CN109975802B - 基于毫米波的反射变换成像系统及缺陷检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于毫米波的反射变换成像系统及缺陷检测方法。内环和外环同一水平面同中心安装，弧形支架竖直固定在内环，弧形支架固定设有多个毫米波发射天线，内环带动弧形支架转动；毫米波接收天线阵列固定在内环的正上方。发射天线的发射信号经内环中心的待测物体反射后由接收天线接收并处理得到多张毫米波图像。根据所有图像中同一位置像素点的毫米波强度值建立拟合函数获得最大值对应的投影坐标，将投影坐标的两个坐标值分别转化为灰度值得到两张灰度图像；根据灰度差值阈值对两张图像进行判断，从而得到能够反映物体表面和内部的缺陷分布的成像结果。本发明的装置成本低，成像方法具有计算速度快，自动化程度，精度高的优点。

Description

基于毫米波的反射变换成像系统及缺陷检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于毫米波的反射变换成像系统及物体表面和内部结构缺陷特征分布成像的方法。

背景技术

在医学诊断，产品质量监测等需要探测人体或物体表面和内部细节特征的领域，被广泛使用的技术为X射线，但它存在一些较为严重的问题，例如成本较高，X射线本身具有的能量对人体伤害较大。其他的探测装置也存在对细微裂痕不敏感的问题。

对于物体表面和内部反射角度特征的提取方法，过去常用的BTF算法需要大量的样本图像，模型维度也比较大，需要对4个维度进行点采样，算法复杂度较高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种毫米波反射变换成像的系统及对物体表面和内部结构缺陷特征分布成像的方法。该系统通过接收天线矩阵对物体在不同角度毫米波辐射源下的电磁反射波进行探测，从而得到物体每个位置对不同角度入射毫米波反射的幅度信息，通过计算将物体表面及其内部的裂痕缺陷清楚地反映出来。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一、基于毫米波的反射变换成像系统

系统包括毫米波收发装置和信号处理模块，毫米波收发装置包括毫米波接收天线阵列、毫米波透镜、弧形支架、毫米波发射天线和环形底座，环形底座包括安装在同一水平面的内环和外环，外环固定不动，内环同中心安装在外环的内圈；弧形支架竖直固定在内环的上表面，弧形支架对应的圆心与内环的中心重合，弧形支架的内表面沿周向依次等间隔固定设有多个毫米波发射天线，内环带动弧形支架绕内环的中心转动；毫米波接收天线阵列固定在内环中心的正上方，毫米波接收天线阵列的下端固定连接毫米波透镜，弧形支架的上端低于毫米波透镜并且弧形支架的设置不影响毫米波接收天线阵列接收信号。

待测物体放置在内环的中心，每个毫米波发射天线分别作为一个信号源依次向内环的中心区域发射毫米波信号，毫米波信号经待测物体反射形成反射信号后再入射到毫米波透镜，毫米波接收天线阵列接收经毫米波透镜汇聚后的反射信号，毫米波接收天线阵列将反射信号输入信号处理模块得到毫米波图像。

信号处理模块包括低功率放大器、下变频滤波器、中频滤波器和AD转换单元，毫米波接收天线阵列与低功率放大器连接，每个毫米波发射天线分别作为一个信号源发射毫米波，毫米波接收天线阵列接收从待测物体反射产生的反射信号，毫米波接收天线阵列将接收的反射波发送至信号处理模块进行处理，反射信号依次经低功率放大器、下变频和中频滤波器放大滤波输入到AD采样单元进行电磁成像处理得到毫米波图像。

优选的，毫米波接收天线阵列通过L形支架固定在内环中心的正上方，L形支架的一端与毫米波接收天线阵列连接，L形支架的另一端固定在环形底座的外侧，并且L形支架不影响内环及弧形支架的转动。

