控制下输出超短脉冲微波，经过脉冲发射天线均匀地照射待测物体，激发产生热声信号；热声信号被超声探测器接收，触发电路输出的信号触发数据采集卡采集热声信号，计算机记录保存热声信号并进行图像重建。本发明利用ns级脉冲宽度的超短脉冲微波发生器实现热声信号的激发，可以大大提高热声信号激发效率，对待测样品实现高分辨率层析成像。本发明装置成像分辨率高，结构简单，操作方便，成本低，易于在无损检测领域推广应用。

Description

超短脉冲微波热声成像方法及其装置

技术领域

本发明属于热声成像技术领域，特别涉及一种超短脉冲微波热声成像方法及其装置。

背景技术

近年来，热声效应以及热声成像技术的研究受到越来越多的关注。用高功率短脉冲微波辐照某种物质时，该物质吸收微波能引起瞬间温升，在微波激发脉宽比较窄的情况下，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，物质将发生绝热膨胀，将热能转化为超声波形式的机械能辐射出去，即为热声效应。热声效应实际上是一种能量转换过程，根据热传导方程及波动方程可知：热声信号的产生不仅与激发源有关，还与被物质的热力学及电磁学特性有关。

微波热声成像利用脉冲微波作为激发源，通过探测超声波实现反映物质微波吸收的图像重建。相对于微波成像来说，热声成像利用探测到的超声波信号进行图像重建，从而大大提高了成像分辨率。典型的微波成像是用天线或天线阵发射一定频率的电磁波照射被测物体，接收天线检测被测物体的散射场，物体的形状和空间分布的信息就包含在散射场中，利用散射场的信息对被测物体进行图像重构。在微波散射成像中，要得到高分辨率的图像就需要波长更短即频率更高的微波源。由于生物组织对电磁波的传播损耗，高频率的微波信号在组织中传播会存在严重的衰减，因此，为了保证足够的探测深度，微波频率不宜过高。然而，低频的微波具有较长的波长，成像分辨率较低，这大大限制了微波成像技术在生物医学中的应用。微波热声成像则完全避开了微波散射问题，利用较低的微波频率实现高的穿透深度及高的成像分辨率。目前，微波热声成像系统可以实现cm级的穿透深度及mm级的成像分辨率。

超短脉冲微波源有别于传统的微波源，它的结构更紧凑，脉冲宽度更窄，频带更宽。时域上，超短脉冲微波系统采用脉宽为ns级，上升沿为ps级的脉冲源，可以达到更高的成像分辨率。超短脉冲微波具有穿透能力强、传输速率高、能提供毫米级定位精度等特点，可以将超短脉冲微波技术应用于成像系统当中。目前国内的超短脉冲微波研究机构主要有国防科技大学刘金亮，西北核工业研究所袁雪林等。其中国防科技大学研制的超短脉冲微波上升沿可以达到几百ps，脉宽可以达到几个ns，功率可以达到几百MW。近年来，超短脉冲微波探测成像在诸如早期乳腺肿瘤等近场目标的探测成像，探地雷达，雷达通信等中的应用日益受到广泛的关注，超短脉冲微波用于热声成像未见报道。

热声成像激发源为脉冲微波，根据热声成像理论，要得到高分辨率的图像就需要持续时间很短的激发源。现有热声成像装置的激发源一般为调制器、振荡器系统，即采用脉冲调制的技术实现几百ns脉冲宽度的电脉冲驱动磁控管振荡产生微波。由于磁控管的工作需要一定的维持时间，要进一步减小脉冲宽度非常困难。此外，这种微波源微波频率固定，不能任意调节，不易根据样品的吸收特性选择合适的微波激发频率。根据微波脉冲宽度与成像分辨率的关系，微波脉宽越窄，热扩散越小，热声激发效率越高，热声信号持续时间越短，热声成像分辨率越高(Kruger，Liong Wang等)。目前国际上各个研究小组的热声成像系统普遍采用峰值功率几十KW，脉宽1μs左右的短脉冲微波(Kruger，Wang)。基于同样原理的光声成像系统激发源则采用脉宽10ns，峰值功率几十MW的脉冲激光。光声成像分辨率能达到几十μm，而热声成像系统分辨率目前只能做到mm级，从某种意义上说，微波的脉冲宽度严重影响了热声成像分辨率。

发明内容

为了克服现有光声成像技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种小型化，高分辨率，无损的超短脉冲微波热声成像装置。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行高分辨率热声成像的方法；该方法利用ns级宽度超短脉冲微波进行热声成像，能大大提高成像分辨率

