CN108007943A - 基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，包括计算机、显示单元、XYZ位移机构、定向信号分束电路、信号分析单元、微波信号源和波导；所述计算机通过串口连接控制XYZ位移机构移动波导，执行数据采集和处理；所述显示单元显示最终检测结果图像；所述XYZ位移机构对矩形波导或被测物进行移动，实现控制波导与被测物之间的检测距离并采集检测数据；所述5定向信号分束电路将部分传输信号与反射信号进行分离定向；所述波导为矩形开口波导，实现微波信号发射和采集功能；所述信号分析单元为矢量网络分析仪，实现微波信号幅值和相位的测量；所述微波信号源通过信号分束电路对波导传输微波信号；所述波导与所述信号分析单元通过同轴电缆相连接；所述计算机与所述信号分析单元通过通用接口总线（GBIP）相连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种矩形波导微波成像系统及其检测方法，具体涉及基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统及检测方法，属于无损检测、医学成像和目标探测技术领域。
背景技术
微波成像检测技术的原理是综合研究微波与被测物体的相互作用，一方面微波在不连续的界面会产生反射、散射、透射，来实现对被测材料表面和亚表面检测；另一方面微波还会和被测材料相互作用，此时微波信号会受到材料中的电磁参数和几何参数影响，从而实现对材料物理电磁特性的检测。与超声检测相比，它的主要优点是操作方便,不需要耦合剂,而且很容易穿过空气介质，非接触测量，检测速度快，可实现图像化和自动化检测，并同时评估被测材料物理特性状况。与射线检测相比,微波对人体无辐射性危害。微波成像检测技术在非金属涂层下金属腐蚀检测和定量分析上的优势引起了广泛关注。该技术结合微波成像优点，能快速的穿透涂层避免遭受很高的衰减，然后与金属内部结构互相作用，从而形成涂层下金属及其构件图像，实时在线测量涂层及其金属构件的厚度变化情况。
在过去的二十年中，微波成像检测的潜力已经被各种试验研究证实了，包括使用雷达传感器、开口波导、同轴探针等。Huber等使用横向磁场来获得正交模式向量，然后将这一方法扩展到预估未知磁电流流动方向，从而提供了微波检测的理论分析模型。在众多微波成像系统中，近场开口波导微波检测在多层结构检测上应该是最有前途的技术一种。周在杞研究了利用微波检测技术来监测金属管内部的腐蚀减薄情况。侯哲等分析了基于微波技术的复合材料内部缺陷的检测机理，并与其它无损检测方法进行了比较，突出了微波检测的快速，直观和安全的特性。何存富等使用带法兰的矩形波导探头，运用反射系数的相位来高精度地表征热障涂层的厚度变化，可以精确到8μm的分辨率。杨玉娥等利用商业仿真软件CST的微波工作室对微波检测涂层下的金属裂纹进行了操作频率的参数优化。
微波成像检测在实际检测中，由于获取数据时间长和数据量大，包含了丰富的信息，选择和运用合理的信号处理方法是取得有效结果的必要前提。对比以上的微波检测技术，人为选择频率和特征值方法不客观，极易受到干扰，只能针对特定研究，对类似问题重复性差，并且丢失了除选择的频率范围外的大量微波图像信息，难以实现智能化和自动化。
在申请公布号为CN106950229A的中国发明专利文献中公开了基于一种近场效应的拉索内部钢结构锈蚀损伤成像装置，包括射频微波扫描器、扫描检测控制器和微波功率成像计算机；
所述射频微波扫描器具有整体呈竖向筒状、上端封闭且下端为锥尖形的波导壳体，所述波导壳体的下端锥尖末端设有狭缝开口；所述波导壳体外位于狭缝开口旁侧位置处设置有射频微波发射天线，且其射频微波发射方向朝向波导壳体下端锥尖的狭缝开口下方临近位置处；所述波导壳体内位于狭缝开口上方位置处固定设置有微波功率计；
所述扫描检测控制器包括滑动轨道，安装在所述滑动轨道上且能够沿滑动轨道滑动的扫描移动头，能够驱动所述扫描移动头沿滑动轨道往返滑动的扫描移动驱动器，以及扫描位置控制模块、射频微波控制模块和信号放大器，且扫描位置控制模块的扫描位置信号输出端分别与扫描移动驱动器的扫描位置驱动控制端以及微波功率成像计算机的成像位置信号采集端电连接；所述射频微波扫描器通过其波导壳体固定安装在扫描移动头上，且其波导壳体的筒状轴线方向与扫描移动头在滑动轨道上的滑动方向相垂直，射频微波扫描器上射频微波发射天线的控制端与射频微波控制模块的发射控制信号输出端电连接，射频微波扫描器上微波功率计的功率信号输出端通过信号放大器与微波功率成像计算机的射频微波功率采集端电连接。