优选的，毫米波发射天线采用喇叭天线。

优选的，外环沿周向刻有角度值，内环的表面刻有用于指示角度值的指针。

二、基于毫米波反射变换成像系统的缺陷检测方法，包括以下步骤：

步骤1：以内环的中心点为原点建立三维空间坐标系(u,v,w)，内环带动k个信号源转动m次得到k×m个信号源位置，一个信号源位置对应采集得到一张毫米波图像，k×m个信号源位一共采集k×m张毫米波图像；

步骤2：每张毫米波图像中的每个像素点均具有一个反射毫米波强度值，将所有毫米波图像中同一位置的像素点的反射毫米波强度值作为对应像素点的拟合数据集，根据拟合数据集建立每个像素点的反射毫米波强度值随信号源位置变化的拟合函数；

步骤3：利用最小二乘法和奇异值分解方法求解得到拟合函数的待定系数，从而得到每个像素点的拟合函数，每个像素点n根据各自的拟合函数获得反射毫米波强度最大值对应在uv平面的投影坐标(u_{n_max},v_{n_max})；

步骤4：将每个像素点的投影坐标的u轴坐标值u_{n_max}利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第一灰度值，根据所有像素点转化后的第一灰度值得到第一灰度图像；将每个像素点的投影坐标的v轴坐标值v_{n_max}利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第二灰度值，根据所有像素点转化后的第二灰度值得到第二灰度图像；

步骤5：设置灰度阈值，根据灰度差值阈值对第一灰度值图像和第二灰度图像的所有像素点进行判断并输出判断结果，从而得到能够反映待测物体表面和内部缺陷分布的二维成像结果。

所述步骤1中的三维空间坐标系是以内环所在的平面为uv平面，垂直于uv平面向上的方向作为w轴的正方向，k×m个信号源位置在三维空间坐标系的坐标分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)...(u_k×m,v_k×m,w_k×m)。

所述步骤2中，每个像素点的拟合函数计算方法相同，表示为：

f_n(u,v)＝a₀+b₀u+b₁v+c₀u²+c₁v²+c₂uv

式中，f_n(u,v)表示第n个像素点的拟合函数，a₀、b₀、b₁、c₀、c₁、c₂分别表示第n个像素点拟合函数的待定系数，u表示u轴坐标值，v表示v轴坐标值。

步骤5所述的对像素点进行判断具体是：判断每个像素点与其相邻的像素点的灰度值的差值，若差值大于灰度阈值，判断该像素点为缺陷像素点，按上述方法对所有像素点进行判断并输出所有的缺陷像素点，从而得到判断结果。

本系统通过接收天线矩阵对物体在不同角度毫米波辐射源下的电磁反射波进行探测，从而得到物体每个位置对不同角度入射毫米波反射的幅值(强度)信息，再通过本发明的方法将电磁成像信号的图像进行处理和信息提取，将物体表面的起伏特征及其内部的缺陷清晰地反映出来，获得反映物体表面和内部缺陷特征的图像。

本发明具有的有益效果是：

1)相比传统的X射线方法，该发明巧妙利用毫米波的特点提供了一种基于毫米波的反射变换成像系统，大幅降低电磁成像的成本，对人体危害小。

2)对于物体表面和内部结构缺陷特征分布成像，现有的BTF算法需要大量的样本图像，模型维度也比较大，需要对四个维度进行点采样，算法复杂度较高。该发明大大降低了样本数量，且维度只需要二维，具有计算速度快，自动化程度，精度高的优点。

3)本发明装置能够高灵敏度进行物体缺陷探测，可用于产品质量监测，医学检测和建筑物内部缺陷检测等领域，适用范围广，用途广泛。

附图说明

图1是电磁成像装置的结构示意图；

图2是电磁成像装置的截面图；

图3是本系统的工作流程示意图；

图4是毫米波收发装置与信号处理模块的连接示意图；

图5是三维空间坐标系的示意图；

图中，1.毫米波接收天线阵列，2.一个毫米波透镜，3.弧形支架，4.毫米波发射天线，7.L形支架，5.内环，6.外环，8.待测物体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，毫米波收发装置包括毫米波接收天线阵列1、毫米波透镜2、弧形支架3、毫米波发射天线4和环形底座，环形底座包括安装在同一水平面的内环5和外环6，外环6固定不动，内环5同中心安装在外环6的内圈。外环6沿周向刻有角度值，内环5的表面刻有用于指示角度值的指针。

