CN115979987A - 一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，本发明通过设置0校正板(8)和1校正板(9)，在使用过程中通过给调频连续太赫兹波信号提供无反射基准和全反射基准，从而实现对信号的非线性校正，同时根据测距传感器(7)实时测量的检测探头(5)与被测面的距离来调整检测探头(5)与被测面的距离，使被测样品处于检测探头(5)的检测范围内，实现最佳测试距离，以此来提高检测精度与成像质量。

Description

一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置

技术领域

本发明属于太赫兹波无损检测技术领域，具体涉及一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置。

背景技术

近年来，太赫兹成像技术的研究越来越成熟，成像方法多种多样，但其应用主要集中在安全检测、生物医学和无损检测这3个领域。太赫兹波能量低，太赫兹辐射的光子能量只有X射线(千电子伏特)的百万分之一,不会对物体尤其是生物组织产生危害。太赫兹波对非极性液体和多数介电材料都具有良好的透过性，且对大多数非金属材料具有良好的透过性，如塑料、布料、脂肪、碳板、陶瓷等物质。这使得太赫兹波可对这些物体和材料进行隐蔽物成像与无损检测，是X射线成像和超声波成像技术的有效补充。

调频连续波探测技术基于飞行时间原理，通过测量往返于探测器和目标间的时间实现对目标的纵向距离探测，将时间信号加载于回波信号和载波信号混频后所得到的中频信号的频率信号之中，可以获得极高的抗环境光干扰能力和探测能力，可以解决有人工有源信号对目标信号干扰严重的问题。同时，调频连续波技术属于非相干探测方式，避免了光学相干探测对光波稳定性、相位和波前匹配等的极高要求。太赫兹调频连续波(FMCW)技术作为太赫兹成像技术之一，在三维成像领域已经证明了它的价值。

现有调频连续太赫兹波扫描成像系统一般不具有探测信号自动校正装置，系统本身带来的非线性误差会导致探测信号不稳，成像效果较差。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，该装置能够实现对调频连续太赫兹波信号的非线性校正，并能够提高检测精度与成像质量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，用于实现调频连续波对被测样件的无损检测扫描成像，其特征在于，包括支撑台，用于对整个扫描成像装置起支撑作用；检测探头，用于产生和探测调频连续太赫兹波，并且能够沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向往复运动；准光单元，用于对检测探头产生的调频连续太赫兹波进行准直与调整；测距传感器，用于测量检测探头与被测面的距离；0校正板，所述0校正板放置于支撑台上并且被测样品放置于0校正板上，用于实现扫描过程中的0校正，从而为反射信号提供无反射信号基准；1校正板，所述1校正板放置于支撑台上，与0校正板相邻，用于实现扫描过程中的1校正，从而为反射信号提供全反射信号基准；控制模块，用于控制整个扫描成像装置的操作，根据所述无反射信号基准和全反射信号基准对探测数据进行实时非线性矫正，并根据测距传感器实时测量的检测探头与被测面的距离，调整检测探头与被测面的距离，使被测样品处于检测探头的检测范围内，尽量处于检测探头的焦平面上。

本发明的装置在使用过程中通过给调频连续太赫兹波信号提供无反射基准和全反射基准，从而实现对信号的非线性校正，同时通过实时测量并调整检测探头与被测面的距离，实现最佳测试距离，以此来提高检测精度与成像质量。

附图说明

图1是图解说明本发明的太赫兹扫描成像装置的结构的示意图；

图2是图解说明本发明的太赫兹扫描成像装置的数据采集的示意图；

图3是利用本发明的太赫兹扫描成像装置对样品进行三维成像的结果图。

图中：1-支撑台，2-X方向导轨，3-Y方向导轨，4-Z方向导轨，5-检测探头，6-准光单元，7-测距传感器，8-0校正板，9-1校正板，10-电源模块，11-主机，12-上位机软件

具体实施方式

为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提供一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，用于实现调频连续波对被测样件的无损检测扫描成像。如图1所示，所述装置包括支撑台1，用于对整个扫描成像装置起支撑作用；X方向导轨2，用于实现检测探头5在X方向上的往复运动；Y方向导轨3，用于实现检测探头5在Y方向上的往复运动；Z方向导轨4，用于实现检测探头5在Z方向上的移动；检测探头5，用于产生和探测调频连续太赫兹波；准光单元6，用于实现对检测探头5产生的调频连续太赫兹波进行准直与调整；测距传感器7，用于测量检测探头5与被测面的距离；0校正板8，用于实现扫描过程中的0校正；1校正板9，用于实现扫描过程中的1校正；电源模块10，用于产生恒流恒压电源，给检测探头5供电；主机11，对整个扫描成像装置实现控制、通讯；上位机软件12，用于实现对采集数据的处理、及显示等，主机11和上位机软件共同构成控制模块。该装置在使用过程中通过给调频连续太赫兹波信号提供无反射基准和全反射基准，从而实现对信号的非线性校正，同时通过实时测量并调整检测探头与被测面的距离，实现最佳测试距离，以此来提高检测精度与成像质量。

