CN108827899B - 红外与微波复合探测成像平台及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了红外与微波复合探测成像平台及其成像方法，包括产生微波的微波发生器，将发射出的微波形成定向辐射的微波约束装置，产生红外光的红外发生器，将发射出的红外光形成定向辐射的红外约束装置。用于支撑样品并且能够被红外光或者微波透射的样品平台，将微波能量转化为可以测量的微波接收器和将红外能量转化为可以测量的红外接收器和根据可测量信号完成建模算法并且生成图像的数据处理装置；所述的微波发生器，微波约束装置，样品平台和微波接收装置顺序连接，所述的红外光发生器，红外约束装置，样品平台和红外接收装置连接。同时，本发明还提供了微波与红外的成像装置。本发明所产生的图像成像清晰，分辨率高，成像速度快。
Description
技术领域
本发明属于红外与微波探测应用技术领域，具体涉及一种微波与红外探测成像平台及方法。
背景技术
在光谱检测领域，传统的光谱仪器体积比较笨重，只能在固定场所使用，并且较多用于工业生产和实验数据的检测，不能满足人们在日常生活生产过程的检测，并且多数的检测平台检测功能单一，仅能够检测产品的某一项性能指标。不能够准确的反映产品的品质，在仪器的检测效率方面，现有大多数检测平台的检测机制迟缓。
发明内容
针对以上问题，本发明通过搭建一套红外与微波复合探测成像平台的装置，并将其进行小型化和产品化。可以为食品监督企业提供一套精度较高的含水率检测和是否存在掺杂介质的食品进行在线实时测量的装置和手段。通过增加传感器，可进一步拓展应用范围，提高食品品质检测精度的准确性和可靠性，有效提高我国农产品检测质量和效率，确保农产品的安全和品质，提高我国农产品在国际上的竞争力，有利于我国的农产品进入国际市场。
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种结构简单、合理快速高效且成像分辨率高的红外与微波成像的装置。同时，还提供了一种红外与微波成像的方法。
本发明的目的通过采用如下技术方案：一种红外与微波复合探测成像平台，包括产生微波的微波发生器，将发射出的微波形成定向辐射的微波约束装置，产生红外光的红外发生器，将发射出的红外光形成定向辐射的红外约束装置。用于支撑样品并且能够被红外光或者微波透射的样品平台，将微波能量转化为可以测量的微波接收器和将红外能量转化为可以测量的红外接收器和根据可测量信号完成建模算法并且生成图像的数据处理装置；所述的微波发生器，微波约束装置，样品平台和微波接收装置顺序连接，所述的红外光发生器，红外约束装置，样品平台和红外接收装置依次连接。该平台用于测量食品的介电常数以及水分。
优选的，所述的微波发生器主要由微波产生源，馈电口，发射天线构成，微波产生源由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD4350，产生的微波中心频率为800M～1.2GHz，馈电口采用的是SMA接口，发射天线采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线。
优选的，所述的微波约束装置包括由方形单面覆铜板和由铜制成的并且两端连通的空心圆柱体构成；所述的方形单面覆铜板未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起。所述的空心圆柱体一端与覆铜板密封连接，另一端开口。
优选的，所述的红外发生器主要由红外产生源，馈电口，红外发射电路构成，红外产生源由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD9850，所产生的波长为780～3000nm，馈电口采用的是SMA接口，红外发射电路由红外发射头和红外信号处理电路构成。
优选的，所述的红外约束装置包括由方形单面覆铜板和由铜皮制成的并且两端连通的空心圆柱体构成；所述的方形单面覆铜板未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起。所述的空心圆柱体一端与覆铜板密封连接，空心圆柱体另一端开口。
优选的，所述的样品平台包括二维扫描电机，支撑台和载物台构成；所述的载物台通过铆钉固定在支撑台上面，支撑台安装于二维扫描电机的滑动块上面，以上滑动块，支撑台，载物台顺序连接；所述的滑动块，支撑台，载物台由不吸收微波和红外且可被微波和红外透射的材料制成；所述的滑动块，支撑台，载物台采用白色树脂3D打印而成，其树脂外观好，表面光滑，强度高，微波或者红外可穿透。
优选的，所述的微波接收器主要由馈电口，接收天线构成，接收天线采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线，馈电口采用的是SMA接口，所述的接收天线与数据处理软件连接。
优选的，所述的红外接收器主要由馈电口，红外接收电路构成，馈电口采用的是SMA接口，红外接收电路由红外接收头和红外信号处理电路构成。
优选的，所述的图像处理装置包括，滤波电路、放大电路、串口通讯电路、图像处理软件、存储器和显示器；所述滤波电路、放大电路、串口通讯电路、存储器和显示器均与图像处理软件依次连接。所述的图像处理软件为labview。
优选的，所述的图像处理软件为Labview。Labview为较为常用的图像处理软件，采用图像G语言进行编程，界面简单，显示较为直观。上述只为本发明的一个优选方案，所述的图像处理软件也可使用halcon、opencv或者MATLAB图像处理软件。