上述基于近场效应的拉索内部钢结构锈蚀损伤成像装置中，具体而言，所述微波功率成像计算机内预设有微波功率成像函数关系模型，所述微波功率成像函数关系模型用以指示接收到的射频微波功率与射频微波近场波传播距离值之间的对应关系，从而能够根据射频微波扫描器在对拉索不同位置处进行扫描时所反馈的微波功率值，通过微波功率成像函数关系模型换算得到相应扫描位置处的射频微波近场波传播距离值，绘制出拉索内部钢结构表面不同位置处的距离像，进而实现拉索内部钢结构表面的图像成像，用以表征拉索内部钢结构表面的锈蚀损伤情况。
该近场效应的拉索内部钢结构锈蚀损伤成像装置运行时，由于发动机带动泵轮高速旋转，由泵轮的内侧流向外缘形成了高压高速水流冲击涡轮，从而极易产生多级泵汽蚀现象，导致泵体被击穿，影响多级泵的使用寿命。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，扩大波导微波成像检测的应用范围，解决多层材料缺陷的精确测量问题；并采用矩阵分解来处理检测数据，最大限度的降低计算量；同时可以实现对缺陷的分离和量化，改善和增强材料及其构件的服役期性能，实现重大设备的实时安全监测，提高设备运行安全性。
本发明的另一个目的在于提供基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统的检测方法。
本发明的技术方案如下：
方案一
基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，包括计算机、显示单元、XYZ位移机构、定向信号分束电路、信号分析单元、微波信号源和波导；
所述计算机通过串口连接控制XYZ位移机构移动波导，执行数据采集和处理；
所述显示单元显示最终检测结果图像；
所述XYZ位移机构对矩形波导或被测物进行移动，实现控制矩形波导与被测物之间的检测距离并采集检测数据；
所述定向信号分束电路将部分传输信号与反射信号进行分离定向；
所述波导为矩形开口波导，实现微波信号发射和采集功能；
所述信号分析单元为矢量网络分析仪，实现微波信号幅值和相位的测量；
所述微波信号源通过信号分束电路对波导传输微波信号；
所述波导与所述信号分析单元通过同轴电缆相连接；
所述计算机与所述信号分析单元通过通用接口总线(GBIP)相连接。
其中，所述矩形波导采用单波导形式或双波导形式。
其中，所述矩形波导还包括检测单元，单波导与检测单元配合采集信号，单波导发射微波信号，检测单元采集微波信号。
其中，双波导采用反射式或穿透式。
其中，所述计算机的控制程序的软件环境为Matlab。
其中，所述波导采用WR-90波导。
方案二
基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，采用方案一所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，该检测方法包括以下步骤：
S1：将所述XYZ位移机构设置于被测物上，使得扫描过程中，矩形波导开口始终正对被测物，且矩形波导开口位置处与被测物的间隔距离能够始终满足射频微波的检测距离要求，同时不破坏被检物表面；
S2：通过计算机控制微波信号源使矩形波导发射低功率射频微波，同时控制XYZ位移机构对被测物的不同位置进行检测，且XYZ位移机构将扫描位置信息反馈发送至计算机；计算机根据被测物体外部的散射场检测到的散射数据重建物体内部图像；
S3：XYZ位移机构结合矩形波导，获取受测物体整个检测面的散射回波信号反馈发送至信号分析单元；信号分析单元通过通用接口总线(GBIP)将检测数据发送至计算机；计算机执行数据处理并重构整个物体内部图像，从中挖掘并提取缺陷信息，同时通过对分布图像的处理来实现多层材料缺陷的分离和量化；
S4：利用微波成像的技术特点，利用矩形波导扫频微波成像技术结合矩阵分解技术，采用主成分分析(PCA)和非负矩阵分解(NMF)，对整个波导工作频率波段进行了处理得到空间模式特征用于微波图中异常部位的定位。
在步骤S2中，XYZ位移机构的行进路径在x方向上，空间位置依次为1,…,Nx；在y方向，空间位置依次为1,…,Ny；在每个检测位置，矩形波导获得一个频率成分的特征值。
在步骤S2中，每个空间位置获得多个频率成分的特征值，矩形波导扫频微波成像技术的检测数据Y是图像序列是一个三维张量，第一维和第二维是对应空间位置的空间坐标，第三维是多个频率成分的特征值；当进行缺陷可视化检测时，计算机通过选取频率来选定二维矩阵Y(f)，从而得到检测结果图像。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出了一种基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像技术对被检材料缺陷状态进行评估和监测方法，其原理是通过矩形波导将低功率微波照射到被测物体，然后通过扫频微波技术用不同频率的微波来检测被测物体，根据被测物体外部的散射场得到的散射数据来重建物体内部图像。与超声、X射线等传统的检测技术不同,微波检测不是依据材料的密度而是电磁特性，因而穿透能力强；同时通过运用整个微波频段，各种材料的电磁变化比其他物理性质对受检物体的物理特性变化更为敏感。