本发明的目的通过下述技术方案实现：超短脉冲微波热声成像装置，该装置包括超短脉冲微波发生器、超声探测器和数据采集及图像重建装置；所述超短脉冲微波发生器包括初级能源、控制系统、触发电路、高精度充电系统、高压脉冲发生器、高压脉冲形成线、高压气体开关和脉冲发射天线；所述数据采集及图像重建装置用于将超声探测器探测到的热声信号进行图像重建，得到反映样品微波吸收的热声图像，包括前置放大器、数据采集卡、数据处理卡、图像重建软件和计算机。

所述超短脉冲微波发生器产生的超短脉冲微波的脉冲宽度为100ps～100ns。

所述超短脉冲微波发生器产生超短脉冲微波的步骤如下：初级电源利用高精度充电系统对高压脉冲发生器的储能电容充电，达到设计阈值后电容放电产生电脉冲；高压脉冲发生器和高压脉冲形成线构成谐振，进一步提高电脉冲的电压，形成高压电脉冲；利用高压气体开关导通放电特性将高压电脉冲的脉宽进行进一步压缩，产生ns级脉冲宽度高压电脉冲，脉冲发射天线将此高压电脉冲转化为脉冲微波发射出去。

所述超声探测器为多元线性阵列超声探测器或多元环形阵列超声探测器。

所述高压脉冲发生器为Marx(马克斯)发生器、Tesla(特斯拉)变压器、基于雪崩管的固态脉冲发生器、磁流体发电机或磁通压缩发生器，根据不同需要进行选择和参数调整。这些装置的作用就是利用常规的电能或化学能产生高功率的电脉冲。

所述超短脉冲微波发生器利用初级能源对高精度充电系统的储能电容充电，达到设计阈值后电容放电产生微秒(μs)级脉冲宽度的脉冲电压。此脉冲电压经过高压脉冲发生器进行升压，利用高压气体开关导通放电特性将升压后的脉冲电压进行进一步压缩，产生纳秒(ns)级高压电脉冲，即超短脉冲微波。

所述脉冲发射天线为高功率螺旋天线，螺旋半径为10～20cm，长度为15～25cm，主频率范围为100MHz～1GHz。

所述触发电路用于控制微波源脉冲重复频率，其提供TTL正电平触发信号，脉冲上升沿小于100ns，重频1Hz～100Hz可调。

一种利用上述装置进行热声成像的方法，包括以下步骤：

(1)将待测物体固定在含有去离子水的耦合池中；

(2)超短脉冲微波发生器在触发电路控制下输出超短脉冲微波，经过脉冲发射天线均匀地照射待测物体，激发产生热声信号；

(3)热声信号被超声探测器接收，触发电路输出的高电平数字逻辑信号触发数据采集卡采集超声探测器接收到的热声信号，保存到计算机进行处理和图像重建。

步骤(2)所述超短脉冲微波的频率为100MHz～1GHz。

步骤(2)所述超短脉冲微波经过脉冲发射天线辐射后微波脉冲宽度为100ps～100ns。

步骤(2)所述脉冲发射天线和待测物体之间的距离为2～20cm；步骤(3)所述超声探测器和待测物体之间的距离为2～20cm。

所述超短脉冲微波发生器采用脉冲功率技术，即经过初级能源慢储能-脉冲形成-脉冲压缩-脉冲快速释放给负载(脉冲发射天线)等过程形成超短脉冲微波，其工作原理具体为：初级电源利用高精度充电系统对高压脉冲发生器的储能电容充电，达到设计阈值后电容放电产生电脉冲，高压脉冲发生器利用电阻电容或电感电容谐振原理，进一步提高此电脉冲的电压形成高压电脉冲。利用后级的高压气体开关导通放电特性将高压电脉冲脉宽进行进一步压缩，产生ns级脉冲宽度高压电脉冲。由于该脉冲高压脉宽非常窄，可以经脉冲发射天线向空间直接辐射变为超短脉冲微波。

所述脉冲发射天线为高功率脉冲发射天线。要将脉冲源产生的脉冲电压有效的转化为脉冲微波，需要合理的天线设计。此种脉冲微波装置的应用对天线小型化及辐射效率提出了较高的要求。常用的脉冲微波脉冲发射天线包括单极天线，螺旋天线，喇叭天线等。考虑到热声成像系统待成像样品的结构，需要较高增益的定向天线以提高待成像区能量密度。此处设计的辐射微波主频为500MHz，相应的波长为76cm。本发明中综合考虑了各种因素，选用螺旋天线。此种天线有较高的辐射效率，具有9db的增益，长度～20cm，口径～15cm，在轴向方向辐射波束宽度小于60度。

