CN101057139A - 用于利用声电互作用确定物体中的物理参数的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定物体中的介电函数的设备。所述设备包括：用于通过所述物体而发射微波辐射的一个发射天线42；以及用于接收所发射微波辐射的一个接收天线43；用于通过所述物体而发送超声辐射以产生该物体中的密度变化的一个超声发送器；用于分析通过所述密度变化所发送的微波辐射以确定所述物体中的声电互作用δ的装置；以及用于根据该声电互作用计算所述物体中的介电函数的装置。本发明还涉及一种用于确定物体中的介电函数的方法。

Description

用于利用声电互作用确定物体中的物理参数的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1和权利要求19的前序部分的用于通过确定物体的介电函数来确定物体内部例如温度或密度的物理参数的设备。本发明还涉及一种根据权利要求12的前序部分的用于确定物体内的介电函数的方法，以及根据权利要求18的用于确定食物中温度的局部分布的设备。

背景技术

为在不破坏、侵害或解剖物体的情况下获取关于任意物体的温度、密度和其它内部参数的信息，各种类型的辐射可用于提供能够重构期望的参数的信息。

选择特定类型的辐射，存在四种不同的情况，这四种情况包括它们的与分析方法的选择有关的适当暗示。这些是按两个问题领域而被分类的：

-物体对所选辐射的透明度；

-关于所选辐射的波长的所需物体中的分辨率。

情况1A

(物体对用于测量的辐射是透明的或弱吸收的，并且要达到的分辨率等于或小于辐射波长)

唯一的信息源是通过利用例如以下技术来探测近场而获得的：

-原子力显微镜(AFM)

通过读出被以高准确度置于材料表面上的次波长大小模板(stencil)上的力，来读出被测试物体表面上的结构，

-光栅隧道显微镜(RTM)

其中，代替所述力，测量来自靠近被测试物体表面所放置的次波长大小探针的隧道电流，以生成关于该物体表面的电子状态的信息，或者

-光近场显微镜

其中，电磁辐射穿过微小的孔，这要求该孔远小于所用辐射的波长，以在细探针上以次波长分辨率生成光属性的表面图像。

-阻抗断层成像(impedance tomography)

其中，一组电极被连至被测试物体，并且所有探针之间的阻抗被测量。该方法允许计算被测试物体内部的一些属性，但分辨率一般较差。该方法已成功地被用于不同的方法-预先测量心脏区域的阻抗并且在药物治疗之后评估例如抗堵塞药物的影响。

作为一般特征，上面提到的方法的高分辨率不是由于所选辐射的固有波长，而是由于提供次波长分辨率的另一约束(大部分为光圈、模板)。一般的缺点是由于被测试物体的厚度要求所造成的-上述方法要么仅生成表面信息要么在不损失分辨率的情况下生成非常有限的深度的内部信息。

情况1B

(物体对于用于测量的辐射是透明的或弱吸收的，并且分辨率远大于辐射波长。)

所有直接成像和光传输方法覆盖了这种情况。利用该方式下的电磁辐射，存在

-LIDAR

-X射线

作为分析的手段，射线跟踪和一对一映射方法由于散射不起作用而是合适的一可以假设在不损失分辨率的情况下在给定位置获取的每个像素信息仅受到位于辐射源和接收器之间的物体体积的影响。

该领域的近期发展是无源雷达，其中接收器附近环境中的所有物体的固有热发射被测量并成像。该雷达方法不需要任何发送的信号，并且因此是不可跟踪的。

在非电磁方法中存在商业上可用的

-超声断层成像，以及

-核磁共振(NMR)

情况2A

(物体对用于测量的辐射是中度吸收的，并且分辨率等于或小于辐射波长。)

物体对用于测量的辐射为中度吸收这一事实对可被探测的探针带来了厚度限制。

对于该情况，目前现有技术中没有任何可行的方法。

情况2B

(物体对于用于测量的辐射是中度吸收的，并且分辨率远大于辐射波长。)

在该情况下，多数无线电频率和微波频率应用被发现(尤其是当被测试物体是有损耗的并且被嵌入无损耗环境中时)，并且微波断层成像为可用。在这些方法中最常用的一种是

-(有源)无线电检测和测距(RADAR)其中，通过将接收器置于与发送器相同的位置(单基地雷达)或者通过将接收器置于与发送器不同的位置(双基地雷达)，来测量信号在源和目标之间并回到接收器的运行时间，并且评估由于源和目标的相对速度而造成的频率改变(多普勒雷达)。

因此需要开发用于确定物体的物理参数的设备，所述物体对用于测量的辐射是中度吸收的，所述物理参数例如是温度、密度、成分，并且其中期望的分辨率远大于辐射波长。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于确定任意构成的物体的介电函数的设备。

所述目的是通过如在权利要求1和19的特征部分定义的设备以及根据权利要求12的特征部分的、使用超声波产生产品密度的可控变化的方法来达到的。所述设备因而使用微波辐射来读出密度变化并且将其关联于所述介电函数的空间分布。这还可以用于确定该物体的温度、含水量和密度，如在权利要求18的特征部分中所定义的那样。

