CN105259426A - 一种热声效应辐射场空间分布测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波辐射热声测量领域，具体涉及一种热声效应辐射场空间分布测量装置及方法。包括微波辐射模块，超声传感器阵列，数据采集与预处理模块，运动控制模块，容器装置，待测样品，图像重建模块。超声传感器阵列置于容器装置内部，探测待测样品产生的超声波信号。数据采集与预处理模块连接2-512路阵列的超声传感器阵列，对超声波信号进行滤波和放大处理，并进行数据采集和存储。图像重建模块接收微波辐射模块的同步信号，分别连接运动控制模块和数据采集与预处理模块，控制超声传感器阵列位置和数据采集与预处理模块的时序。本发明借助吸收系数已知吸收体的热声图像可以对脉冲微波辐射场的空间分布情况进行准确分析。

Description

一种热声效应辐射场空间分布测量装置及方法

技术领域

本发明属于微波辐射热声测量领域，具体涉及一种热声效应辐射场空间分布测量装置及方法。

背景技术

近年来，热声效应和热声成像技术的研究得到越来越多的关注。热声效应实际上是依据热传导方程和波动方程的一种能量转换过程。热声信号的产生，不仅与微波源有关，还与被测物质的热力学和电磁学特性有关。因此，利用微波热声技术对辐射物质进行成像，需掌握其辐射空间分布是精确判断能量与效应之间的关系的前提。热声信号主要来源于被辐射物质对微波吸收的差异，如果检测物体足够小，将其近似为点声源，各点源的吸收系数近似相等，则热声信号强度就由微波辐射场的能量分布决定。因此，通过测量微波热声信号的点源强度分布，能够间接测量脉冲微波辐射场的能量密度分布。

热声成像技术的图像重建实质是利用接收到的超声波信号重建被测物质对电磁波吸收的分布。目前实验系统多采用单超声波传感器运动或超声波传感器阵列技术进行热声信号采集，由于微波辐射场的不均匀性，成像效果差、伪影严重，导致微波热声测量与成像系统精度差。因此，迫切需要一种稳定、精确的脉冲微波辐射空间能量密度测试方法，克服由于能量密度分布不均导致的图像重构误差，进一步提高微波热声测量系统的精度。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明提供一种脉冲微波热声辐射空间分布测量装置及方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种热声效应辐射场空间分布测量装置，包括：

容器装置，承装变压器油耦合溶液，用于将待测样品放于溶液中；

微波辐射模块，用于激励待测物体产生瞬时压力波的大功率微波信号源，将产生微波信号辐射到容器装置底部；

超声传感器阵列，用于接收待测样品吸收微波辐射后产生的超声波信号；

数据采集与预处理模块，用于对来自超声波探测传感器的超声波信号进行滤波、放大处理，再对经过预处理的超声波信号在其控制的数据采集时序、采集速度下进行数据采集以及数据的存储；

运动控制模块，连接超声波探测传感器阵列，用于控制超超声波探测传感器阵列的旋转运动位置、旋转运动速度，以及垂直运动位置；

图像重建模块，连接运动控制模块和微波辐射模块，用于对采集到的超声波信号进行图像重建和定量分析。

所述微波辐射模块，包括S波段微波功率源、馈电系统及天线；S波段微波功率源通过馈电系统的波导与天线相连接，将微波源发射的微波通过天线辐射出去；所述天线安装于容器装置底部，用于对容器装置内部放置的待测样品进行微波脉冲辐射；所述S波段微波功率源用于发射中心频率为3GHz，带宽为100MHz，峰值功率为50-90kW的微波脉冲信号，脉冲宽度为100-500ns，微波信号经过馈电系统后由天线耦合至容器装置中的待测样品表面。

所述超声传感器阵列包括2-512阵列超声波传感器，固定于承载容器装置的支架上，该支架连接到电机，属于运动控制模块的一部分。

所述数据采集与预处理模块包括多块4-8通道数据采集和预处理板卡，组合成最多512通道数据采集通道，利用微波辐射模块的同步信号进行超声传感器的定位和同步数据采集。

所述运动控制模块包括超声波整列固定支架、直流步进电机、运动控制卡；所述运动控制卡通过总线与主机连接，控制所述直流步进电机旋转；所述直流步进电机的电机转动控制所述超声波整列固定支架的运动位置和速度。