弧形支架3竖直固定在内环5的上表面，弧形支架3对应的圆心与内环5的中心重合，且弧形支架3的半径与内环5的半径相同。弧形支架3的内表面沿周向依次等间隔固定设有6个毫米波发射天线4，内环5带动弧形支架3绕内环5的中心转动；毫米波接收天线阵列1固定在内环5中心的正上方，毫米波接收天线阵列1的下端固定连接毫米波透镜2。弧形支架3的上端低于毫米波透镜2并且弧形支架3的设置不影响毫米波接收天线阵列1接收信号：具体是通过控制弧形支架3的弧形总长，使弧形支架3的上端位于毫米波接收天线阵列1的正下方区域之外。

毫米波接收天线阵列1通过L形支架7固定在内环5中心的正上方，L形支架7的一端与毫米波接收天线阵列1连接，L形支架7的另一端固定在环形底座的外侧，并且L形支架7不影响内环5及弧形支架3的转动。使用过程中，L形支架固定在地面上，不能移动。通过调整L形支架，使得毫米波接收天线阵列1位于待测物体8的正上方。

如图2所示，具体实施中，弧形支架3的半径为15.24cm，圆心角为80度，6个毫米波发射天线4等距离固定在弧形支架3上，内环5的半径为15.24cm，弧形支架3固定在内环5上并随内环5转动，内环5的中心放置待测物体8。

毫米波接收天线阵列1用于接收从待测物体表面反射的毫米波信号，而毫米波透镜2用于聚焦，以获得清晰的毫米波图像。待测物体8放置在内环5的中心，每个毫米波发射天线4分别作为一个信号源依次向内环5的中心区域发射毫米波信号，毫米波信号经待测物体8反射形成反射信号后再入射到毫米波透镜2，毫米波接收天线阵列1接收经毫米波透镜2汇聚后的反射信号，毫米波接收天线阵列1将反射信号输入信号处理模块得到毫米波图像。

如图4所示，信号处理模块包括低功率放大器、下变频滤波器、中频滤波器和AD转换单元，毫米波接收天线阵列1与低功率放大器连接，每个毫米波发射天线4分别作为一个信号源发射毫米波，毫米波接收天线阵列1接收从待测物体8反射产生的反射信号，毫米波接收天线阵列1将接收的反射波发送至信号处理模块进行处理，反射信号依次经低功率放大器、下变频和中频滤波器放大滤波输入到AD采样单元进行电磁成像处理得到毫米波图像，毫米波图像发送至计算平台，计算平台上通过成像算法得到缺陷检测的成像结果。

如图3所示，所述的毫米波发射天线4采用喇叭天线。单片机发送控制信号到毫米波发射天线4使喇叭天线发射一定频率的毫米波。单片机还分别与接收天线阵列1、内环5以及每个信号源相连，具体控制方法为：单片机控制6个信号源逐个开启，并在任意一个信号源工作时，给接收天线阵列1发送控制信号，选择接收通道，接收天线接收到的反射信号输入到信号处理模块进行AD采样，采集到的图像发送给计算平台如电脑端。重复上述操作，直到弧形支架3上的所有信号源依次工作一次。然后单片机控制金属圆环底座的内环5转动45度，再逐个开启信号源，重复之前操作，内环每次转动45度，直到转到初始位置即完成操作。

如图4所示，信号源发射的毫米波由本振产生，投射到待测物体8上发生反射，接收天线阵列1接收反射信号，经过低功率放大器，下变频和中频放大滤波以后进行AD采样，采样结果进行电磁成像，图像传送到计算平台上得到成像结果。