本发明的优点是，空间分布的分辨率不限于例如微波辐射的第一类型辐射的波长，而是通过例如超声波或x射线的第二类型辐射的波长来确定的。

本发明的另一优点是，例如温度、含水量等的物理属性的无接触测量可以通过作为虚拟探针应用本发明来被建立。

根据对本发明的详细描述，其它目的和优点对于本领域的技术人员是显而易见的。

附图说明

图1示出了根据本发明的***；

图2示出了被发送到被测试产品中的辐射；

图3示出了用于确定被测试产品内部的例如温度的物理属性的流程图；

图4示出了说明用于获取超声度量(metric)的过程的流程图；

图5a和5b示出了说明用于确定被测试产品内的介电函数的空间分布的过程的两个实施例的流程图；

图6示出了本发明的第一使用的主要功能；

图7a-7d示出了本发明的第二使用的主要功能。

具体实施方式

在本发明之前，用作重构材料内部属性(其中衍射和散射是主要的)的工具仅有

-微波断层成像；

-超声断层成像。

在这两种情况下，分辨率是由所用辐射的波长来确定的。

在本发明中，合并了超声和微波方法。物体重构可以通过纯微波逆散射方法和纯超声断层成像方法、以其各自的限制来完成。这里，超声没有被用作物体重构工具，而是用作产生要探测物体中的密度变化的工具。所述密度变化产生了用于物体重构的被发送微波辐射中的相位和频率变化。因此，该方法的可用分辨率是由超声波的分辨率(对于典型的医疗超声频率而言小于1毫米)来确定的。密度的读出是通过使用微波辐射(以其中衰减仍允许适当穿透深度的频率，例如S，ISM5.8或X波段)来实现的。该方法避免了毫米分辨率需要毫米波长的微波断层成像方法的主要困难。不幸的是，毫米辐射被一些波长内的多数关注物体所吸收，这因而不能够提取任何内部参数。在上述分类中，本发明覆盖了范围1B、2A和2B。这种方法在本发明之前是未知的。

本发明所描述的***优选地用于食品行业中。在食品行业中，准确控制食品的温度通常是重要的。例如，当食品要被冷冻时，重要的是冷冻整个产品。当不能确保已经冷冻了例如鸡片的整个产品时，可能不得不丢弃产品或以较短保存期限来递送产品。因此，需要无破坏和无接触的产品冷冻控制。该问题可以通过测量介电函数并将其转换为温度分布来得到解决，如下面所描述的那样。

然而，所述***决不限于这种行业。潜在的其它应用有：

-混凝土硬化(建筑行业)

-胶硬化(飞机建造)

-医疗成像(功能性脑断层成像、脊椎断层成像)

-地面测量、跟踪管道和地下管道

-救援设备(检测碎石下的人)

-扫雷(尤其是丛林地区中的塑料雷)

下面概述优选实施例。为适应该方法而对几何进行的必要修改在上面其它应用领域中是很小的。

下面，为了简单而描述基于连续波(CW)微波和脉冲波训练超声波的***。所描述的方法不限于此情况。同时用于电磁波和超声波的其它调制方案是适用的并且对于其它一些应用是最优的，所述调制方案例如是振幅调制(AM)、频率调制(FM)调频连续波(FMCW)、脉冲编码调制(PCM)、相位调制(PM)和基于小波的调制技术(WM)。

图1描述了根据本发明的设备40。所述***是靠近传送装置11被放置的，其中该传送装置通过传感器测量间隙13传送被测试产品12。***40包括微波部分50、超声部分70和评估单元60。所述***在该实施例中包括两个固定频率微波发生器51和52以及固定频率超声发生器71。第一微波发生器51具有第一固定微波频率f₁(例如5.818GHz)并且耦合到至少一个发射天线42，而第二微波发生器52具有第二固定微波频率f₂(例如5.8GHz)并且优选地耦合到例如混频器的降频转换器54。所述降频转换器将由至少一个接收天线43收集的所发送微波信号和来自第二微波发生器52的所接收微波信号转换为较低的中频IF。这使得通过被测试产品12所发送的微波信号能够以振幅和相位而被评估。它还包括滤波器单元59、模拟数字转换器ADC 55、一组信号处理器56以及包含用于控制***和评估数据的必要算法的评估处理器60。结果被提交给显示单元65。***40除发射天线42和接收天线43之外还包括全部被聚集在测量间隙13周围的一组换能器72(为清楚起见，仅示出一个)。所述换能器通过被测试产品12而发送具有超声频率f_US(例如4.5MHz)的超声信号。这产生了以超声速度传播的密度转移(displacement)。同时，来自第一微波发生器51的微波信号从发射天线42被发射。该信号也通过被测试产品12传播。所述微波信号由于通过产品传播而呈现出阻尼和相位延迟，这保持微波频率不变。其中超声波产生密度转移的被测试产品12的那些体积中，所述微波信号的一部分在频率上被偏移，并且产生了上边带和下边带。所发送的微波信号是利用微波接收天线43来收集的。所接收的信号是利用降频转换器单元54被降频转换的。低频信号然后利用滤波器单元59被滤波，并且利用ADC 55被模数转换。数字信号利用接收信号处理器56而被评估。该接收信号处理器将到来的数字信号转换为零频率，这利用标准的现有技术数字滤波器。

所述滤波的结果对应于发射42和接收43天线之间的、没有在频率上被偏移的S₂₁参数，如本领域技术人员所熟知的那样。上面，我们称接收天线43为微波端口2，称发射天线42为微波端口1。