此外，本发明运用XYZ位移机构结合矩形开口波导，获取受测物体的散射回波信号来重构整个物体内部图像，从中挖掘并提取缺陷信息，通过对分布图像的处理来实现多层材料缺陷的分离和量化，以及实现不同深度缺陷的物理电磁特性变化与结构损伤之间的映射关系。并进一步结合矩阵分解方法来减少微波特征处理和成像时间，实现不同深度下的缺陷分离和尺寸量化。
针对和利用微波成像的技术特点，利用矩形波导扫频微波成像技术结合矩阵分解技术，如主成分分析(PCA)和非负矩阵分解(NMF)，对整个波导工作频率波段进行了处理得到空间模式特征用于微波图中异常部位的定位，从而提高了微波检测的空间分辨率，并得到量化的缺陷尺寸和深度信息，成功解决了人为选择频率和特征值的问题。
将扩大波导微波成像检测的应用范围，解决多层材料缺陷的精确测量问题；并采用矩阵分解来处理检测数据，最大限度的降低计算量；同时可以实现对缺陷的分离和量化，改善和增强材料及其构件的服役期性能，实现重大设备的实时安全监测，提高设备运行安全性。
附图说明
图1是本发明的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统的结构示意图。
图2是本发明的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统的检测路径图。
图3是本发明的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统的图像序列的张量形式Y,某个频率fth的二维矩阵Y(f),以及二维矩阵Y的矢量化vec(Y(f))T。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
如图1所示，一种基于矩阵分解的波导扫频微波(Waveguide based sweepfrequency microwave，WSFM)成像系统，包括计算机、显示单元、XYZ位移机构、定向信号分束电路、信号分析单元、微波信号源和波导等。波导包含矩形波导和检测单元，是波导微波检测系统中重要的组成部分。矩形波导可以配置为单波导形式，也可以配置为双波导形式。单波导可采用检测器获取信号，也可以采用同一个波导实现发射和采集功能。双波导可以配置为反射式，也可以配置为穿透式。
一个典型的反射式波导微波检测系统如图1所示。各部分功能如下：
(1)计算机通过串口连接控制XYZ位移机构移动波导，执行数据采集和处理；
(2)显示单元显示最终检测结果图像；
(3)XYZ位移机构对矩形波导或被测物进行移动，同时不破坏被检物表面，实现控制矩形波导与被测物之间的检测距离并采集检测数据；XYZ位移机构是实现波导微波成像(Waveguide based microwave imaging)技术必不可少的设备。
(4)定向信号分束电路将部分传输信号与反射信号进行分离定向；
(5)波导为矩形开口波导，实现微波信号发射和采集功能；
(6)信号分析单元为矢量网络分析仪，实现微波信号幅值和相位的测量；
(7)微波信号源通过信号分束电路对波导传输微波信号；
(8)波导与信号分析单元通过同轴电缆相连接；
(9)计算机与信号分析单元通过通用接口总线(GBIP)相连接。
本发明的扫频波导微波成像技术的检测路径示意图如图2所示。其工作原理是：波导通同轴电缆与矢量网络分析仪相连接。矢量网络分析仪用于提供扫频微波信号并获得反射信号的频率谱。计算机通过通用接口总线(GPIB)与矢量网络分析仪相连接，用于控制和获取检测数据。计算机同时通过串口连接控制XYZ位移机构来移动波导。计算机的控制程序的软件环境为Matlab。波导可采用WR-90波导以及其它波导。
与常规的波导微波检测技术不同的是，它具有“成像”和“扫频”两个特征。首先，它的激励信号是扫频信号，含有多个频率的微波成分；其次，它需要XYZ位移机构来辅助矩形波导获取被检对象的多个空间位置的检测信号。
首先分析“成像”特征。矩形波导对被检对象的检测路径如图2所示。在x方向上，空间位置依次为1,…,Nx，在y方向，空间位置依次为1,…,Ny。在每个检测位置，矩形波导获得一个频率成分的特征值。因此，一次扫描完可获得一个二维矩阵。利用这个二维矩阵可以构成C扫描成像。