本发明的成像算法依据的原理具体如下：

将待测物体8划分为由无数微小平面组成，对每一个微小平面来说，只有当信号源以垂直于该平面的方向即法向方向向它发射信号时，它产生的反射才最大。利用这一原理，通过找出微平面在哪个方向上反射信号最大，从而可以确定它的表面法向，通过法向进而可以确定该微平面自身的朝向，我们将微平面自身的方向作为它的反射角度特征。在电磁成像图中，每一个像素点都对应物体表面的一个微平面，对每一个像素点的信息进行提取和处理，确定组成物体的所有微表面的反射角度特征，通过反射角度特征判断出缺陷的位置分布。

本发明的具体实施例如下：

首先，采集获得毫米波图像：调整内环5的初始位置，使得内环上的指针与外环6的零刻度重合，单片机控制6个信号源依次启动，电脑端依次接收到6个毫米波图像；接下来单片机控制内环5转动使得指针与45度刻度重合，重复上述操作；控制内环5依次完成90度，135度，180度，225度，270度，315度的操作，从而得到48张毫米波图像。48张毫米波图像中的每个像素点都存储有该点的反射毫米波强度值，并且这些图片除了信号源的位置分布不同以外，其他条件均相同，所以任取物体表面的一个微小平面，它在所有图片中所对应的像素点位置均相同。

如图5所示，将48张毫米波图像传送到计算平台上并按以下步骤得到成像结果。

步骤1：以内环的中心点为原点建立三维空间坐标系(u,v,w)，内环所在的平面为uv平面，垂直于uv平面向上的方向作为w轴的正方向。因为待测物体8的大小远远小于装置的大小，所以为简化模型，把待测物体8近似看做坐标系中一个点来处理，因此待测物体8位于坐标原点。

内环5带动弧形支架3绕原点旋转形成一个半球面，弧形支架3上的6个信号源的坐标均位于半球面上并且信号源的位置坐标是已知的。内环5带动6个信号源转动8次得到48个信号源位置，由于信号源分布在半径已知的半球面上，所以由信号源在水平面上的投影坐标(u,v)可以计算出它的纵坐标的值w，48个信号源位置在三维空间坐标系的坐标分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)...(u₄₈,v₄₈,w₄₈)，信号源在每一个位置都产生一幅待测物体的图像，信号源共有48个不同的位置分布，所以最后可以得到48张图像。

步骤2：毫米波图像中的每一个像素点均具有一个反射毫米波强度值，每张毫米波图像所包括的像素点总数相等，将所有毫米波图像中同一位置的像素点的反射毫米波强度值作为对应像素点的拟合数据集，根据拟合数据集采用曲面拟合的方法建立每个像素点的反射毫米波强度随信号源位置变化的拟合函数。

将电磁成像图中左上角第一个像素点作为一号像素点，它在坐标为(u₁,v₁,w₁)的信号源下反射的毫米波强度值为f₁₁，在坐标为(u_x,v_x,w_x)信号源下反射的电磁波幅值为f_1x,(1≤x≤48)，将f₁₁～f₁₄₈的值用一个拟合函数来表示一号像素的反射毫米波强度值随信号源位置(u,v,w)的变化，因为w可由u,v唯一确定，所以拟合函数的自变量设为u、v,一号像素点的拟合函数f₁表示为：