在根据本发明描述的***中，存在与第一信号通路59、55、56平行的第二组带通滤波器58、另一ADC 55和第二数字信号处理器57。

带通滤波器59被调谐为两个微波发生器51和52之间的差值频率，其在本实施例中为5.818GHz-5.8GHz＝18MHz。第二带通滤波器57被调谐为加上超声信号发生器71的中心频率(例如4.5MHz)的微波发生器之间的差值频率(例如18MHz)。因此，包含58、55和57的这个第二数字信号处理器通路将到来的信号转换为已被超声频率在频率上偏移的零频率。测量结果因而限于超声和微波信号之间的交叉部分。

第一59、55、56和第二58、55、57数字接收器的IF带宽被选为由超声发生器71生成的超声频率f_US的一半。这是为通过改变超声换能器相位来优化频率偏移所需要的。

在获取产品12的超声度量的第一阶段中，超声接收器73必须存在，其收集从换能器72发送的超声辐射并评估阻尼，T₅₆，和运行时间，如下面详细描述的那样。上面，我们称超声接收器73为微波端口6，称换能器72为微波端口5。阻尼和运行时间在超声评估单元74中被评估，但这自然可以被并入评估单元60。

图2示出了被发送到被测试产品中的辐射。在这个例子中，换能器72通过被测试产品12而发送超声脉冲91。这造成了以超声速度传播的密度转移。同时，微波信号90从发射天线42被发射，通过产品12传播，并且，除在区域95中之外在不改变微波频率的情况下呈现出阻尼和相位延迟，其中超声波导致密度转移。在该区域中，微波信号的一部分如上面所述的那样在频率上被偏移，并且产生了上边带和下边带。发送的微波信号90利用接收天线43被收集。超声波91在获取超声度量的过程中在接收器73中被收集，其被用于确定介电函数的空间分布的下一阶段。

图3示出了描述利用如结合图1描述的***的根据本发明的测量原理的流程图。

基本上，本发明的方法是物质的介电和声电属性的微波-超声结合测量方法，其中分辨率是从超声波长继承的。

测量过程如下面描述的那样包括三个阶段。

阶段1

获取超声度量

在该阶段中，建立阻尼属性和局部超声运行时间图，这在此后称作超声度量。

通过利用相位编程逻辑改变超声换能器72之间的相位，可以生成超声场的任意期望的相位形式。通过将超声功率聚焦到具有超声波半波长级的几何大小的点上，可以控制所有超声换能器的相位。将介质中的超声波聚焦到最小可能体积上，致使所发送微波信号的频移到达最大。因此，超声换能器的相位被改变，以优化微波信号。评估超声脉冲和所达到的最大频率偏移之间的延迟时间允许确定焦点在距天线的什么位置被置于所测试产品12中。所述测量对于以预定分辨率覆盖整个被测试产品的一组点而被重复。

于是，获得了包括要针对每个独立焦点而被选择的相位和关于天线的位置的表。同时，从来自所有测量物体的每个测量点获得最大信号的强度，这允许绘制局部超声阻尼。

超声信号的局部强度是通过测量所有超声换能器之间的运行时间和阻尼值而被算出的(当然，相位的任意选择通过最大化该层中每个点的微波信号而得到优化)。假设靠近换能器的产品的层的这些延迟时间和阻尼值，获得了最靠近聚焦点的相位。

通过将发送相位调整为将超声功率聚焦到一个焦点上以及将接收相位调整到另一焦点上，获得了第一层的两个焦点之间的运行时间。

假设在焦点附近并且还靠近点的下一层这些值是有效的，获得了下一层的连续点的相位和振幅值(当然，相位的任意选择通过最大化任意层中每个点的微波信号而得到优化)。所述过程被重复直到整个被测试产品被扫描。

结果是所有被扫描焦点之间的超声信号的局部相位延迟和超声信号局部阻尼的表，其中“超声度量”以及微波信号强度是针对所有的焦点。

超声度量可以关于参考物体而被获得，该参考物体代表要分析的物体。此后，可以在不需要获得的每个物体的超声度量的情况下关于这种物体来进行测量。

度量本身也可以被看作是本发明的实质性结果，并且可以被用作独立的应用。此外，关于参考物体所获得的度量可以被用作加速按照阶段1的测量的手段。

阶段2：

评估微波互作用(interaction)

基于上面生成的超声度量和微波响应，以从最靠近微波天线的层开始的逐层方式获得声电互作用。不要求以逐层方式进行所述分析，但这样做证明对后面的3D图像处理相当便利。

在每个焦点中测量的微波信号的强度由产品的以下方面确定的：

(a)超声信号的局部强度；

(b)可压缩性；以及

(c)焦点中的材料的介电函数。

由于从度量中知道了所有焦点中的超声信号的局部强度，最靠近微波天线的层上的入射和频移发送微波信号之间的互作用是通过应用格林函数定理而获得的，这得出该焦点处的介电函数。除该指定焦点的互作用外，没有任何其它点的互作用是可能的，这是因为微波边带响应必须在测量期间超声焦点已扩展的区域中发起。因此，所述方法的分辨率是由超声信号的波包分辨率(下至250微米)而不是由无干扰方式的微波波长(若干厘米)给出的。然而，入射微波信号波长受到从发射天线到焦点的途中以及至接收天线的途中的相邻单元的影响。焦点处的微波信号取决于被测试产品中的所有介电点，并且是用对比(contrast)和入射场幅度中的线性形式来表示的。在接收天线中收集的场也是用包含所有未知对比的线性形式来描述的。对于每个测量，获得了包含所有未知对比的双线性形式。对于每个测量，生成新的方程式。由于存在针对每个焦点的方程式，方程式组可以在没有迭代的情况下以一对一的方式被解出。