本发明的成像方法和装置与现有技术相比具有如下的优点和有益效果：

(1)超短脉冲微波脉宽窄，热声信号激发过程中不存在热扩散，热声激发效率较以前的宽脉冲微波有很大提高。

(2)超短脉冲微波脉宽窄，可以大大提高热声图像分辨率。

(3)本发明装置利用超短脉冲微波激发热声信号，由于微波脉冲持续时间很短，热声转化效率高，可以相应的减小峰值功率，从而减小微波辐射剂量，更有效的避免对被检测组织产生热损伤。

(4)超短脉冲发生器产生时间宽度极短的窄脉冲直接激励脉冲发射天线进行辐射，不需要磁控管进行电能到微波能的转化，设备结构简易，工作稳定。

(5)超短脉冲发生器辐射的微波具有较宽的频带，辐射频率可以通过更换天线进行调节，也可以通过设计优良的宽带天线进行宽频带辐射，这样热声图像能反映吸收体不同微波波段的吸收，进而进行多波长成像。

(6)本发明装置系统体积小，重量轻，工作稳定，连续运行时间长，使用方便，造价低，应用范围广；对于实现热声技术的仪器化，临床化，有着巨大的推动作用。

附图说明

图1是实施例1所述超短脉冲微波热声成像装置示意图；其中：1-1触发电路，1-2控制系统，1-3高精度充电系统，1-4初级能源，1-5 Tesla变压器，1-6高压脉冲形成线，1-7高压气体开关，1-8高功率螺旋天线，1-9实验样品室，1-10多元阵列超声探测器，1-11数据采集及图像重建装置。

图2是实施例1所述超短脉冲微波热声成像装置中简易原理图；其中：2-1为触发电路，2-2为Tesla变压器，2-3为脉冲形成线，2-4为高压气体开关，2-5为脉冲发射天线，2-6为待测样品，2-7为热声信号，2-8为多元阵列超声探测器，2-9为数据采集卡，2-10为计算机。

图3是实施例1所述超短脉冲微波发生器剖面示意图；其中：3-1为初级能源、控制系统及触发电路，3-2为Tesla变压器与脉冲形成线一体结构，3-3为高压气体开关，3-4为脉冲发射天线，3-5为脉冲发射天线基板。

图4是实施例1所述高功率螺旋天线剖面图。

图5是实施例1所述超短脉冲微波发生器经脉冲发射天线辐射后的时域波形图，纵轴代表波形强度，横轴代表时间。

图6是不同脉冲宽度微波激励下，长方形琼脂吸收体热声重建图像，其中(a)为100ns脉冲宽度，(b)为1μs脉冲宽度。

具体实施方式

下面结合具体的实施例与附图对本发明作进一步详细的叙述，但本发明的实施方法灵活，不仅仅限于此例所述的具体操作方式。

实施例1

图1为本发明超短脉冲微波热声成像装置的结构示意图，本装置中的超短脉冲微波发生器为基于Tesla变压器结构的高压脉冲发生器。整个高压脉冲发生器主要由触发电路1-1，控制系统1-2，高精度充电系统1-3，初级能源1-4，Tesla变压器1-5，高压脉冲形成线1-6，高压气体开关1-7等组成。触发电路1-1发出触发信号，经过控制系统1-2控制高精度充电系统1-3及初级能源1-4的工作状态，如脉冲重复频率，电压等。初级能源1-4在控制系统1-2控制下转化为电脉冲，经过高压Tesla脉冲变压器1-5与高压脉冲形成线1-6进行升压，将电压提高到几百kv，之后经过高压气体开关1-7自击穿进行放电，产生超短高压电脉冲。

高压脉冲发生器产生的高压电脉冲经过高功率螺旋天线1-8辐射到样品室1-9中的样品，激发产生热声信号，经过多元阵列超声探测器1-10接收并传输到数据采集及图像重建装置1-11进行热声图像重建。

Tesla变压器结构高压脉冲发生器是产生高功率窄脉冲微波的最佳选择，它克服了Marx发生器结构脉冲发生器的工作不稳定，运行时间短的缺点，同时又具有较高的峰值功率和较窄的脉冲宽度，比较适合于超短脉冲微波热声成像。