下面对本发明的装置进行更详细的说明。

所述支撑台1是整个扫描成像装置的支撑部件，可以将支撑台1做成柜式，从而可将各方向导轨2、3、4的控制器、电源模块10及主机11置于支撑台1内部，使得整个装置简洁美观。X方向导轨2和Y方向导轨3，用于实现检测探头5在X方向和Y方向的扫描运动，扫描时采取弓字形扫描路线，这两个方向导轨的长度决定了该装置可扫描的范围大小，可根据被测件尺寸进行选择。Y方向导轨3采用双轨设计，需要同步信号对双轨的启停和运动进行同步控制。X方向导轨2两端采用螺母固定安装于Y方向导轨双轨上。Z方向导轨4，用于调整检测探头5与被测件的垂直距离，采用螺母固定安装于X方向导轨2上。

检测探头5为调频连续太赫兹波收发一体集成式探头，工作方式为反射式。其中心频率为300GHz，调频带宽为90GHz。该检测探头5采用机械螺母固定方式安装于Z方向导轨4上，并与水平面保持垂直。检测探头5前端与0校正板8的上表面距离在48±3cm范围内。准光单元6采用两段式笼式结构，上段实现对发散的太赫兹波得准直，下段实现准直后太赫兹波的聚焦。准光单元6包括两个光学透镜，靠上的是准直透镜，靠下的是聚焦透镜。这两个透镜均选择对太赫兹波段透过效果较好的树脂材料，制作方式为3D打印成型。整个准光单元6总长度约为40cm，采用螺母方式将四根支杆固定在检测探头5的前端。两个透镜采用镜片固定架与四根支杆相连接，镜片固定架上有可以调节镜片角度的四个螺母，通过调节这些螺母可以实现对镜片对准角度的微调。经过准光单元6处理后的焦平面在距离检测探头5的前端约48cm处，检测范围为48±3cm。

测距传感器7安装在Z方向导轨4上，传感器前端与检测探头5前端保持平齐，用于测量检测探头5前端到被测物表面的距离。通过实时测量，使被测样品处于检测探头5的检测范围内，尽量处于检测探头5的焦平面上，可以获得较好的成像效果。0校正板8，放置于支撑台1上，并将被测样品放置于0校正板8上，用于扫描过程中的0校正。0校正板8采用漫反射效果较好的吸波材料，当调频连续太赫兹波打到该吸波材料表面时，几乎不会产生反射回波，此时为反射信号提供无反射信号基准。1校正板9，放置于支撑台1上，与0校正板8相邻，用于扫描过程中的1校正。1校正板9采用反射效果较好的金属平板材料，当调频连续太赫兹波打到该金属材料表面时，几乎产生全反射回波，此时为反射信号提供全反射信号基准。结合前面提到的无反射信号基准的共同作用，为探测信号的非线性偏离提供校正基准，再通过信号处理，可以消除非线性偏离带来的误差。电源模块10，用于产生12V，1.5A的恒流恒压电源，给检测探头5供电。主机11，对整个扫描成像装置实现控制、通讯；上位机软件12，用于实现对采集数据的处理、及显示等。