结果是具有与超声度量相同的基本特定结构的、被测试产品的声电和介电属性的图。

阶段3：

计算声-介电属性

超声阻尼不是显著地温度相关的。相反，产品的超声运行时间和介电函数以及可压缩性呈现出强的温度相关性。

可压缩性和介电函数之间的比率产生了温度的函数。利用介电和声电图，获得了测量物体的温度。

第三阶段的更多细节结合图6和7a-7d被描述。

已详细描述了三个阶段，现在参考图3进一步描述测量。

流程开始于步骤100，其意味着以第一频率ω_transmit＝2πf₁的微波信号从发射天线42被发出，而频率为ω_transmit和ω_receive的混合的微波信号在接收天线43被接收。在两个信号之间在偏移频率S’₂₁处的信号生成以及阻尼S₂₁和频率偏移δ在步骤101中被测量，以及在接下来的步骤102中，将所测量的阻尼S₂₁与之前记录的参考阻尼S_21，0进行比较，该参考阻尼对应于具有空测量间隙13的被测量阻尼，即没有任何被测试物体12出现在间隙中。如果所测量的阻尼等于没有任何被测试物体出现在间隙中时的阻尼，则流程返回点103并且阻尼在步骤101中再次被测量。

当物体被引入测量间隙13中时，流程继续到步骤104，其中获得超声度量。该步骤结合图4而被描述。

物体的空间介电属性此后被测量并且利用在步骤104所获得的度量而被计算。该过程结合图5而被更详细地描述。

当确定物体的介电属性时，在步骤106，利用介电属性的空间分布(基于预定的ε(T)模型)，可以确定其它物理属性，例如温度、含水量、密度等。所述模型在现有技术中是已知的，例如在被转让给本申请人的公开的PCT申请WO02/18920中所描述的。

图4示出了说明获取超声度量的过程的流程图。该流程开始于步骤120，其中超声辐射被聚焦到物体中的一点。超声将生成与由微波信号测量的表示为δ的频移相对应的边带通路中的信号，以及在步骤121中被测量的声电效率信号，并且在步骤122中，进行检查以确定该声电效率信号是否是最大的，如果不是，则流程通过步骤123返回步骤120，在步骤123中超声信号的相位值被更新。所述过程被重复，直到获得最大频移。当流程继续到步骤124时，超声信号的相位以及关于如上所述的焦点位置的信息被存储在存储器中。在步骤125中，确定是否存在为获得被测试产品12的超声度量而应当被测量的另一个点。如果不存在，则用于获取度量的过程在步骤127结束，或者流程经由连线126返回到步骤120。

基于已知超声度量的介电函数的测量(参考图4)

图5a示出了第一实施例，其用于确定例如食品的物体中的介电函数以在该物体的准备期间在不必物理上探测该物体的情况下确定该物体中的例如内部温度的物理属性。

该流程开始于步骤110，其中物体中的一个点被选择。选择已在获取超声度量的过程中被使用的点是有利的。所选择的点对应于方程1-17中的点3。

超声辐射此后在步骤111中被聚焦到该点，并且在步骤112中，S参数S₃₁和S₂₃被测量，如结合图6详细描述的那样。

在步骤113中，进行关于另一点是否应当被选择的判定。如果另一点应当被选择，则流程返回到步骤110，在步骤110中在重复步骤111和112之前选择新的点。如果不是，则流程继续到步骤114，在该步骤114中，具有所测量的S参数的矩阵被反转，以解出虚拟接收器的S₃₁或虚拟发送器的S₃₂。

每个所选点x的介电函数ε(x)此后在步骤115中利用现有技术算法而被计算。所选点中的温度此后如由图3中的步骤106所指示的那样被计算。

图5b示出了第二实施例，其用于确定例如食品的物体中的介电函数以在不必物理上探测该物体的情况下确定该物体中两个位置之间的例如材料属性(例如脑瘤的出现)的物理属性。

该流程开始于步骤210，其中物体中的一对点被选择。选择已在获取超声度量的过程中被使用的点是有利的。所选择的点对应于方程1-17中的点3和4。

超声辐射此后在步骤211中被聚焦到所述两个点上，并且在步骤212中，S参数S₃₁、S₂₃、S₄₁、S₂₄、S_4’1、S_24’、S_3’1和S_23’被测量，如结合图7所详细描述的那样。

S参数S₄₃，即所选点之间的阻尼，在步骤213中被计算。点3充当虚拟发送器，而点4作为该实施例中的虚拟接收器。

所选点x和y(即方程式1-7中的点3和4)之间的介电函数的平均值 ε(x，y)此后在步骤214中被计算。

在步骤215中，进行关于另一对点是否应当被选择的判定。如果另一对点应当被选择，则流程返回到步骤210，在步骤210中在重复步骤211至214之前选择新的一对。如果不是，则该流程继续到图3中的步骤106，其中期望的物理属性被计算。

本发明的第一使用

图6概略示出了本发明第一使用的功能。如果超声度量u(x，t)是针对产品内的所有点x而获得的，则可以通过应用下面的步骤来计算每个点中的介电常数：

1)将超声聚焦到点3中的一个上。已知超声仅影响这样的焦点：其涉及从发射天线1被发送到接收天线2的微波信号的频率偏移，由此生成边带中的信号，即微波基频(f₁)±超声频率(f_US)。