所述的红外或微波成像方法，包括以下步骤，以下提供微波成像方法，由于红外成像与此方法类似，下文不做过多赘述：
(1)、单片机控制发生信号的芯片产生微波，微波发生器发出的微波通过空心圆柱体的微波约束装置后形成直径小于样品尺寸的定向微波束，此定向微波束向置于载物台的样品进行照射。
(2)、启动二维扫描电机，二维扫描电机通过支撑台带动载物台上面的样品进行移动，从而使微波对载物台上的样品进行多点照射。
(3)、在定向微波束对载物台上面的样品进行照射时，微波接收器将接收透射过载物台和样品的微波，之后微波接收器将接收到的微波以数据的形式传给数据处理装置。
(4)、数据处理装置将对微波接收器传输过来的数据进行放大，滤波，逻辑运算，归一化和图像重构处理，并将重构后的显示并将数据存储于Excel表格。
本发明的工作原理：以微波检测为例，产生微波的微波发生器，将发射出的微波形成定向辐射的微波约束装置，该定向辐射的微波束透过样品和载物后，透射后的剩下的微波被微波接收器接收，并将这些微波能量转化为可测量的信号(如声光电)，该可被测量的信号被数据处理装置接收后，将数据进行放大，滤波，逻辑运算，归一化和图像重构处理，并将重构后的显示并将数据存储于Excel表格。从而完成微波成像和存储。
与现有的技术相比，本发明具有以下特点：
(1)、本发明将发射出的微波形成定向辐射的微波束，辐射强度较高，方向性极强，提高了成像的精度和灵敏度，使得成像质量较高。
(2)、融合红外与微波两种方法同时检测，实现定量与定性，采取图像直观显示，使其检测结果更加直观，检测效率得到了提高。
(3)、本发明探测装置体积较小，装置构造简单，便携性好，实时处理能力，实用性较强，造价低，能源消耗少。
(4)、平台的实用性广，灵活度高，不仅仅局限于红外与微波检测，稍加改进，也可搭载其它方式的检测技术。微波探测模块用于测量食品的介电常数，红外探测模块用于测量食品的水分，其中，红外探测模块采用近红外波。
附图说明
图1是实施例1的微波与红外探测成像平台结构示意图。
图2是实施例1的微波成像工作流程图，
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示的微波与红外探测成像平台，包括产生微波的微波发生器1，将发射出的微波形成定向辐射的微波约束装置2，产生红外光的红外发生器6，将发射出的红外光形成定向辐射的红外约束装置7。用于支撑样品并且能够被红外光或者微波透射的样品平台3，将微波能量转化为可以测量的微波接收器4和将红外能量转化为可以测量的红外接收器8和根据可测量信号完成建模算法并且生成图像的数据处理装置5；所述的微波发生器1，微波约束装置2，样品平台3、微波接收装置4和生成图像的数据处理装置5顺序连接，所述的红外光发生器6，红外约束装置7，样品平台3和红外接收装置8生成图像的数据处理装置5依次连接。
本实施例中，微波发生器1发射的频率为800M～1.2GHz，而微波约束装置2主要由半径为4mm，高度为5mm，厚度为1mm的空心圆柱体21和长、宽为16mm，厚度为1mm的单面覆铜板22构成。红外发生器6产生的波长为780～3000nm，红外约束装置2主要由半径为4mm，高度为5mm，厚度为1mm的空心圆柱体71和长、宽为16mm，厚度为1mm的单面覆铜板72构成。
优选的，所述的微波发生器1主要由微波产生源，馈电口10，发射天线12构成，微波产生源1由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD4350，产生的微波中心频率为800M～1.2GHz，馈电口10采用的是SMA接口，发射天线12采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线。
优选的，所述的微波约束装置2包括由方形单面覆铜板22和由铜制成的并且两端连通的空心圆柱体21构成；所述的方形单面覆铜板22未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起。所述的空心圆柱体21一端与覆铜板密封连接，另一端开口。
优选的，所述的红外发生器6主要由红外产生源，馈电口9，红外发射电路11构成，红外产生源6由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD9850，所产生的波长为780～3000nm，馈电口9采用的是SMA接口，红外发射电路11由红外发射头和红外信号处理电路构成。
优选的，所述的红外约束装置7包括由方形单面覆铜板72和由铜皮制成的并且两端连通的空心圆柱体71构成；所述的方形单面覆铜板72未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起。所述的空心圆柱体71一端与覆铜板密封连接，空心圆柱体另一端开口。
优选的，所述的样品平台包括二维扫描电机31，支撑台32和载物台33构成；所述的载物台33通过铆钉固定在支撑台32上面，支撑台安装于二维扫描电机的滑动块上面，以上滑动块，支撑台32，载物台33顺序连接；所述的滑动块，支撑台32，载物台33由不吸收微波和红外且可被微波和红外透射的材料制成；所述的滑动块，支撑台32，载物台33采用白色树脂3D打印而成，其树脂外观好，表面光滑，强度高，微波或者红外可穿透。
优选的，所述的微波接收器主要由馈电口10，接收天线12构成，接收天线12采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线，馈电口10采用的是SMA接口，所述的接收天线12与数据处理软件连接5。