所述容器装置由圆柱形容器与藕合液组成。

所述探测容器装置中的样品为排列均匀的阵列式饱和盐水阵列，面积满足微波辐射区域。

一种热声效应辐射场空间分布测量方法，用于测量成像空间范围内各个位置处的微波辐射场信号能量分布，具体包括以下步骤：

微波辐射模块产生的微波信号对待测样品辐射后，向外传播超声波信号；超声传感器阵列在不同高度对样品产生的超声波信号进行接收；数据采集与预处理模块对超声传感器阵列接收的信号进行滤波和放大处理，并将模拟信号转化为数字信号，使用圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像对不同平面的二维图像依次进行重建，利用三维图像处理软件实现组合并重建出反映检测空间范围内的微波信号能量分布。

所述超声波信号遵循下列等式：

$({\▿}^2-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})p(r,t)=-\frac{\mathrm{\β}}{C_P}\frac{\∂}{\∂t}H(r,t)$

其中，C_P是等压热容；H(r,t)为距离r处t时刻的微波能量分布函数；β为等压膨胀系数；c为组织中超声波传播速度；p(r,t)是热致超声波压力分布函数；H(r,t)可以等效为一个空间吸收函数和一个瞬时脉冲函数的乘积：

H(r,t)＝A(r)I(t)

其中，A(r)为微波空间吸收函数；I(t)为微波脉冲函数。

所述使用圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像对不同平面的二维图像依次进行重建，具体为：

选取距天线口的距离为D₁的平面作为热声重建脉冲微波辐射场能量空间分布的起始位置，采集并重建距离天线口距离为D₁的平面的超声波信号，利用360°圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像，实现D₁平面的二维能量分布图；

依次对距天线口的距离为D₁…D_n的平面的超声波信号进行采集和二维图像重建，其中，n不小于25，D₁…D_n是利用电机控制超声波传感器阵列，沿天线微波辐射方向固定间隔运动得到的。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.利用热声信号幅值与微波能量空间分布H(r)及吸收系数之间的对应关系，借助吸收系数已知吸收体的热声图像可以对脉冲微波辐射场的空间分布情况进行准确分析。

2.利用测量出的脉冲微波辐射场能量空间分布，在数据处理过程中消除由于场强分布不均匀造成的误检情况，使得重建图像能够真实反映样品吸收的微波能量。

3.利用微波能量空间分布情况，可以反推馈电天线系统的性能指标。

4.容器装置用于承装变压器耦合溶液，将待测物体放于溶液中，有效防止空气等对微波信号及超声波信号的衰减。

附图说明

图1为本发明的脉冲微波辐射场空间分布测量装置示意图；

图2为实验样品示意图；

图3为测试空间范围内的三维能量分布重建图，反映平面上9*9个位置在不同检测高度处吸收电磁能量的分布；

图4为检测空间范围内4个高度，平面内9*9个位置处样本吸收电磁波能量重建图像；

图5为天线空间辐射仿真图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的脉冲微波辐射场空间分布测量装置包括微波辐射模块，超声传感器阵列，数据采集与预处理模块，运动控制模块，容器装置，待测样品，图像重建模块。所述微波辐射模块由天线、馈电系统、S波段微波功率源组成，其中，天线安装于容器装置底部，用于对容器装置内部放置的待测样品进行微波脉冲辐射。超声传感器阵列置于容器装置内部，探测待测样品产生的超声波信号。数据采集与预处理模块连接2-512路阵列的超声传感器阵列，对超声波信号进行滤波和放大处理，并进行数据采集和存储。图像重建模块接收微波辐射模块的同步信号，分别连接运动控制模块和数据采集与预处理模块，控制超声传感器阵列位置和数据采集与预处理模块的时序。待测样品为排列均匀的阵列式饱和盐水阵列。

测量装置运行过程中，微波源以一定周期向待测样品辐射大功率微波脉冲信号，待测样品吸收电磁波产生瞬时压力波，向外辐射超声波信号，此时脉冲信号的上升沿触发数据采集与预处理模块，超声传感器阵列对待测样品发出的超声波信号进行接收，待数据接收完成后，运动模块控制超声传感器阵列运动到下一位置，为下一次的数据采集做准备，重复这一过程，直至整个数据采集完成。

