CN104459689B - 一种电磁波层析成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁波层析成像装置和方法，包括一个金属的柱形电磁屏蔽装置，一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，所述天线阵列排放在圆柱形金属电磁屏蔽装置内；每一个天线具有用于传输电磁波信号的连接口；每一个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波；多个天线之间通过柱形成像区域进行电磁波信号传输。多个天线天线的长度方向与所述柱形电磁屏蔽装置的轴向方向平行、与柱形成像区域横截面垂直；天线与圆柱形金属电磁屏蔽装置之间设有空间。本发明一种电磁波层析成像装置，用于生成介电常数的图像。本发明提供一种电磁波层析成像方法，利用低功率电磁波实现成像。

Description

一种电磁波层析成像装置和方法

技术领域

本发明是一种电磁波层析成像装置和方法，涉及计算机图像成型领域。

背景技术

电磁波层析成像根据所采用的频率也称为射频层析成像、 微波层析成像和毫米波层析成像， 它是利用低功率电磁波对物质内部的介质特性进行成像， 从而对物质内部的性质进行测量、分析和评估， 包括温度、湿度和浓度的测量。

在本质上，电磁波层析成像采用天线进行电磁波的辐射和接收。电磁波通过一个天线沿着一个入射方向辐射到成像区域内的物质，与物质的介质特性产生作用形成一个散射波， 然后通过另一个天线接收沿着一个散射方向的散射波， 如此构成一对天线之间的电磁波信号传输，再利用电磁波检测器测量散射波信号的幅度和相位。为了获得在不同方向入射下多个方向的散射波数据，电磁波层析成像系统一般采用多个天线， 这些天线均匀地排放在成像区域的边缘， 在获得这些散射场的数据，利用图像重建方法重建成像区域内物质的介质特性，形成图像。

美国专利WO2006/069195阐述了一个微波成像系统，采用了改良的单偶极子天线进行微波信号的辐射与接收。 Z. Wu等（Microwave-tomographic system for oil andgas multiphase flow imaging, IOP Measurement Science and Technology, 2009年第20卷 104026）文献中阐述基于单偶极子的微波成像系统。

在本发明以前，微波成像系统所用的单偶极子的天线均是开放式的，天线不仅向成像区域内的物质辐射， 而且向成像区域外的各个方向辐射。这样，微波成像系统容易受到天线周围环境的影响，产生误差，降低图像质量。美国专利WO2006/069195描述了一种减少环境影响的微波成像装置，利用装在一个非金属容器内的盐水衰减天线向成像区域外辐射的电磁波和朝向同一区域的散射波， 但是盐水的介质特性随环境温度、电磁波频率、盐份含量而变化， 给系统校正带来不便，也影响系统的成像精度。本发明提出采用金属柱形电磁屏蔽装置， 以排除天线周围环境对成像系统的影响， 确保图像质量。

发明内容

本发明提供一种电磁波层析成像装置，用于生成介电常数的图像。本发明提供一种电磁波层析成像方法，利用低功率电磁波实现成像。

本发明采取的技术方案为：

一种电磁波层析成像装置，包括一个金属的柱形电磁屏蔽装置，一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，所述天线阵列排放在圆柱形金属电磁屏蔽装置内；每一个天线具有用于传输电磁波信号的连接口；每一个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波；多个天线之间通过柱形成像区域进行电磁波信号传输。多个天线天线的长度方向与所述柱形电磁屏蔽装置的轴向方向平行、与柱形成像区域横截面垂直；天线与圆柱形金属电磁屏蔽装置之间设有空间。

