CN204287072U - 一种紧凑型的微波层析成像装置 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型的微波层析成像装置，包括一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，一个天线阵列基板；每一个天线由紧凑的螺旋天线构成；天线阵列环绕柱形成像区域；每一个螺旋天线具有微波信号连接口；每一个螺旋天线能够辐射微波或者接收微波；天线之间通过柱形成像区域进行微波信号传输；螺旋天线的轴向方向与所述柱形成像区域横截面垂直，也与天线阵列基板垂直。本实用新型一种紧凑型的微波层析成像装置，用于生成介电常数的图像，能利用低功率微波和所述的装置实现成像。

Description

一种紧凑型的微波层析成像装置

技术领域

本实用新型是一种紧凑型的微波层析成像装置，涉及图像成型领域。

背景技术

微波层析成像利用低功率微波对物质内部的介质特性进行成像，从而对物质内部的性质进行测量、分析和评估，推断出其它物理量的分布、比例等。

从原理上，微波层析成像利用天线进行微波的辐射和接收，微波通过一个天线向成像区域内物质的一个入射方向辐射，辐射的微波与物质的介质特性产生作用形成一个散射波，然后通过另一个天线沿一个散射方向接收散射波，如此构成一对天线之间的微波信号传输，再利用微波检测器测量散射波信号的幅度和相位。为了获得在不同方向入射微波情况下多个方向散射波的数据，微波层析成像系统一般采用多个天线，这些天线均匀地排放在成像区域的边缘，在获得这些散射场的数据之后，利用图像重建方法重建成像区域内物质的介质特性，形成图像。在图像重建中，成像区域一般采用柱体形状模型，假定在柱体成像区域内物质的介质特性沿轴向方向没有变化，微波层析成像中三维图像重建的过程便简化为二维图像的重建，这二维图像重建的方法减少了许多数学运算。

在本实用新型以前，微波成像系统一般采用单偶极子的天线形成天线阵列。美国专利WO2006/069195阐述了一个采用单偶极子天线构成天线阵列的微波成像系统。Z.Wu等(Microwave-tomographic system for oil and gas multiphase flow imaging,IOPMeasurement Science and Technology,2009年第20卷104026)文献中也阐述基于单偶极子的微波成像系统。由于单偶极子的最佳辐射频率是在它的长度接近四分之一波长，所以在低频微波波段单偶极子的物理长度可能远大于成像区域横截面的直径。在这样的情况下，物质沿柱体成像区域轴向方向的不均匀性会给快速、有效的二维图像重建方法带来很大的误差。本实用新型提出采用螺旋天线进行发射和接收微波信号，以缩短天线沿柱体成像区域轴向方向的长度，降低物质沿柱体成像区域轴向方向的不均匀性对成像系统的影响，确保图像质量。

发明内容

本实用新型提供一种紧凑型的微波层析成像装置，用于生成物质介电常数的图像。本实用新型提供一种紧凑型的微波层析成像装置的成像方法，利用低功率微波实现成像。

本实用新型采取的技术方案为：

一种紧凑型的微波层析成像装置，包括一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，一个天线阵列基板，其特征在于，所述天线阵列中的每一个天线由螺旋天线构成；天线阵列环绕柱形成像区域；每一个螺旋天线具有微波信号连接口；每一个螺旋天线能够辐射微波或者接收微波；螺旋天线之间通过柱形成像区域进行微波信号传输；螺旋天线的轴向方向与所述柱形成像区域横截面垂直，与所述天线阵列基板垂直。