待测样品，如图2所示，由排列均匀的阵列式饱和盐水阵列组成，面积满足微波辐射区域；

本发明基于脉冲微波热声成像系统，利用软件仿真和对装有饱和盐水的塑料管阵列进行三维热声成像，验证并实现了微波热声成像技术对脉冲微波辐射场空间分布的测量能力。

微波脉冲对非均匀介质物质辐射后，微波能量迅速被物质吸收并转换成热量，物质内部温度升高，相对组织表面形成温度梯度。由于电磁波传播速度远大于声波的传播速度，因此可以认为微波照射导致的热膨胀在瞬问发生。非均匀介质内部产生应变力，从而向外传播热声波。由微波能量分布函数H(r,t)，遵循下列等式

$({\▿}^2-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})p(r,t)=-\frac{\mathrm{\β}}{C_P}\frac{\∂}{\∂t}H(r,t)$

其中，C_P是等压热容；H(r,t)为距离r处t时刻的微波能量分布函数；β为等压膨胀系数；c为组织中超声波传播速度；p(r,t)是热致超声波压力分布函数；H(r,t)可以等效为一个空间吸收函数和一个瞬时脉冲函数的乘积

H(r,t)＝A(r)I(t)

其中，A(r)为微波空间吸收函数；I(t)为微波脉冲函数。在短脉冲的照射下，即I(t)＝δ(t)，由于微波能量的沉积和非均匀介质内部格林尼森系数的不均匀，将迅速导致组织内部声波压力的分布。每一个声压不为零的点均可视为一个向外传播热声信号的初始热声源。微波热声图像重建技术主要利用吸收体吸收脉冲微波能量后的热致伸缩效应产生热声信号，通过超声换能器采集热声信号，利用图像重建算法定性和定量的重建受辐照区域对脉冲微波的吸收信息。综上，得出初始时刻产生的热声信号压强表示为：

$P\left(r\right)=\left(\frac{{\mathrm{\βC}}^2}{C_p}\right){\mathrm{\μ}}_{a}H\left(r\right)=\mathrm{\Γ}{\mathrm{\μ}}_{a}H\left(r\right)$

其中：P(r)表示初始时刻t＝0位置r处产生的热声信号压强幅值，Γ表示热转换效率的格林尼森系数，μ_a为生物组织对微波的吸收系数。

由上公式所知，对于非均匀介质和微波源系统，初始时刻产生的热声信号幅值大小与介质对微波的吸收系数μ_a成正比。利用热声信号幅值与微波能量空间分布H(r)及吸收系数之间的对应关系，借助吸收系数已知吸收体的热声图像可以对脉冲微波辐射场的空间分布情况进行准确分析。

本发明所述的脉冲微波辐射场空间分布测量方法，所述图像重建模块作为脉冲微波辐射场空间分布测量模块，利用图像重建算法实现不同层面的热声重建图像叠加组合成三维图像。将排列均匀的待测样品至于容器装置中，选取距天线口的距离为D₁的平面作为热声重建脉冲微波辐射场能量空间分布的起始位置，采集并重建距离天线口距离为D₁的平面的超声波阵列传感器数字化信号，对采集到的圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像(一种通用的二维成像算法，可参考论文《3GHz微波热声成像系统》中关于延迟加和算法的描述)，实现D₁平面的二维能量分布图。依次对D₁…D_n层面超声波阵列数据进行采集和二维图像重建，其中，n不小于25。利用三维图像处理软件对n层重建后的二维图像进行组合，实现三维图像的重建，重建后的三维图像即为脉冲微波空间能量分布。

图3给出了脉冲微波场能量三维分布的热声重建图像，最底层热声成像灰度图表示距离喇叭天线口最近的热声成像起始位置，随着成像层面逐渐的远离喇叭口，热声重建的塑料管阵列数量增多，能量辐照范围越大。为了进一步验证热声成像技术对脉冲微波能量分布的成像测量能力，选取图3中间隔较大的4个层面重新组合成空间热声重建图像示于图4中。图4中热声成像的微波场能量分布更直观的指出随着成像平面远离喇叭天线口，塑料阵列中能够被有效热声成像的塑料管数据逐渐增加；但是能量辐照范围的增加也伴随着能量密度的降低，因此图4也指出随着成像平面与天线口之间距离的增大，被成像平面吸收体产生的最大热声信号幅值也在减低。同时，图4二维热声重建图像还指出：靠近天线中心区域能量较集中，切能量密度较大，导致中心区域成像塑料管具有较大的热声信号幅值；能量分布大致呈对称分布，靠近最外侧的塑料管出现一部分较大的热声信号分布，与仿真结果图5观察到的“旁瓣”现象吻合。