每个天线通过电磁波信号连接口与电磁波信号源或者电磁波检测器连接。

每个天线是单偶极子天线，其横截面为圆形、方形、或长方形；每个天线有个共地。

所述柱形电磁屏蔽装置由铝、 铜、或者不锈钢材料制成，柱形电磁屏蔽装置为天线阵列的共地。

所述柱形电磁屏蔽装置包括一个柱形管道或容器；管道或容器的轴向方向与天线的长度方向平行，管道或容器内部构成柱形成像区域。

一种电磁波层析成像装置的成像方法，至少有一个电磁波信号源，用于电磁波的激励，电磁波激励频率范围为1兆赫兹至100千兆赫兹；

至少有一个电磁波检测器，用于电磁波的检测；至少有一个测量方法，实现所有天线之间的电磁波信号传输测量，包括幅度和相位的测量，形成一组测量数据，重建所述柱形成像区域内横截面上的介电常数的分布图像。

一种电磁波层析成像装置的成像方法，包含一个显示方法，显示介电常数的分布图像。

一种电磁波层析成像装置的成像方法，一种电磁波层析成像方法，其特征在于包括以下步骤：

1）、提供一个平行的天线阵列，排列在所述柱形成像区域的周边，并通过所述柱形成像区域进行信号传输。

2）、提供一个金属的柱形电磁屏蔽装置，包围所述天线阵列和柱形成像区域， 形成一个封闭式的电磁波层析成像结构，减少成像区域外环境的影响。

3）、提供一个测量方法， 测量天线之间的信号传输，包括幅度和相位的测量。

4）、提供一个图像重建方法，利用天线之间的信号传输数据导出所述柱形成像区域内介电常数的分布图像。

本发明一种电磁波层析成像装置和方法，技术效果如下：

所述装置和方法能够对天线阵列所包围区域内的物质进行成像，生成介电常数的分布图像；

所述装置能够屏蔽天线对装置以外的辐射，排除天线周围环境对成像系统的影响，确保数据采集和成像质量。

附图说明

图1示出了一个根据本发明的第一实施方案的装置的示意侧面透视图，包括金属电磁屏蔽装置和天线阵列。

图2示出了第一实施方案的平面示意图，包括电磁波连接口；金属电磁屏蔽装置为圆柱形，天线阵列以圆柱形排列， 天线为有圆形横截面的单偶极子天线。

图3示出了第二实施方案的平面示意图，包括电磁波连接口， 其中天线为有长方形横截面的单偶极子天线。

图4示出了一个根据本发明的第三实施方案的装置的示意侧面透视图，其中金属电磁屏蔽装置沿着轴向方向以及成像区域的边缘延长。

图5示出了一个根据本发明的第四实施方案的装置的示意侧面透视图，其中金属电磁屏蔽装置为圆柱形，成像区域为锥柱形，天线与其共形，排列在锥柱形成像区域的边缘。

图6示出了一个根据本发明的第五实施方案的装置的示意侧面透视图，其中金属电磁屏蔽装置和成像区域均为锥柱形，天线与其共形，排列在锥柱形成像区域的边缘。

图7示出了一个根据本发明的第六实施方案的装置的平面示意图，其中金属电磁屏蔽装置为方柱形，天线阵列以方柱形排列。

图8示出了一个根据本发明的第七实施方案的装置的平面示意图，其中金属电磁屏蔽装置为方柱形，天线阵列以圆柱形排列。

图9示出了一个根据本发明的第八实施方案的装置的示意侧面透视图，其中金属电磁屏蔽装置的内壁附有吸波材料。

图10示出本发明的流程示意图。

具体实施方式

本发明是一种电磁波层析成像装置和方法， 提供一个金属的柱形电磁屏蔽装置，一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，天线阵列排放在柱形成像区域的边缘，天线阵列排放在金属的柱形电磁屏蔽装置内，每个天线具有电磁波信号连接口，用于传输电磁波信号，能够辐射电磁波或者接收电磁波，天线之间通过所述柱形成像区域进行电磁波信号传输。