每个螺旋天线的环与环之间等距；螺旋环在的轴向方向的投影形状为圆形或方形；每个螺旋天线有个共地。

每个螺旋天线工作在正常模式时，螺旋天线的最大辐射方向与螺旋天线的轴向垂直。

每个螺旋天线的长度大于螺旋环在的轴向方向投影的圆形直径或方形边长。

每个螺旋天线由铜、或者黄铜制成。

每个螺旋天线通过微波信号连接口与微波信号源或者微波检测器连接。

所述天线阵列基板由铝、铜、或者不锈钢材料制成，天线阵列基板为天线阵列的共地。

所述柱形成像区域包括一个柱形管道或容器以及内部区域；管道或容器的轴向方向与螺旋天线的轴向方平行。

每个螺旋天线有个SMA连接器作为微波连接口，SMA的外壳与天线阵列基板相连接，SMA的中心导线与螺旋天线相连接，SMA的外壳与中心导线之间有个介质材料隔离。

采用该一种紧凑型的微波层析成像装置的成像方法，至少有一个微波信号源，用于微波的激励，频率范围为300兆赫兹至10千兆赫兹；

至少有一个微波检测器，用于微波的检测；

至少有一个测量方法，实现所有天线之间的微波信号传输测量，包括幅度和相位的测量，形成一组测量数据，重建所述柱形成像区域内横截面上的介电常数的分布图像。

采用该一种紧凑型的微波层析成像装置的成像方法，包含一个显示方法，显示介电常数的分布图像。

采用该一种紧凑型的微波层析成像装置的成像方法，包括以下步骤：

1)、提供一个平行的螺旋天线阵列，排列在所述柱形成像区域的周边，并通过所述柱形成像区域进行信号传输。

2)、提供一个螺旋天线阵列的基板作为天线阵列的共地。

3)、提供一个测量方法，测量天线之间的信号传输，包括幅度和相位的测量。

4)、提供一个二维图像重建方法，利用螺旋天线之间的信号传输数据导出所述柱形成像区域内介电常数的分布图像。

本实用新型一种微波层析成像装置，技术效果如下：

所述装置和方法能够对螺旋天线阵列所包围区域内的物质进行成像，生成介电常数的分布图像；

所述装置能够缩短天线沿柱体成像区域轴向方向的长度，降低物质沿柱体成像区域轴向方向的不均匀性对成像结果的影响，确保图像质量。

附图说明

图1示出了一个根据本实用新型的第一实施方案的装置的示意侧面俯视图，包括螺旋天线以及SMA连接口的透视图。

图2示出了一个根据本实用新型的第二实施方案的装置的示意侧面俯视图，包括螺旋天线以及SMA连接口的透视图。

图3示出了一个根据本实用新型的第三实施方案的装置的示意侧面俯视图。

图4示出本实用新型的流程示意图。

具体实施方式

一种紧凑型的微波层析成像装置,提供一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，一个天线阵列基板；天线阵列中的每一个天线由紧凑的螺旋天线构成；天线阵列环绕柱形成像区域，每个天线具有微波信号连接口，用于传输微波信号，能够辐射微波或者接收微波，天线之间通过所述柱形成像区域进行微波信号传输。

天线是个辐射和接收微波的装置。天线的特性在许多教科书中已经有了详细的描述(如“天线理论-分析与设计”，巴拉尼斯，1988)。天线辐射可分为近区场和远区场，辐射场可以利用麦克斯韦方程求解。天线是形状可以是线天线和面天线，本实用新型采用螺旋天线，螺旋天线由金属线制成，环与环之间基本等距，螺旋环在的轴向方向的投影形状为圆形或方形，螺旋天线的长度大于所述圆形的直径或方形的边长。螺旋天线一般有两个工作模式，一个是正常模式，另一个是轴向模式。螺旋天线在正常模式的操作情况下，它的最大辐射方向是沿与螺旋轴向垂直的平面；在轴向模式的操作情况下，螺旋天线的最大辐射方向是轴向方向。本实用新型采用螺旋天线工作在正常模式。

螺旋天线阵列有个共地，由金属基板制成。

螺旋天线阵列中的每个螺旋天线的长度大体上相同，长度方向为螺旋天线的轴向方向，与柱形成像区域的轴向相同。天线数目通常情况下选为16个，这些天线按均匀间隔排放在柱形成像区域的边缘，柱形成像区域的横截面一般为圆形，但是也可以是方形或其它形状。

通常情况下，本实用新型的装置测量时，测量螺旋天线之间的信号传输，包括幅度和相位的测量。测量电路与螺旋天线的连接通过微波连接口，也可以采用直接连接。每个螺旋天线能够辐射微波或者接收微波，测量两个螺旋天线之间的信号传输时，其中一个螺旋天线用于辐射微波、另一个螺旋天线用于接收微波。

考虑本实用新型的一个体现，采用16个平行的螺旋天线，代号1#至16#。一个合适的测量方式是测量第1#螺旋天线和第2#至第16#螺旋天线之间的信号传输，第2#螺旋天线和第3#至第16#螺旋天线之间的信号传输，第3#螺旋天线和第4#至第16#螺旋天线之间的信号传输，等等，直至第15#螺旋天线和第16#螺旋天线之间的信号传输，形成120个幅度数据和120个相位数据，用于二维图像重建。

