CN105021697A - 一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置。所述方法包括获取热声图像、获取声速分布图像和鉴别异物类型三个步骤。低密度异物在脉冲微波激发源激发下，能够吸收微波能量产生热声效应并释放出热声信号，利用重建热声图像可以实现异物大小、形状和位置的检测。当异物与周围物质密度不同时，热声波在其中的传播速度及穿透特性也会随着变化，通过重建异物声速分布图像即可实现异物的种类鉴别。本发明利用非电离辐射的脉冲微波及热声效应，能够弥补现有技术的检测盲区，具有高对比度、安全无损的特点。本发明的装置结构简单，可集成化生产，便于大规模推广应用。

Description

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置

技术领域

本发明属于热声成像领域，具体涉及一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置。

背景技术

低密度材料具有密度小，质量轻的特点。低密度材料的侵入到其他物质中即产生低密度异物。X射线是目前异物检测的主要手段，根据X光在不同物质材料上的穿透能力差别来检测异物，异物与材料的密度差别越大，越容易被检测到。然而，大多数X光机不能检测诸如极薄的玻璃、木屑、竹签、塑料、棉线、低密度软骨等低密度异物。利用热声成像反映电磁学参数差异的特性可以对X光成像无法分辨的低密度异物进行高对比度的成像检测(邢达、曾吕明，一种利用热声成像检测异物的方法及其装置，ZL200710026646.7)。然而，目前的热声成像方法只能根据物质电磁吸收特性检测到异物的位置，尚未有报道能够实现异物种类鉴别的方法。比如，无微波吸收的玻璃和木屑，其介电常数和电导率相近，在热声成像检测中它们和周围组织的对比度无明显差异，由于无法鉴别异物种类给后续的异物清理造成了一定的障碍。

脉冲微波激发的热声波是一种位于超声频段的机械波，具有方向性好、穿透能力强、在界面上会发生反射和透射、无电离损伤的特点。热声波在介质中的传播速度不仅与传播的波型有关，更与传播介质的特性如密度、弹性模量等密切相关。热声波声速是反映材料特性的重要参数，当物质密度变化时热声波在其中的传播特性也会随着变化，这种变化主要体现为热声波速度和声波透射信号强度的变化。物质密度与声波速度变化的关系较为明确，密度越高声波在其中的传播速度越大，因此可以通过对声速的测量来确定材料的密度。

基于超声反射的超声成像方法在材料无损检测领域已经有了广泛的应用，发射超声在声阻抗差异的界面会具有不同的反射率，通过探测超声回波信号能够实现超声成像检测。但是，当被检测材料中存在低密度异物并且两者的声阻抗非常接近时，超声反射率会极低，无法利用超声反射回波进行成像。所以，低密度异物仍然是超声对材料检测的盲区。热声成像利用异物的与周围物质的微波吸收差异产生内源性热声源，异物中声传播速度的变化引起可探测的热声渡越时间的改变，根据计算的声速可以实现异物种类鉴定。热声成像克服了超声成像检测的盲区，同时实现了异物检测定位及种类鉴别，具有较大的应用价值。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法。

本发明的另一目的在于提供一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法，包括以下步骤：

(1)获取热声图像：通过脉冲微波激发低密度异物及周围物质产生热声效应，热声信号被热声探测器接收，然后经放大器放大后送入数据采集系统进行数据采集记录，最后利用滤波反投影算法重建热声图像，确定低密度异物的位置；

(2)获取声速分布图像：通过脉冲微波激励热声探测器的阵元与周围物质的界面，由于两者存在微波吸收差异会产生热声波信号，热声波信号遇到低密度异物后产生透射声波信号，透射的热声波信号被对向位置的热声探测器阵元接收，然后经过放大器放大后送入数据采集系统，由于声波在低密度异物与周围物质中传播速度不同引起透射声波到达对向位置的热声探测器阵元的时间改变，最后根据热声波渡越时间重建低密度异物的声速分布图像；

(3)根据步骤(2)所获取的低密度异物声速值，根据常见物质的声速与探测到的异物的声速比较，实现异物种类的鉴别。

所述低密度异物为密度与周围物质密度差异小于50％的物质。因此本发明方法可以应用于如金属物质中检测石块，组织或琼脂中检测玻璃屑、木屑、竹签、塑料、棉线、低密度软骨等方面。