“天线”是个辐射和接收电磁波的装置。天线是形状可以是线天线， 如单偶极子天线、双偶极子天线和螺旋天线， 也可以是波导天线，如开口波导天线。通常情况下，本发明采用的天线为单偶极子天线，其横截面一般为圆形，也可以是方形、长方形或其它形状。天线的特性在许多教科书中已经有了详细的描述 （如 J. D. Kraus， Antennas， McGraw-Hill）。天线辐射可分为近区场和远区场，辐射场可以是垂直极化、水平极化、圆极化，近区和远区场可以利用麦克斯韦方程求解。

天线阵列中的每个天线的长度大体上相同， 长度方向与金属的柱形电磁屏蔽装置的轴向相同。天线由金属材料制成，金属的柱形电磁屏蔽装置为所有天线的共地。天线数目一般大于或等于8个， 通常情况下天线数目选择为16个， 这些天线均匀地排放在柱形成像区域的边缘，与柱形成像区域的横截面垂直。“均匀地排放”基本上是指按均匀间隔排放。成像区域的横截面一般为圆形， 但是也可以是方形或其它形状。

所述金属的柱形电磁屏蔽装置由铝、 铜、不锈钢等金属材料制成，包围所述的天线阵列和柱形成像区域。金属的柱形电磁屏蔽装置与天线阵列之间有个空间和距离， 其空间可以由空气或者介质材料填充，其距离取决于操作频率，有波长成正比。

通常情况下，根据本发明的装置包括一个测量方法， 测量天线之间的信号传输，包括幅度和相位的测量。测量电路与天线的连接通过电磁波连接口， 也可以采用直接连接。每个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波，测量两个天线之间的信号传输时，其中一个天线用于辐射电磁波、 另一个天线用于接收电磁波。

考虑本发明的一个体现，采用16个平行的单偶极子天线， 代号1#至16#。一个合适的测量方式是测量第1#天线和第2#至第16#天线之间的信号传输，第2#天线和第3#至第16#天线之间的信号传输，第3#天线和第4#至第16#天线之间的信号传输， 等等，直至第15#天线和第16#天线之间的信号传输， 形成120个幅度数据和120个相位数据，用于图像重建。

本发明的装置包括图像重建方法， 所述测量方法获得的天线间信号传输的数据，通图像重建方法进行层析成像，许多层析成像的反演计算方法已广为人知，本发明的装置所采用的图像重建方法是牛顿法。本发明装置和方法中成像所采用的成像参数是介电常数。

本发明的装置包括显示方法，适应于显示介电常数的分布图像。

测量信号一般为正弦波型的频域信号， 但也可以是脉冲型的时域信号。

图1和图2示出了本发明的第一个实施方案，其中圆柱形金属电磁屏蔽装置1包围着天线阵列2，由铝、 铜、不锈钢等金属材料制成。天线阵列2由16个天线组成，每个天线为单偶极子天线，横截面为圆型，由铜、黄铜或其它金属材料制成。 金属电磁屏蔽装置与天线阵列之间有个空间2a，由空气填充， 每个天线有个SMA连接器3电作为磁波连接口， SMA的外壳与圆柱形金属电磁屏蔽装置1相连接，SMA的中心导线3a与天线相连接，SMA的外壳与中心导线之间有个介质材料3b隔离，一个适宜的介质材料是聚四氟乙烯（PTFE）。天线阵列2在成像区域的边缘环绕成像区域。 成像区域包括一个非金属的管道4和装有物质的空间体积5， 其中非金属的管道4延伸到圆柱形金属电磁屏蔽装置1之外。

图3示出了本发明的第二个实施方案，第二个实施方案与第一个实施方案相似，但是其中天线阵列2由具有长方形横截面的单偶极子组成，单偶极子的横截面有宽度和厚度， 宽度大于厚度，厚度方向与成像区域横截面的边缘垂直， 宽度方向沿着成像区域横截面的边缘， 形成一个具有16单元的天线阵列。