f₁(u,v)＝a₀+b₀u+b₁v+c₀u²+c₁v²+c₂uv，

由(u_x,v_x,f_1x)我们可以确定出该函数的待定系数a₀,b₀,b₁,c₀,c₁,c₂，从而得到一号像素点的反射毫米波强度值f₁与信号源位置的函数关系。

对每一个像素点来说，信号源的位置不同，产生的反射电磁波强度值也就不同。这些不同的强度值在三维空间会构成一个曲面，每个像素点的拟合函数计算方法相同，表示为：

f_n(u,v)＝a₀+b₀u+b₁v+c₀u²+c₁v²+c₂uv

式中，f_n(u,v)表示第n个像素点的拟合函数，a₀、b₀、b₁、c₀、c₁、c₂分别表示第n个像素点拟合函数的待定系数；

步骤3：利用最小二乘法和奇异值分解方法求解一号像素点的反射电磁波幅值f₁(u,v)取最大值时对应的信号源投影坐标(u_{1_max},v_{1_max})，假设一共有N个像素点，对于电磁成像图中的像素点n(1≤n≤N)，一定存在一个(u_{n_max},v_{n_max}),使得在该位置的信号源发射信号时这个像素点的反射电磁波幅值最大。

因此以电磁成像图像中的每个像素点为研究对象，获得每个像素点的反射强度f与信号源在uv平面的坐标(u,v)之间的函数关系，提取像素点n在反射强度f取最大值的点在uv平面的投影坐标(u_{n_max},v_{n_max})，每个像素点根据各自的拟合函数获得反射毫米波强度最大值对应的点在uv平面的投影坐标；

如图5所示，由像素点在反射强度f取最大值的点在uv平面的投影坐标可以确定该点在半球面上的位置坐标(u_{n_max},v_{n_max},w_{n_max})，该位置坐标与原点确定的射线即为像素点n对应的物体微表面的法向方向，该方向反映了物体该微表面的反射角度特征。确定物体每个微平面的反射角度特征，即确定每个微平面的法向方向。

步骤4：如果把(u_{n_max},v_{n_max})作成一个向量，这个向量是像素点n对应的物体微表面的法向向量在uv平面的投影，由于它们是一一对应的，所以我们对物体每个微表面的法向向量的比较可以降维转化为对这些法向向量在uv平面的投影(u_{n_max},v_{n_max})的比较。物体在某个位置的缺陷表现为在该位置处的微平面的法向向量与周围位置处的微平面法向向量不同，也就是说缺陷位置p处的(u_{p_max},v_{p_max})和非缺陷位置q处的(u_{q_max},v_{q_max})不相同，为了将这个差异可视化，我们将每个像素点的u_{n_max}和v_{n_max}提取出来，对于u_{n_max}，将每个像素点的u_{n_max}转化为灰度值生成一幅u_max灰度图像，同样地，我们可以得到一幅v_max灰度图像。具体是：

将每个像素点通过拟合函数获得的反射电磁波强度最大值对应的u轴坐标值利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第一灰度值，根据所有像素点转化后的第一灰度值得到第一灰度图像；将每个像素点通过拟合函数获得的反射电磁波强度最大值对应的v轴坐标值利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第二灰度值，根据所有像素点转化后的第二灰度值得到第二灰度图像；

步骤5：设置灰度阈值，根据灰度差值阈值对第一灰度值图像和第二灰度图像的像素点进行判断，具体是通过判断每个像素点与其相邻的像素点的灰度值的差值，若差值不大于灰度阈值，判断该像素点为正常像素点，若差值大于灰度阈值，判断该像素点为缺陷像素点，由此确定该像素点与周围像素点有明显差异，即为缺陷所在处，从而能够得到物体表面和内部的缺陷分布。

通过对两幅图像中每个像素点的判断，可以得到缺陷像素点在二维平面中的分布位置。在最终的检测成像结果中可以表现为明显的亮斑或暗斑，由此得到了反映物体表面和内部结构缺陷特征分布的成像结果。

Claims (3)