优选的，步骤(1)和步骤(2)所述热声探测器为多元环形阵列探测器；其阵元数目为1～1024，主频为1～75MHz。

优选的，步骤(2)所述脉冲微波激励信号为脉宽1ns～200ns的窄脉冲微波信号。

优选的，步骤(2)中通过脉冲微波激励热声探测器与周围物质的边界处激发出热声波信号。

优选的，步骤(2)中所述声速分布图像根据热声波在物质中传输时间的改变，通过微分得到。

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置，包括脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4；所述脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4依次连接。

所述脉冲微波激发源模块1-1用于激发低密度异物及周围物质产生热声波信号，并经过热声波信号采集和处理模块1-3和图像重建软件模块1-4，得到具有异物检测定位能力的热声图像。

优选的，所述热声波信号接收和发射模块1-2为多元环形阵列探测器。

所述热声波信号接收和发射模块1-2用于发射热声波及接收经过低密度异物反射和透射的热声波信号。

优选的，所示热声波信号采集和处理模块1-3包括放大器和数据采集系统。

所述数据采集系统可以是计算机等。

所述热声波信号采集和处理模块1-3用于放大并采集热声波接收和发射模块1-2接收到的热声信号。

优选的，所述图像重建软件模块1-4由Matlab编程语言编写，实现对采集到的热声信号进行图像重建。

优选的，所述脉冲微波激发源模块为脉冲微波，所述热声波信号接收和发射模块为热声探测器。

本发明的原理是：低密度异物(即被检测材料)及周围物质在脉冲微波激发源激发下，吸收微波能量产生瞬间绝热膨胀，并释放出热声信号，利用放置在异物周围的热声探测器接收热声信号，并利用数据采集系统采集热声信号并储存于计算机，最后通过滤波反投影算法重建得到低密度异物的热声图像；

热声探测器和周围物质存在微波吸收差异，在脉冲微波激发下两者边界处会产生热声波，热声波传输过程中遇到低密度异物，会同时产生透射；然后利用热声探测器接收来自于低密度异物的透射声波信号并采集存储于计算机，通过计算机内置数据成像软件得到低密度异物的声速分布图像，继而可以根据声速值实现异物种类的鉴别。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用微波、超声相结合的物理原理与技术提供一种新颖的异物检测方法，能够实现高穿透深度及高对比度的低密度异物检测与定位。

(2)本发明利用非电离辐射的脉冲微波及激发的热声波，具有安全无损的特点。

(3)本发明利用透射热声波及声速成像实现异物种类鉴别，能够克服超声成像及X线成像在低密度异物检测中的盲区。

(4)本发明的装置结构简单，可集成化生产，便于大规模推广应用。

附图说明

图1为本发明低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置原理框图；

图2为实施例1中获取低密度异物热声图像和声速分布图像的方法示意图；

图3为实施例1中获取低密度异物声速分布图像的方法示意图。

图4为实施例1中获取的软木屑异物声速分布图像。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置，如图1所示，包括脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4；所述脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4依次连接；该热声成像装置按如下步骤检测及鉴别低密度异物：

(1)获取热声图像：所述低密度异物及周围物质经脉冲微波激发模块1-1激发产生热声信号，热声信号被置于低密度异物周围的热声波信号接收和发射模块1-2接收，然后经热声波信号采集和处理模块1-3进行信号放大和数据采集，再由图像重建软件模块1-4对采集到的热声信号进行图像重建，确定低密度异物具体位置；

(2)获取声速分布图像：所述脉冲微波激发模块1-1在热声波信号接收和发射模块1-2与周围物质的边界处激发出热声波并向外传输，热声波信号遇到低密度异物后产生透射声波信号并被热声波信号接收和发射模块1-2接收，并由热声波信号采集和处理模块1-3进行数据采集，由于声波在不同密度物质传输速度的变化引起透射声波到达热声波信号接收和发射模块1-2的时间改变，由图像重建软件模块1-4对采集到的透射热声信号进行数据处理，通过热声波渡越时间的改变得到低密度异物及周围物质的声速分布图像；

(3)鉴别异物种类：根据声速分布图像获得的异物声速值，与常见类型物质中的声速进行比较，实现异物种类的鉴别。

具体的，本实施例中脉冲微波激发模块为脉冲微波2-1，热声波接收和发射模块为多元环形阵列探测器2-4，热声波信号采集和处理模块为低噪声放大器和数据采集系统2-5。

步骤(1)和(2)具体步骤如图2所示：低密度异物2-2经脉冲微波2-1激发产生热声信号2-3，热声信号2-3被置于低密度异物2-2周围的多元环形阵列探测器2-4接收，然后经低噪声放大器和数据采集系统2-5放大并采集全方位(360°)的数据，最后由图像重建软件模块利用滤波反投影算法对采集到的热声信号进行图像重建，得到低密度异物2-2的热声图像，从而实现低密度异物的检测定位；