2)测量至少一个边带中的信号强度。如果两个边带中的信号强度都被测量，则获得了该测量所产生的更可靠结果。在接收天线2中测量的信号强度可以被表示为：

V₂(t)＝S₂₁·V₁(t)＝S₂₃·α₃·u₃(x，t)·S₃₁·V₁(t)，

其中，S₂₁是由出现在测量间隙中的产品12所造成的阻尼，V₂(t)是边带中的所测量信号强度，以及V₁(t)是发送自发射天线1的信号的信号强度。S₂₃是点3和接收天线2之间的阻尼，α₃是确定其中超声波被转换为微波边带信号的点3中的效率的因子(称为声电增益)，u₃(x，t)是点3中的超声度量，并且S₃₁是发射天线1和点3之间的阻尼。

在第一逼近中，效率α可以表示为：

$\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\Δ\ϵ}}{y}$

其中，Δε是由于超声辐射引起的压力波y所造成的介电常数改变。使用压缩模量κ，则建立以下关系式

$\frac{\mathrm{\Δ\ϵ}}{\mathrm{\ϵ}-1}=\mathrm{\κy}.$

κ的值是本领域技术人员已知的，并且将不被详细讨论。

3)针对产品12中的、图6中表示为3的所有期望的点重复所述过程。

4)在逆散射算法中使用所有测量数据，并且计算产品中的介电函数的空间分布。

如果物体以相对慢的速度移动并且满足下面的关系，则关于测量设备，不需要考虑任何所发送超声和微波辐射的补偿。

$v_{\mathrm{obj}}\&CenterDot;t_{\mathrm{meas}}<\frac{v_{\mathrm{US}}}{f_{\mathrm{US}}}=d_{\mathrm{Focal}},$

v_obj是测量间隙13中物体移动的速度，t_meas是整个过程的测量时间，v_US是物体中的超声速度，f_US是超声频率，以及d_Focal是焦点的直径。

如果相对速度高，则为了在测量步骤期间维持焦点，超声的聚焦必须包括超声辐射的调整，以补偿该移动。另外

$\frac{v_{\mathrm{obj}}}{v_{\mathrm{US}}}<<1$

以避免多普勒频移。

本发明的第二使用

图7a-7d示出了当计算产品中两个点3和4之间的介电常数时本发明第二使用的主要功能。第一点3可以被看作是源，而第二点4可以被看作是接收器。

主要功能与结合图6所描述的相同，但是除了由于两个焦点3和4同时由超声辐射生成而产生了两个上和两个下边带之外。第一上和下边带与结合图6所描述的相同，以及第二上和下边带具有双倍的超声频率，即微波基频(f₁)±2*超声频率(2f_US)。如果相同的超声频率为此而被使用，则可以选择两个不同的超声频率来生成第二级边带。在本例中需要为结合图1所描述的设备添加针对第二上和下边带所调整的额外边带通路。

下面的关系式可以对于每个都作为单个虚拟源的点3和4而被建立：

1：V₂(t)＝S₂₃·α₃·u₃(x，t)·S₃₁·V₁(t)  (实线)

2：V₂(t)＝S₂₄·α₄·u₄(x，t)·S₄₁·V₁(t)  (虚线)

通过根据图7b将焦点从3移到3’并将焦点从4移到4’，可以表示新的关系：

3：V₂(t)＝S_23’·α_3’·u_3’(x，t)·S_3’1·V₁(t)  (实线)

4：V₂(t)＝S_24’·α_4’·u_4’(x，t)·S_4’1·V₁(t)  (虚线)

根据图7a，包括点3和4之间的所寻求阻尼的关系可以表示为：

5：V₂(t)＝S₂₄·α₄·u₄(x，t)·S₄₃·α₃·u₃(x，t)·S₃₁·V₁(t)  (双箭头3＝＞4)

6：V₂(t)＝S₂₃·α₃·u₃(x，t)·S₃₄·α₄·u₄(x，t)·S₄₁·V₁(t)  (双箭头4＝＞3)

方程6不被用于解7×7问题，并且被合适的逼近所代替，见方程16和17。

图7c示出了对应于3和4的双源的关系。

7：V₂(t)＝S₂₃·α₃·u₃(x，t)·S_3’3·α_3’·u_3’(x，t)·S_3’1·V₁(t)  (实线)

8：V₂(t)＝S_24’·α_4’·u_4’(x，t)·S_4’3·α₃·u₃(x，t)·S₃₁·V₁(t)  (虚线)

点3’和4’之间的关系可以表示为：

9：V₂(t)＝S_24’·α_4’·u_4’(x，t)·S_4’3’·α_3’·u_3’(x，t)·S_3’1·V₁(t)  (双箭头3’＝＞4’)

10：V₂(t)＝S_23’·α_3’·u_3’(x，t)·S_3’4’·α_4’·u_4’(x，t)·S_4’1·V₁(t) (双箭头4’＝＞3’)

方程10不被用于解7×7和8×8问题，并且被合适的逼近所代替，见针对8×8问题的方程15和针对7×7问题的方程16和17。

下面的关系是从图7a-7c中显而易见的：

11：S₄₁＝S_43’·S_3’1

12：S₂₄＝S_44’·S_24’

13：S_23’＝S_33’·S₂₃

14：S_4’1＝S_4’3·S₃₁

方程11-14被用于消去S参数，其导致如图7d所示的S参数。存在所寻求的一个S参数S₄₃和完全不感兴趣的一个S参数S_3’4’，以及几个未知的S参数，其需要10个方程来解问题，即方程1-10。