其次分析“扫频”特征。激励信号为扫频信号，因此，可以在每个空间位置获得多个频率成分的特征值。由上述分析可知，波导微波扫描成像技术的检测数据Y是图像序列，其本质是一个三维矩阵。如图3所示，空间坐标是第一维和第二维，多个频率成分的特征值是第三维，某个频率检测信号的特征值(如幅值、相位等)是该频率成分上空间坐标的值Y(f)Nx,Ny。当进行缺陷可视化检测时，计算机通过选取频率来选定二维矩阵Y(f)，从而得到检测结果图像。波导微波扫频成像技术可同时获得多个频率的检测图像，具有频率成分多，信息量大等优势。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：包括计算机、显示单元、XYZ位移机构、定向信号分束电路、信号分析单元、微波信号源和波导；
所述计算机通过串口连接控制XYZ位移机构移动波导，执行数据采集和处理；
所述显示单元显示最终检测结果图像；
所述XYZ位移机构对矩形波导或被测物进行移动，实现控制矩形波导与被测物之间的检测距离并采集检测数据；
所述定向信号分束电路将部分传输信号与反射信号进行分离定向；
所述波导为矩形开口波导，实现微波信号发射和采集功能；
所述信号分析单元为矢量网络分析仪，实现微波信号幅值和相位的测量；
所述微波信号源通过信号分束电路对波导传输微波信号；
所述波导与所述信号分析单元通过同轴电缆相连接；
所述计算机与所述信号分析单元通过通用接口总线(GBIP)相连接。
2.如权利要求1所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：所述矩形波导采用单波导形式或双波导形式。
3.如权利要求2所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：所述矩形波导还包括检测单元，单波导与检测单元配合采集信号，单波导发射微波信号，检测单元采集微波信号。
4.如权利要求2所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：双波导采用反射式或穿透式。
5.如权利要求1所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：所述计算机的控制程序的软件环境为Matlab。
6.如权利要求1所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：所述波导采用WR-90矩形开口波导。
7.一种基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，该检测方法包括以下步骤：
S1：将所述XYZ位移机构设置于被测物上，使得扫描过程中，矩形波导开口始终正对被测物，且矩形波导开口位置处与被测物的间隔距离能够始终满足射频微波的检测距离要求，同时不破坏被检物表面；
S2：通过计算机控制微波信号源使矩形波导发射低功率射频微波，同时控制XYZ位移机构对被测物的不同位置进行检测，且XYZ位移机构将扫描位置信息反馈发送至计算机；计算机根据被测物体外部的散射场检测到的散射数据重建物体内部图像；
S3：XYZ位移机构结合矩形波导，获取受测物体整个检测面的散射回波信号反馈发送至信号分析单元；信号分析单元通过通用接口总线(GBIP)将检测数据发送至计算机；计算机执行数据处理并重构整个物体内部图像，从中挖掘并提取缺陷信息，同时通过对分布图像的处理来实现多层材料缺陷的分离和量化；
S4：利用微波成像的技术特点，利用矩形波导扫频微波成像技术结合矩阵分解技术，采用主成分分析(PCA)和非负矩阵分解(NMF)，对整个波导工作频率波段进行了处理得到空间模式特征用于微波图中异常部位的定位。
8.如权利要求7所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：在步骤S2中，XYZ位移机构的行进路径在x方向上，空间位置依次为1,…,Nx；在y方向，空间位置依次为1,…,Ny；在每个检测位置，矩形波导获得一个频率成分的特征值。
9.如权利要求7所述的基于矩阵分解的矩形波导扫频微波成像系统，其特征在于：在步骤S2中，每个空间位置获得多个频率成分的特征值，矩形波导扫频微波成像技术的检测数据Y是图像序列是一个三维张量，第一维和第二维是对应空间位置的空间坐标，第三维是多个频率成分的特征值；当进行缺陷可视化检测时，计算机通过选取频率来选定二维矩阵Y(f)，来得到检测结果图像。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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