成像时，通过一体式太赫兹检测探头来发射与接收调频连续太赫兹波，然后通过太赫兹准光单元对太赫兹光束进行调制和整形，准光单元由定制的太赫兹特种光学透镜组成，主要由两个透镜组成笼式结构，对太赫兹波实现准直聚焦及大景深辐射，扩大太赫兹波的有效检测范围。准光单元可将太赫兹光斑在离光源约460mm处将光斑拟合半径缩小到7.61mm，并且将光斑调整为类高斯型分布，可满足成像探测的需要。自动机械控制扫描单元主要由X、Y、Z三方向导轨及其控制单元组成，通过modbus通信协议建立机械控制单元与上位机电脑的通信。一体式太赫兹检测探头与准光单元组成的太赫兹测量头安装于机械扫描架上。通过主机发出运动控制指令，机械扫描架运动时会返回位置坐标信息给主机，主机通过计算发送新的运动指令。实现对样品的完整面阵扫描。运动控制和数据采集同时进行，如图2所示，当按下开始扫描按钮时，程序向机械扫描平台发出指令，在设定的样件全反射区触发采集卡保存一次数据(两组信号RF、IF)，测量头继续前进，在设定的全吸收区保存一次数据(两组信号RF、IF)，这两次数据用于在软件中对后续保存数据的实时非线性矫正。测量头继续前进，移动到样件扫描区域原点时，数据采集卡同时被触发，计算机对数据采集卡的数据进行实时非线性矫正并保存。x轴坐标信息每移动一个x轴扫描坐标间隔，采集卡采集一次该点的两组信号(RF、IF)并矫正后保存，当在x轴方向，采集够预先设定的x轴总采样点的个数后，采集卡停止保存数据，程序向机械扫描平台发出指令，二维平移台的x轴回到原点，y轴前进一个y轴扫描坐标间隔。此时完成了一行数据的采集，再继续循环上述流程，实现对样件测量区域的一个面的数据采集。数据采集后经读取重建，可对物体层析成像。利用调频连续波进行层析成像，依靠的是回波信号同本征信号进行混频产生的中频信号来读取纵深位置信息，二维面阵扫描获取横向信息。结合所获得的物体反射的强度信息，通过信号处理，恢复出包含物体信息的幅度和相位信息，从而实现三维立体成像。

实验的多层立体成像结果如图3所示，其中图3(b)是表面成像，图3(c)是内部成像，图3(a)是表面和内部两幅成像的组合显示。样品为20mm厚的塑料盒，盒表面有条纹金属条，内部放置两把钥匙和一把剪刀。样品的前表面被有效成像，可以清楚地识别样品表面上金属条的轮廓。盒子中隐藏的目标清晰可辨，表面和内层清晰分层，盒子内层隐藏的两把钥匙和剪刀的金属目标清晰可辨。本发明设计的FMCW系统可以高分辨三维成像，能够有效地反映多层样品的信息。

Claims (8)

1.一种自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其特征在于包括：

支撑台(1)，用于对整个扫描成像装置起支撑作用；

检测探头(5)，用于产生和探测调频连续太赫兹波，并且能够沿X、Y、Z三个直角坐标轴方向往复运动；

准光单元(6)，用于对检测探头(5)产生的调频连续太赫兹波进行准直与调整；

测距传感器(7)，用于测量检测探头(5)与被测面的距离；

0校正板(8)，所述0校正板(8)放置于支撑台(1)上并且被测样品放置于0校正板(8)上，用于实现扫描过程中的0校正，从而为反射信号提供无反射信号基准；

1校正板(9)，所述1校正板(9)放置于支撑台(1)上，与0校正板(8)相邻，用于实现扫描过程中的1校正，从而为反射信号提供全反射信号基准；

控制模块，用于控制整个扫描成像装置的操作，根据所述无反射信号基准和全反射信号基准对探测数据进行实时非线性矫正，并根据测距传感器(7)实时测量的检测探头(5)与被测面的距离来调整检测探头(5)与被测面的距离，使被测样品处于检测探头(5)的检测范围内。

2.按照权利要求1所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述使被测样品处于检测探头(5)的检测范围内包括使被测样品尽可能处于检测探头(5)的焦平面上。

3.按照权利要求1所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中检测探头(5)为调频连续太赫兹波收发一体集成式探头，工作方式为反射式，所述检测探头(5)固定安装于用于实现Z向往复运动的Z向导轨(4)上，并与水平面保持垂直，检测探头(5)前端与0校正板(8)的上表面距离在48±3cm范围内。

4.按照权利要求1所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述准光单元(6)采用两段笼式结构，上段的准直透镜实现对发散的太赫兹波的准直，下段的聚焦透镜实现准直后太赫兹波的聚焦。

5.按照权利要求4所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述准直透镜和聚焦透镜均选择对太赫兹波段透过效果较好的树脂材料，制作方式为3D打印成型。

6.按照权利要求4所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述准直透镜和聚焦透镜通过透镜固定架与固定在检测探头(5)前端的四根支杆连接，透镜固定架上设置有用于调节透镜角度的螺母。

7.按照权利要求1所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述0校正板(8)采用当调频连续太赫兹波入射到其表面时，几乎不产生反射回波的漫反射效果良好的吸波材料，所述1校正板(9)采用当调频连续太赫兹波入射到其表面时，几乎产生全反射回波的反射效果良好的金属平板材料。

8.按照权利要求1所述的自动校正的调频连续波无损检测扫描成像装置，其中所述测距传感器(7)安装在用于实现Z向往复运动的Z向导轨(4)上，前端与检测探头(5)前端保持平齐。

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