通过对有限元(finite element)应用由Zienkiewicz引入的技巧，可以减少为找到点3和点4之间的阻尼所需的方程式的数量。

方程10没有被使用，并且近似作为代替而被使用：

$15:S_{4\text{'}3\text{'}}\&ap;\frac{1}{2}[S_{4\text{'}3}+S_{33\text{'}}+S_{4\text{'}4}{S}_{43\text{'}}]$

通过应用Zienkiewicz两次，甚至可以将所需方程式的数量减少到仅8个，这消去了对方程式6和10的需要。代替所述方程式而使用的逼近是：

$16:S_{4\text{'}3\text{'}}\&ap;\frac{1}{2}[S_{4\text{'}3}{S}_{33\text{'}}+S_{44\text{'}}{S}_{43\text{'}}]$

$17:S_{43}\&ap;\frac{1}{2}[S_{43}{S}_{33\text{'}}+S_{44\text{'}}{S}_{34\text{'}}]$

点3和4之间以及点3’和4’之间的阻尼S₄₃可以通过将所需方程式转变为对数来被计算，方程1到10变成具有与方程式一样多个未知量的非齐次线性方程组，其中只要合适地选择分析点就可以获得解。必须针对S₄₃解方程组，以获得点4和点3之间的微波运行时间，这些点充当“虚拟探针”。

上述***使用“虚拟发送器”(即点3)和“虚拟接收器”(即点4)。可以容易地将这些点中的一个放置为与分别达到本发明第一使用的实际的发射或接收天线相一致。在物理探测天线的位置放置两个虚拟探针将导致在本发明之前已知的传统微波测量技术。

根据要解决的物理问题，可以利用单个(虚拟接收器或虚拟发送器)或两个虚拟探针的概念。还可以使用探针组(例如虚拟探针阵列)来创建由虚拟探针生成/接收的指定波束图。

不同的探针配置可以被用于如扫雷、材料分析、矿物勘探、医疗应用等的应用。

所述方法的简略数学推导

电磁辐射受Maxwell方程的控制，其中矢量电场E容易地被转变成Helmholtz形式，该Helmholtz形式以与三维空间x和时间t相关的坐标而被写为：

${\mathrm{\&Delta;}}^{2}E-{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t^2}E=0$

其中，Δ是拉普拉斯(Laplace)运算符，ε₀是真空的介电常数，ε_r是给定位置处材料的局部相对介电函数(为3×3张量)，μ₀代表真空的导磁率，以及μ_r代表被测试材料的局部相对导磁率。在该简略推导中，μ_r被设为单位张量1(3×3)。对于本领域的技术人员，显然可以通过同时对ε₀和μ_r求解而导出类似的方法。

同时，具有张量3×3应力幅度y和介质的局部声速v的超声波也可以转变成类似的形式

${\mathrm{\&Delta;}}^{2}y-v\frac{\&PartialD;}{\&PartialD;t^2}y=0$

这两个微分方程的求解是在考虑辐射源位置的情况下来实施的。聚焦于过程的关键点上，具有非零振幅的任意超声波产生了材料中的应力(类型为压缩或切变)。该应力由材料的局部压缩所反映。通过该压缩，极化电荷密度受到影响-作为已知事实，介电物体的任意压缩将相对介电函数张量ε_r改变为：

ε_r≈ε_r0+α·y

该关系产生了超声波传播和本发明中所用电磁波之间的耦合。所述互作用的强度是由为3×3×3张量的声光互作用α来确定的。对于所涉及的完整物理图，应当指出，上面的关系式仅适用于较小的超声波，其中例如空穴和其它非线性效应可以被忽略。

要被电磁地求解的整个***因此由以下等式给出：

${\mathrm{\&Delta;}}^{2}E(x,t)-{\mathrm{\&epsiv;}}_0[{\mathrm{\&epsiv;}}_{r0}+\mathrm{\&alpha;}\&CenterDot;y(x,t)]{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r\frac{\&PartialD;}{{\&PartialD;t}^2}E(x,t)=0$

对于本领域的技术人员，显然当应用时间t上的傅立叶(Fourier)变换时该类型的微分方程变成频率空间ω中的卷积：

Δ²E(x，ω)+ω²ε₀[ε_r0+α·y(x，ω)]μ₀μ_rE(x，ω)＝0

并且其中，循环次数运算符(circled times operator)E(x，ω)表示频率卷积积分(例如见1988年由G.Doetsch所著的“Anleitung zum praktischengebrauch der Laplace transformation”)，其变成完整形式(省略卷积积分前面的最终归一化常数)：

$[{\mathrm{\&Delta;}}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_{r0}{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r]E(x,\mathrm{\&omega;})+\mathrm{\&alpha;}{\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}}^2{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_0{\mathrm{\&mu;}}_r\underset{Q\&RightArrow;\&infin;}{\lim }\underset{\mathrm{\&xi;}=-Q}{\overset{+Q}{\&Integral;}}y(x,\mathrm{\&omega;}-\mathrm{\&xi;})E(x,\mathrm{\&xi;})\mathrm{d\&xi;}=0$