采用本实用新型的装置的二维图像重建方法，所述测量方法获得的螺旋天线间信号传输的数据，通二维图像重建方法进行层析成像，许多层析成像的反演计算方法已广为人知，本实用新型的装置所采用的二维图像重建方法是牛顿法。本实用新型装置和方法中成像所采用的成像参数是介电常数。

本实用新型的装置采用的显示方法，适应于显示介电常数的分布图像。测量信号一般为正弦波型的频域信号。

图1示出了本实用新型的第一个实施方案，其中天线基板1上均匀地排列一个天线阵列，天线基板1为环形，天线阵列由16个螺旋天线2组成。天线基板1由铝、铜、不锈钢等金属材料制成，螺旋天线2由铜、黄铜或其它金属线制成。每个螺旋天线2有个SMA连接器3作为微波连接口，SMA的外壳与天线基板1相连接，SMA的中心导线3a与螺旋天线2相连接，SMA的外壳与中心导线之间有个介质材料3b隔离，一个适宜的介质材料是聚四氟乙烯(PTFE)。天线阵列在成像区域的边缘环绕成像区域。成像区域5包括一个非金属的管道4和装有物质的空间体积，其中非金属的管道4的长度远大于螺旋天线2的长度。

图2示出了本实用新型的第二个实施方案，第二个实施方案与第一个实施方案相似，但是其中环形天线阵列基板1的外边缘添加一个金属圆柱管形体1a，作为电磁屏蔽以减少环境噪声的影响。金属圆柱管形体1a有一个厚度，与螺旋天线2有一个距离1b，螺旋天线2的特性可以通过这个距离微调。

图3示出了本实用新型的第三个实施方案，第三个实施方案延伸于第一个实施方案，其中天线阵列基板1、非金属的管道4和成像区域5均为方形体，螺旋天线排放在方形管道的边缘。

图4示出了本实用新型的流程示意图，图中16螺旋天线与信号传输数据采集电路连接，通过测量方法，实现16个螺旋天线之间信号传输数据的采集，然后通过计算机，采用二维图像重建方法进行成像。

可以领会的是在没有偏离本实用新型的范围的情况下，以上描述的实施方案会有许多修改的方案。比如，天线个数可以是8个或者其它数目。

以上描述和图示的实施方案仅是解说性的，并非限制性的。可以理解到的是，只有优选的实施方案在这说明书中描述和示出，所有来自权利要求书中所定义的本实用新型的范围内的变化和修改都包括在本实用新型的保护之中。

Claims (9)

1.一种紧凑型的微波层析成像装置，包括一个柱形成像区域、一个多个天线构成的天线阵列，一个天线阵列基板，其特征在于，所述天线阵列中的每一个天线由螺旋天线构成；天线阵列环绕柱形成像区域；每一个螺旋天线具有微波信号连接口；每一个螺旋天线能够辐射微波或者接收微波；螺旋天线之间通过柱形成像区域进行微波信号传输；螺旋天线的轴向方向与所述柱形成像区域横截面垂直，与所述天线阵列基板垂直。

2.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线的环与环之间等距；螺旋环在的轴向方向的投影形状为圆形或方形；每个螺旋天线有个共地。

3.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线工作在正常模式时，螺旋天线的最大辐射方向与螺旋天线的轴向垂直。

4.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线的长度大于螺旋环在的轴向方向投影的圆形直径或方形边长。

5.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线由铜、或者黄铜制成。

6.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线通过微波信号连接口与微波信号源或者微波检测器连接。

7.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，所述天线阵列基板由铝、铜、或者不锈钢材料制成，天线阵列基板为天线阵列的共地。

8.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，所述柱形成像区域包括一个柱形管道或容器以及内部区域；管道或容器的轴向方向与螺旋天线的轴向方平行。

9.根据权利要求1所述一种紧凑型的微波层析成像装置，其特征在于，每个螺旋天线有个SMA连接器作为微波连接口,SMA的外壳与天线阵列基板相连接，SMA的中心导线与螺旋天线相连接，SMA的外壳与中心导线之间有个介质材料隔离。