随后，脉冲微波2-1激发多元环形阵列探测器2-4及周围物质，并在两者界面处产生热声波发射；热声波信号遇到低密度异物2-2后产生透射声波信号并被多元环形阵列探测器2-4接收，并由低噪声放大器和数据采集系统2-5放大和采集，由于声波在不同密度物质传输速度的变化引起透射声波到达多元环形阵列探测器2-4的时间改变，最后由图像重建软件模块对采集到的透射热声信号进行图像重建，得到低密度异物2-2的声速分布图像；

步骤(3)具体步骤如图3所示：物质3-3中存在未知类型的低密度异物3-2，低密度异物3-2与物质3-3的声速分别为υ₁，υ₂，多元环形阵列探测器3-1发射的热声波从A经过低密度异物传输到B并被其接收，则距离其中t_c，t_d，t_b分别为超声波到达C,D,B的时间。由于距离AB及物质3-3的声速及密度是已知的，根据采集到的热声信号时域波形可得到t_c，t_d，t_b，继而可以根据上式计算得到低密度异物3-2的声速，利用不同位置得到的声速进行反投影重建即可以得到低密度异物及周围物质的声速分布图像。

应用上述方法和装置检测均匀琼脂中的软木屑：

热声波在琼脂中的传播速度约为1540m/s，热声波在软木中的传播速度为500m/s。琼脂的电导率及介电常数均远大于软木，当厚度为d的软木屑侵入均匀琼脂体时，由于明显的微波吸收差异，通过热声效应能够对异物进行成像检测。软木屑和琼脂两者的声速及密度存在差异，热声信号传输路径经过软木屑时，声速的改变会导致热声波渡越时间的改变。最终，热声探测器探测到的热声信号将有d/(υ_琼脂)-d/(υ_异物)的延迟。根据热声信号时间延迟及已知的琼脂声速，通过重建的热声图像可以计算得到异物的声速值，从而判定异物的种类。图4为X形状的软木屑异物侵入均匀琼脂样品后的热声成像检测结果，根据图像中异物的声速值～600m/s，可判定异物为非金属软木类异物。

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 (8)

1.一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取热声图像：通过脉冲微波激发低密度异物及周围物质产生热声效应，热声信号被热声探测器接收，然后经放大器放大后送入数据采集系统进行数据采集记录，最后利用滤波反投影算法重建热声图像，确定低密度异物的位置；

(2)获取声速分布图像：通过脉冲微波激励热声探测器的阵元与周围物质的界面产生热声波信号，热声波信号遇到低密度异物后产生透射声波信号，透射的热声波信号被对向位置的热声探测器阵元接收，然后经过放大器放大后送入数据采集系统，最后根据热声波渡越时间重建低密度异物的声速分布图像；

(3)根据步骤(2)所获取的低密度异物声速值，根据常见物质的声速与探测到的低密度异物的声速比较，实现异物种类的鉴别。

2.根据权利要求1所述的热声成像方法，其特征在于，步骤(1)和(2)所述热声探测器为多元环形阵列探测器；其阵元数目为1～1024，主频为1～75MHz。

3.根据权利要求1所述的热声成像方法，其特征在于，步骤(2)所述脉冲微波激励信号为脉宽1ns～200ns的窄脉冲微波信号。

4.根据权利要求1所述的热声成像方法，其特征在于，步骤(2)中通过脉冲微波激励热声探测器与周围物质的边界处激发出热声波信号。

5.根据权利要求1所述的热声成像方法，其特征在于，步骤(2)中所述声速分布图像根据热声波在物质中传输时间的改变，通过微分得到。

6.一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置，其特征在于，包括脉冲微波激发源模块，热声波信号接收和发射模块，热声波信号采集和处理模块，以及图像重建软件模块；所述脉冲微波激发源模块，热声波信号接收和发射模块，热声波信号采集和处理模块，以及图像重建软件模块依次连接。

7.根据权利要求6所述的热声成像装置，其特征在于，所示热声波信号采集和处理模块包括放大器和数据采集系统。

8.根据权利要求6所述的热声成像装置，其特征在于，所述脉冲微波激发源模块为脉冲微波，所述热声波信号接收和发射模块为热声探测器。