优选的，所述的红外接收器主要由馈电口9，红外接收电路11构成，馈电口9采用的是SMA接口，红外接收电路11由红外接收头和红外信号处理电路构成。
优选的，所述的图像处理装置包括，滤波电路、放大电路、串口通讯电路、图像处理软件、存储器和显示器；所述滤波电路、放大电路、串口通讯电路、存储器和显示器均与图像处理软件5依次连接。所述的图像处理软件为labview。
优选的，所述的图像处理软件为Labview。Labview为较为常用的图像处理软件，采用图像G语言进行编程，界面简单，显示较为直观。上述只为本发明的一个优选方案，所述的图像处理软件也可使用halcon、opencv或者MATLAB图像处理软件。
如图2所示，所述的红外或微波成像方法，包括以下步骤，以下提供微波成像方法，由于红外成像与此方法类似，下文不做过多赘述：
(1)、单片机控制发生信号的芯片产生微波，微波发生器1发出的微波通过空心圆柱体21的微波约束装置后形成直径小于样品尺寸的定向微波束，此定向微波束向置于载物台33的样品进行照射。
(2)、启动二维扫描电机31，二维扫描电机31通过支撑台32带动载物台32上面的样品进行移动，从而使微波对载物台32上的样品进行多点照射。
(3)、在定向微波束对载物台32上面的样品进行照射时，微波接收器4将接收透射过载物台33和样品的微波，之后微波接收器4将接收到的微波以数据的形式传给数据处理装置5。
(4)、数据处理装置5将对微波接收器4传输过来的数据进行放大，滤波，逻辑运算，归一化和图像重构处理，并将重构后的显示并将数据存储于Excel表格。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种红外与微波复合探测成像平台，其特征在于，包括产生微波的微波发生器，将发射出的微波形成定向辐射的微波约束装置，产生红外光的红外发生器，将发射出的红外光形成定向辐射的红外约束装置，用于支撑样品并且能够被红外光或者微波透射的样品平台，将微波能量转化为可以测量的微波接收器和将红外能量转化为可以测量的红外接收器，以及根据可测量信号完成建模算法并且生成图像的数据处理装置；所述的微波发生器，微波约束装置，样品平台、微波接收器和生成图像的数据处理装置顺序连接，所述的红外发生器、红外约束装置、样品平台和红外接收器生成图像的数据处理装置依次连接；该平台用于测量食品的介电常数以及水分；
所述的微波发生器主要由微波产生源、馈电口、发射天线构成，微波产生源由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD4350，产生的微波中心频率为800M~1.2GHz，馈电口采用的是SMA接口，发射天线采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线；
所述的微波约束装置包括由方形单面覆铜板和由铜制成的并且两端连通的空心圆柱体构成；所述的方形单面覆铜板未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起，所述的空心圆柱体一端与覆铜板密封连接，另一端开口；
所述的红外发生器主要由红外产生源、馈电口、红外发射电路构成，红外产生源由单片机控制发生信号的芯片产生，所采用的信号产生芯片为AD9850，所产生的波长为780~3000nm，馈电口采用的是SMA接口，红外发射电路由红外发射头和红外信号处理电路构成；
所述的红外约束装置包括由方形单面覆铜板和由铜皮制成的并且两端连通的空心圆柱体构成；所述的方形单面覆铜板未覆铜一面插入SMA接口，SMA接口地引脚通过覆铜板另一面覆铜面连接在一起；所述的空心圆柱体一端与覆铜板密封连接，空心圆柱体另一端开口；
所述的样品平台包括二维扫描电机、支撑台和载物台；所述的载物台通过铆钉固定在支撑台上面，支撑台安装于二维扫描电机的滑动块上面，以上滑动块、支撑台、载物台顺序连接。
2.根据权利要求1所述的一种红外与微波复合探测成像平台，其特征在于，所述的微波接收器主要由馈电口、接收天线构成，接收天线采取内置弹簧天线2.5DBI全铜加粗螺旋天线，馈电口采用的是SMA接口，所述的接收天线与数据处理软件连接。
3.根据权利要求1所述的一种红外与微波复合探测成像平台，其特征在于，所述的红外接收器主要由馈电口，红外接收电路构成，馈电口采用的是SMA接口，红外接收电路由红外接收头和红外信号处理电路构成。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的红外与微波复合探测成像平台的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）、单片机控制发生信号的芯片产生微波，微波发生器发出的微波通过空心圆柱体的微波约束装置后形成直径小于样品尺寸的定向微波束，此定向微波束向置于载物台的样品进行照射；
步骤2）、启动二维扫描电机，二维扫描电机通过支撑台带动载物台上面的样品进行移动，从而使微波对载物台上的样品进行多点照射；
步骤3）、在定向微波束对载物台上面的样品进行照射时，微波接收器将接收透射过载物台和样品的微波，之后微波接收器将接收到的微波以数据的形式传给数据处理装置；
步骤4）、数据处理装置将对微波接收器传输过来的数据进行放大，滤波，逻辑运算，归一化和图像重构处理，并将重构后的显示并将数据存储于Excel表格，从而完成微波成像和存储；
步骤5）、红外成像的过程和步骤1）-4）相同。
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