因此，假设单个频率超声激励和单个频率微波信号入射到物体，则接收的微波信号包含入射微波频率中的一部分，但还有由卷积积分产生的超声和微波频率的差值及和值处的边带。

上面的关系式提供了从微波场提取信息的全新视角-通过适当地相位控制超声波以及通过使用脉冲波训练。

单个虚拟探针

应用所述方法来沿包括单个虚拟探针的通路进行求解。这对应于虚拟发送器或者虚拟接收器，其取决于求解上面已描述的其中对于点3或4的所有关系式为零的即将出现的线性方程组的哪个传输参数。波传播机制对于该情况是相同的。对于理想(齐次、无边界条件)的情况，可以达到下面的传播关系：

[Δ²+ω²ε₀ε_rμ₀μ_r]E(x，ω)+α·ω²ε₀μ₀μ_rE(X，ω-ξ)＝0

[Δ²+(ω-ξ)²ε₀ε_rμ₀μ_r]E(x，ω-ξ)＝+qE(X，ω-ξ)

双虚拟探针

此外，可以应用所述方法来沿经过两个虚拟探针的通路进行求解。这对应于虚拟发送器或者虚拟接收器，其取决于求解上面已描述的其中所有方程式都出现的即将出现的9×9线性方程组的哪个传输参数。对于理想(齐次、无边界条件)的情况，可以达到下面的传播关系：

[Δ²+ω²ε₀ε_rμ₀μ_r]E(x，ω)+α·ω²ε₀μ₀μ_rE(X，ω-ξ)＝0

[Δ²+(ω-ξ)²ε₀ε_rμ₀μ_r]E(x，ω-ξ)＝+qE(X，ω-ξ)

[Δ²+(ω-ξ-η)²ε₀ε_rμ₀μ_r]E(x，ω-ξ-η)＝+q′qE(Y，ω-ξ-η)

前两个方程式表示在充当虚拟发送器的分析点X处的边带的生成。第三个方程式表示通过聚焦于充当虚拟接收器的另一分析点Y而在第一个之上的第二边带的生成。频率偏移表示成由用于完成聚焦的超声的频率所确定的点X处的η和点Y处的η。应当指出，这些在特定应用中对于两个点X、Y可能不是相同的频率。

第一个方程表示在预定位置ξ处具有边带偏移x的边带的生成。第二个方程表示当强度为q的源被置于位置X时通过整个被测试物体的边带传播。所述方法因而允许通过合成物体内部任意位置处的微波源来“探测”该物体。因而可以测量当四处移动源时从该源产生的辐射。

已结合微波发生器和超声发生器描述了本发明，但显然其它类型的辐射可以用于产生物体中的密度转移。然而，辐射必须被同时发射，并且因此在用于产生转移的所发射辐射之间也必须存在频率上的差异。分辨率是由物体中具有最短波长的辐射所确定的。

因此可以用具有不同频率(例如相差仅0.5Hz)的两个微波信号同时照射物体以产生密度转移，并且由此利用本发明确定材料的介电函数。所发射辐射的可能组合包括(但不限于)微波、超声和x射线的任意组合。

Claims (30)

1.一种用于确定物体中的介电函数的设备，所述设备包括：

-至少一个第一发送器(42)，其被配置为通过所述物体而发送第一类型的辐射；以及

-至少一个第一接收器(43)，其被配置为接收所发送的第一类型的辐射。

其特征在于，所述设备还包括：

-至少一个第二发送器，其被配置为通过所述物体而发送第二类型的辐射，其中所述第一和第二类型的辐射具有不同的频率成分，并且被发送以同时在所述物体中传播并产生密度变化和其中的声电互作用；

-用于分析通过所述密度变化所发送的第一类型辐射以确定所述物体中的声电互作用(δ)的装置；以及

-用于基于所确定的声电互作用计算所述物体中的介电函数的装置。

2.根据权利要求1的设备，其中，所述设备还包括第一发生器(51)，该第一发送器连接到所述至少一个发送器(42)并且被配置为生成并发送具有第一固定频率(f₁)的发送信号。

3.根据权利要求1或2的设备，其中，所述设备还包括用于确定衰减的装置，该装置包括：混频器，其被配置为通过对来自所述至少一个接收器(43)的所接收第一类型辐射与具有第二固定频率(f₂)的本地振荡信号进行混频而产生中频(IF)信号，其中所述本地振荡信号由第二发生器(52)生成；以及评估单元，其通过评估所述中频信号的相位和振幅来确定所述声电互作用。

4.根据权利要求1到3中任一个的设备，其中，所述发送的第一和第二类型辐射被安排为相对于所述物体而被移动。

5.根据权利要求4的设备，所述设备还包括被配置为经过所述设备传送所述物体的传送器(11)，其中所述设备是固定的。

6.根据权利要求4的设备，其中，所述设备相对于固定物体而被移动。

7.根据权利要求1到7中任一个的设备，其中，所述第二类型辐射是具有第三固定频率(f_US)的由第三发生器(71)生成的信号。

8.根据权利要求1到7中任一个的设备，其中，所述设备还包括至少一个接收器(73)，该接收器被配置为接收通过所述物体所发送的第二类型辐射以确定与所述物体的度量相对应的运行时间和阻尼图，其中该度量被用于确定所述物体中的声电互作用。