Claims (10)

1.一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，包括：

容器装置，承装变压器油耦合溶液，用于将待测样品放于溶液中；

微波辐射模块，用于激励待测物体产生瞬时压力波的大功率微波信号源，将产生微波信号辐射到容器装置底部；

超声传感器阵列，用于接收待测样品吸收微波辐射后产生的超声波信号；

数据采集与预处理模块，用于对来自超声波探测传感器的超声波信号进行滤波、放大处理，再对经过预处理的超声波信号在其控制的数据采集时序、采集速度下进行数据采集以及数据的存储；

运动控制模块，连接超声波探测传感器阵列，用于控制超超声波探测传感器阵列的旋转运动位置、旋转运动速度，以及垂直运动位置；

图像重建模块，连接运动控制模块和微波辐射模块，用于对采集到的超声波信号进行图像重建和定量分析。

2.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述微波辐射模块，包括S波段微波功率源、馈电系统及天线；S波段微波功率源通过馈电系统的波导与天线相连接，将微波源发射的微波通过天线辐射出去；所述天线安装于容器装置底部，用于对容器装置内部放置的待测样品进行微波脉冲辐射；所述S波段微波功率源用于发射中心频率为3GHz，带宽为100MHz，峰值功率为50-90kW的微波脉冲信号，脉冲宽度为100-500ns，微波信号经过馈电系统后由天线耦合至容器装置中的待测样品表面。

3.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述超声传感器阵列包括2-512阵列超声波传感器，固定于承载容器装置的支架上，该支架连接到电机，属于运动控制模块的一部分。

4.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述数据采集与预处理模块包括多块4-8通道数据采集和预处理板卡，组合成最多512通道数据采集通道，利用微波辐射模块的同步信号进行超声传感器的定位和同步数据采集。

5.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述运动控制模块包括超声波整列固定支架、直流步进电机、运动控制卡；所述运动控制卡通过总线与主机连接，控制所述直流步进电机旋转；所述直流步进电机的电机转动控制所述超声波整列固定支架的运动位置和速度。

6.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述容器装置由圆柱形容器与藕合液组成。

7.根据权利要求1所述的一种热声效应辐射场空间分布测量装置，其特征在于，所述探测容器装置中的样品为排列均匀的阵列式饱和盐水阵列，面积满足微波辐射区域。

8.一种热声效应辐射场空间分布测量方法，其特征在于，用于测量成像空间范围内各个位置处的微波辐射场信号能量分布，具体包括以下步骤：

微波辐射模块产生的微波信号对待测样品辐射后，向外传播超声波信号；超声传感器阵列在不同高度对样品产生的超声波信号进行接收；数据采集与预处理模块对超声传感器阵列接收的信号进行滤波和放大处理，并将模拟信号转化为数字信号，使用圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像对不同平面的二维图像依次进行重建，利用三维图像处理软件实现组合并重建出反映检测空间范围内的微波信号能量分布。

9.根据权利要求8所述的一种热声效应辐射场空间分布测量方法，其特征在于，所述超声波信号遵循下列等式：

$({\▿}^2-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^2}{{\∂t}^2})p(r,t)=-\frac{\mathrm{\β}}{C_P}\frac{\∂}{\∂t}H(r,t)$

其中，C_P是等压热容；H(r,t)为距离r处t时刻的微波能量分布函数；β为等压膨胀系数；c为组织中超声波传播速度；p(r,t)是热致超声波压力分布函数；H(r,t)可以等效为一个空间吸收函数和一个瞬时脉冲函数的乘积：

H(r,t)＝A(r)I(t)

其中，A(r)为微波空间吸收函数；I(t)为微波脉冲函数。

10.根据权利要求8所述的一种热声效应辐射场空间分布测量方法，其特征在于，所述使用圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像对不同平面的二维图像依次进行重建，具体为：

选取距天线口的距离为D₁的平面作为热声重建脉冲微波辐射场能量空间分布的起始位置，采集并重建距离天线口距离为D₁的平面的超声波信号，利用360°圆周数据延迟叠加进行合成孔径成像，实现D₁平面的二维能量分布图；

依次对距天线口的距离为D₁…D_n的平面的超声波信号进行采集和二维图像重建，其中，n不小于25，D₁…D_n是利用电机控制超声波传感器阵列，沿天线微波辐射方向固定间隔运动得到的。