图4示出了本发明的第三个实施方案，第三个实施方案与第一个实施方案相似，但是其中非金属的管道4仅在圆柱形金属电磁屏蔽装置1之内，圆柱形金属电磁屏蔽装置1在第一个实施方案的基础上， 沿着管道方向延伸， 形成一个金属管道4a， 与圆柱形金属电磁屏蔽装置1外的金属管道相接。

图5示出了本发明的第四个实施方案，第四个实施方案与第一个实施方案相似，但是其中非金属的管道4、成像区域5均为圆锥形，单偶极子天线也倾斜与管道锥形结构共形。

图6示出了本发明的第五个实施方案，第五个实施方案与第一个实施方案相似，但是其中圆柱形金属电磁屏蔽装置1、非金属的管道4和成像区域5均为圆锥形，单偶极子天线也与管道锥形结构共形。

图7示出了本发明的第六个实施方案，第六个实施方案延伸于第一个实施方案，其中圆柱形金属电磁屏蔽装置1、非金属的管道4和成像区域5均为方形体，单偶极子天线排放在方形管道的边缘。

图8示出了本发明的第七个实施方案，第六个实施方案延伸于第一个实施方案，其中圆柱形金属电磁屏蔽装置1为方形体， 天线阵列2、非金属的管道4和成像区域5第一个实施方案相同。

图9示出了本发明的第八个实施方案，第八个实施方案延伸于第一个实施方案，在第一个实施方案的基础上，其圆柱形金属电磁屏蔽装置1的内壁附加一层吸波材料6， 改变圆柱形电磁屏蔽装置内壁的电磁波边界条件。

图10示出了本发明的流程示意图，图中16天线与信号传输数据采集电路连接，通过测量方法，实现16个天线之间信号传输数据的采集， 然后通过计算机， 采用图像重建方法进行成像。

可以领会的是在没有偏离本发明的范围的情况下，以上描述的实施方案会有许多修改的方案。比如，一个实施方案可以是以上几个方案的组合；天线个数可以是8个或者其它数目。

以上描述和图示的实施方案仅是解说性的，并非限制性的。可以理解到的是，只有优选的实施方案在这说明书中描述和示出，所有来自权利要求书中所定义的本发明的范围内的变化和修改都包括在本发明的保护之中。

Claims (2)

1.一种电磁波层析成像装置，包括一个金属的柱形电磁屏蔽装置，一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，其特征在于：所述天线阵列排放在圆柱形金属电磁屏蔽装置内；每一个天线具有用于传输电磁波信号的连接口；每一个天线能够辐射电磁波或者接收电磁波；多个天线之间通过柱形成像区域进行电磁波信号传输；多个天线的长度方向与所述柱形电磁屏蔽装置的轴向方向平行、与柱形成像区域横截面垂直；天线与圆柱形金属电磁屏蔽装置之间设有空间，所述柱形电磁屏蔽装置包括一个柱形管道或容器；柱形管道或容器的轴向方向与天线的长度方向平行，柱形管道或容器内部构成柱形成像区域；

所述平行的天线阵列，排列在所述柱形成像区域的周边，并通过所述柱形成像区域进行信号传输；

天线阵列位于柱形管道或容器的外部；

每个天线是单偶极子天线，每个天线有个共地；

柱形电磁屏蔽装置为天线阵列的共地；

圆柱形金属电磁屏蔽装置的内壁附加一层吸波材料。

2.采用如权利要求1所述一种电磁波层析成像装置的成像方法，其特征在于：

至少有一个电磁波信号源，用于电磁波的激励，电磁波激励频率范围为1兆赫兹至100千兆赫兹；

至少有一个电磁波检测器，用于电磁波的检测；

至少有一个测量方法，实现所有天线之间的电磁波信号传输测量，包括幅度和相位的测量，形成一组测量数据，重建所述柱形成像区域内横截面上的介电常数的分布图像；

一个显示方法，显示介电常数的分布图像。