9.根据权利要求8的设备，其中，所述设备还包括用于作为所述度量的一部分而针对每个焦点确定所接收第二类型辐射的相位的装置。

10.根据权利要求1到9中任一个的设备，其中，所述第一和第二类型辐射包括微波辐射、超声波或x射线的任意组合。

11.根据权利要求1到10中任一个的设备，其中，所述物体是食品，并且所述设备还包括用于基于所计算介电函数来计算所述食品中温度的局部分布的装置。

12.一种用于确定物体中的介电函数的方法，该方法包括以下步骤：

-从至少一个第一发送器(42)通过所述物体而发送第一类型辐射；以及

-在至少一个第一接收器(43)中接收所发送的第一类型辐射，

其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

-从至少一个第二发送器通过所述物体而发送第二类型辐射，其中所述第一和第二类型辐射具有不同的频率成分以产生所述物体中的密度变化；以及

-分析通过所述密度变化所发送的第一类型辐射，以确定所述物体中的声电互作用；以及

-根据所述声电互作用计算所述物体中的介电函数。

13.根据权利要求12的方法，其中，分析所述第一类型辐射以确定所述物体中的声电互作用的所述步骤包括获取所述物体的度量。

14.根据权利要求13的方法，其中，获取所述度量的所述步骤包括：

a)将所发送第二类型辐射聚焦到所述物体中的一点上；

b)调整所述第二类型辐射的相位同时测量声电效率信号，以获得所述声电效率信号的最大值；

c)将所述相位的值与焦点位置一起存储在存储器中；以及

d)重复步骤a)至c)，直到完成所述物体的度量。

15.根据权利要求1至14中任一个的方法，其中，计算所述物体中的介电函数的所述步骤包括：

-选择所述物体内的至少一个点；

-将所述第二类型辐射聚焦到所述至少一个点上；

-确定所接收的第一类型辐射的阻尼；以及

-利用所述度量确定所述介电函数。

16.根据权利要求13至14中任一个的方法，其中，计算所述物体中的介电函数的所述步骤包括：

-选择所述物体内的至少一对点；

-将所述第二类型辐射聚焦到所述至少一对点上；

-针对所述至少一对点确定所接收第一类型辐射的阻尼；以及

-利用所述度量确定所述至少一对点之间的阻尼和介电函数。

17.根据权利要求12到16中任一个的方法，其中，所述第一和第二类型辐射被选择为微波辐射、超声波或x射线的任意组合。

18.一种用于确定食品中温度的局部分布的设备，所述设备包括：

-至少一个第一发送器(42)，其被配置为通过所述食品而发送第一类型辐射；以及

-至少一个第一接收器(43)，其被配置为接收所发送的第一类型辐射，

其特征在于，所述设备还包括：

-被配置为通过所述食品而发送超声辐射的至少一个第二发送器，其中所述第一和第二类型辐射具有不同的频率成分以产生所述食品中的密度变化；

-用于分析通过所述密度变化所发送的第一类型辐射以确定所述食品中的声电互作用(δ)的装置；以及

-用于基于所述声电互作用计算所述食品中的介电函数并且基于所计算的介电函数计算所述食品中温度的局部分布的装置。

19.一种用于确定物体特征的设备，其特征在于，所述设备包括：

-被配置为通过物体而发送第一类型辐射和第二类型辐射的发送单元，其中所述第一和第二类型辐射具有不同的频率成分；以及

-被配置为分析通过所述物体中的密度变化所发送的第一类型辐射以确定该物体特征的评估单元，其中所述物体中的密度变化是由所发送的第二类型辐射引起的。

20.根据权利要求19的设备，其中，所述评估单元确定所述物体中的声电互作用，并且基于所确定的声电互作用计算所述物体中的介电函数。

21.根据权利要求20的设备，其中，所述物体的特征包括该物体的温度分布，并且其中，所述评估单元基于所计算的介电函数计算所述物体的温度分布。

22.根据权利要求19到21中任一个的设备，其中，所述发送单元包括被配置为通过所述物体而发射第一类型辐射的至少一个第一发射天线，和被配置为通过所述物体而发射第二类型辐射的至少一个第二发射天线。

23.根据权利要求22的设备，其还包括第一发生器，该第一发生器连接到所述至少一个第一发射天线并且被配置为生成和发送具有第一固定频率的发送信号。

24.根据权利要求22或23的设备，其还包括：

-接收器，其被配置为接收通过所述物体所发送的第一类型辐射；以及

-混频器，其被配置为通过对所接收第一类型辐射与具有第二固定频率的本地振荡信号进行混频来产生中频(IF)信号，其中所述本地振荡信号由第二发生器生成，

其中，所述评估单元通过评估所述中频信号的相位和振幅来确定所述声电互作用。

25.根据权利要求19到24中任一个的设备，其还包括被配置为经过所述设备传送所述物体的传送器，其中所述设备是固定的。

26.根据权利要求19到24中任一个的设备，其中，所述设备相对于固定物体而被移动，以便所发送的第一类型辐射和第二类型辐射相对于所述物体而移动。

27.根据权利要求19到26中任一个的设备，其中，所述第二类型辐射是具有第三固定频率的由第三发生器生成的信号。

28.根据权利要求19到27中任一个的设备，其中，所述设备还包括：

-至少一个接收天线，其被配置为接收通过所述物体所发送的第二类型辐射，以确定对应于所述物体的度量的运行时间和阻尼图，其中所述度量被所述评估单元使用以确定所述物体中的声电互作用。

29.根据权利要求28的设备，其中，所述评估单元作为所述度量的一部分针对每个焦点确定所述第二类型辐射的相位。

30.根据权利要求19到29中任一个的设备，其中，所述第一和第二类型辐射包括微波辐射、超声波或x射线的任意组合。

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