基于Tesla变压器结构的高压脉冲发生器基本工作原理为初级能源模块(常规的电能或化学能)对储能电容进行充电，其简易原理图如图2所示，由外部触发源2-1控制电容间歇放电形成窄的电脉冲，此脉冲电压经过高压Tesla变压器2-2给高压脉冲形成线2-3充电。Tesla变压器的工作电路是由两个具有相同固有频率或一定失谐度的回路通过磁感应耦合进行能量交换的振荡电路。Tesla变压器初级及次级线圈相当于电感，脉冲形成线相当于电容，以上三者和储能电容构成谐振，实现高压脉冲产生与形成一体化。高压脉冲经过ps级高压气体开关2-4将脉宽进一步压缩，形成上升沿为几百ps的超短脉冲。由于高压脉冲发生器产生的超短脉冲仅几个ns，此类电脉冲含有较宽的频带并且可以直接通过脉冲发射天线2-5进行辐射，不需要调制载波方式中产生微波所需的磁控管，因此整个系统结构更简单，更易于实现小型化。脉冲发射天线2-5辐射的超短脉冲微波均匀照射到待测样品2-6激发热声信号2-7，经过多元阵列超声探测器2-8接收并通过数据采集卡2-9存储到计算机2-10。

图3为上述超短脉冲微波发生器剖面示意图；其中：初级能源、控制系统及触发电路3-1整合为一体，Tesla变压器与脉冲形成线一体结构3-2包裹在圆形钢结构中，后级连接高压气体开关3-3，3-4为脉冲发射天线，3-5为脉冲发射天线基板，用于减小微波背向散射。

图4为上述高功率螺旋天线的剖面图，采用轴向辐射模式，有较好的方向性；该天线设计的微波主频为500MHz，天线口径～15cm，天线长度～20cm，螺距为1.87cm。天线外包裹绝缘材料，并填充绝缘气体，如SF₆。超短脉冲微波发生器产生的ns级高压电脉冲经高功率螺旋天线辐射后微波的时域波形图如图5所示，脉宽为10ns。

实施例2：采用实施例1的装置实现待测物体的热声成像

(1)将待测琼脂块固定在含有去离子水的耦合池中；

(2)超短脉冲微波发生器在触发电路2-1控制下输出100ns脉宽的超短脉冲微波，经过图3所示结构的高功率螺旋天线2-5均匀地照射待测琼脂块2-6(待测琼脂块与高功率螺旋天线的距离为10cm，即天线的近场区，以提高辐射区的能量密度及均匀性)，激发产生热声信号；

(3)热声信号2-7被置于距离待测琼脂块10cm的多元阵列超声探测器2-8接收，触发电路输出的高电平数字逻辑信号触发数据采集卡2-9采集多元阵列超声探测器接收的热声信号，计算机2-10记录保存热声信号，利用滤波反投影算法重建待测琼脂点的热声图像，如图6(a)所示。

图6(a)为本发明100ns脉宽的超短脉冲微波发生器激励下重建的热声图像，图6(b)为1μs脉宽的脉冲微波发生器(6GHz，兵器工业206研究所BW-6000HPT5)激励下重建的热声图像。从图6(a)和(b)对比可见，窄脉冲宽度微波源激励下，热声成像的分辨率有较大提高。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.超短脉冲微波热声成像装置，其特征在于：该装置包括超短脉冲微波发生器、超声探测器和数据采集及图像重建装置；所述超短脉冲微波发生器包括初级能源、控制系统、触发电路、高精度充电系统、高压脉冲发生器、高压脉冲形成线、高压气体开关和脉冲发射天线；所述数据采集及图像重建装置包括前置放大器、数据采集卡、数据处理卡、图像重建软件和计算机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述超短脉冲微波发生器产生的超短脉冲微波的脉冲宽度为100ps～100ns。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述超短脉冲微波发生器产生超短脉冲微波的步骤如下：初级电源利用高精度充电系统对高压脉冲发生器的储能电容充电，达到设计阈值后电容放电产生电脉冲；高压脉冲发生器和高压脉冲形成线构成谐振，进一步提高电脉冲的电压，形成高压电脉冲；利用高压气体开关导通放电特性将高压电脉冲的脉宽进行进一步压缩，产生ns级脉冲宽度高压电脉冲，脉冲发射天线将此高压电脉冲转化为脉冲微波发射出去。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述超声探测器为多元线性阵列超声探测器或多元环形阵列超声探测器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述高压脉冲发生器为Marx发生器、Tesla变压器、基于雪崩管的固态脉冲发生器、磁流体发电机或磁通压缩发生器。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述脉冲发射天线为高功率螺旋天线，螺旋半径为10～20cm，长度为15～25cm，主频率范围为100MHz～1GHz。

7.一种利用权利要求1所述的装置进行热声成像的方法，其特征在于包括以下操作步骤：

(1)将待测物体固定在含有去离子水的耦合池中；

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述超短脉冲微波的频率为100MHz～1GHz。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述超短脉冲微波经过脉冲发射天线辐射后微波脉冲宽度为100ps～100ns。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述脉冲发射天线和待测物体之间的距离为2～20cm；步骤(3)所述超声探测器和待测物体之间的距离为2～20cm。