1.一种基于毫米波的反射变换成像系统的缺陷检测方法，其特征在于

方法采用以下反射变换成像系统，反射变换成像系统包括毫米波收发装置和信号处理模块，毫米波收发装置包括毫米波接收天线阵列(1)、毫米波透镜(2)、弧形支架(3)、毫米波发射天线(4)和环形底座，环形底座包括安装在同一水平面的内环(5)和外环(6)，外环(6)固定不动，内环(5)同中心安装在外环(6)的内圈；弧形支架(3)竖直固定在内环(5)的上表面，弧形支架(3)对应的圆心与内环(5)的中心重合，弧形支架(3)的内表面沿周向依次等间隔固定设有多个毫米波发射天线(4)，内环(5)带动弧形支架(3)绕内环(5)的中心转动；毫米波接收天线阵列(1)固定在内环(5)中心的正上方，毫米波接收天线阵列(1)的下端固定连接毫米波透镜(2)，弧形支架(3)的上端低于毫米波透镜(2)并且弧形支架(3)的设置不影响毫米波接收天线阵列(1)接收信号；待测物体(8)放置在内环(5)的中心，每个毫米波发射天线(4)分别作为一个信号源依次向内环(5)的中心区域发射毫米波信号，毫米波信号经待测物体(8)反射形成反射信号后再入射到毫米波透镜(2)，毫米波接收天线阵列(1)接收经毫米波透镜(2)汇聚后的反射信号，毫米波接收天线阵列(1)将反射信号输入到信号处理模块得到毫米波图像；

方法包括以下步骤：

步骤1：以内环的中心点为原点建立三维空间坐标系(u,v,w)，内环(5)带动k个信号源转动m次得到k×m个信号源位置，一个信号源位置对应采集得到一张毫米波图像，k×m个信号源位置一共采集k×m张毫米波图像；

所述步骤1中的三维空间坐标系是以内环(5)所在的平面为uv平面，垂直于uv平面向上的方向作为w轴的正方向，k×m个信号源位置在三维空间坐标系的坐标分别为(u₁,v₁,w₁)、(u₂,v₂,w₂)...(u_k×m,v_k×m,w_k×m)；

步骤2：每张毫米波图像中的每个像素点均具有一个反射毫米波强度值，将所有毫米波图像中同一位置的像素点的反射毫米波强度值作为对应像素点的拟合数据集，根据拟合数据集建立每个像素点的反射毫米波强度值随信号源位置变化的拟合函数；

步骤3：利用最小二乘法和奇异值分解方法求解得到拟合函数的待定系数，从而得到每个像素点的拟合函数，每个像素点n根据各自的拟合函数获得反射毫米波强度最大值对应在uv平面的投影坐标(u_{n_max},v_{n_max})；

步骤4：将每个像素点的投影坐标的u轴坐标值(u_{n_max})利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第一灰度值，根据所有像素点转化后的第一灰度值得到第一灰度图像；将每个像素点的投影坐标的v轴坐标值(v_{n_max})利用灰度映射的方法转化得到每个像素点的第二灰度值，根据所有像素点转化后的第二灰度值得到第二灰度图像；

步骤5：设置灰度差值阈值，根据灰度差值阈值对第一灰度值图像和第二灰度图像的所有像素点进行判断并输出判断结果，从而得到能够反映待测物体(8)表面和内部缺陷分布的二维成像结果。

2.根据权利要求1所述的基于毫米波的反射变换成像系统的缺陷检测方法，其特征在于：所述步骤2中，每个像素点的拟合函数计算方法相同，表示为：

f_n(u_n,v_n)＝a₀+b₀u_n+b₁v_n+c₀u_n ²+c₁v_n ²+c₂u_nv_n

式中，f_n(u_n,v_n)表示第n个像素点的拟合函数，a₀、b₀、b₁、c₀、c₁、c₂分别表示第n个像素点拟合函数的待定系数，u_n表示u轴坐标值，v_n表示v轴坐标值。

3.根据权利要求1所述的基于毫米波的反射变换成像系统的缺陷检测方法，其特征在于：步骤5所述的像素点进行判断具体是：判断每个像素点与其相邻的像素点的灰度值的差值，若差值大于灰度差值阈值，判断该像素点为缺陷像素点，按上述方法对所有像素点进行判断并输出所有的缺陷像素点，从而得到判断结果。

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