CN103207321A - 基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***与方法。该测量***包括被测脉冲微波源、一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***、函数发生器和计算机；一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***和计算机依次连接，被测脉冲微波源设置于一体化探测器的下方，函数发生器分别与数据采集***、计算机连接。本发明通过一体化探测器接收热声信号并通过数据采集***采集热声信号，利用DSP芯片实时重建热声图像来反应微波场能量分布，具有实时图像重建能力，实时快速的获得脉冲微波辐射场的能量密度分布，具有很高的分辨率。

Description

基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***与方法

技术领域

本发明属于辐射生物学和辐射防护学技术领域，特别涉及一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***与方法。

背景技术

随着现代高技术的发展，微波在军事、民用方面已得到广泛的应用，并已在发达国家中作为重要的“软杀伤”武器进行研制，受到人们的关注。微波辐照生物体，必须准确掌握其辐照场强分布才能精确判断剂量-效应关系。由于微波具有峰值功率大、脉冲持续时间短、脉冲包络响应快等特点，一般的微波漏能仪响应跟不上脉冲包络的变化，对其脉冲高功率的承受力也有限，因而测量的准确性较差。采用HP8991A峰值功率计，可获得脉冲功率值，但生物体辐照时离辐射器有一定距离，因此被辐照动物实际能接受的微波辐射场能量密度需按公式求算，而且误差大，测量精度不高。

热声方法与技术在微波室中对辐射器照射的任意一点能测出脉冲功率相对强度、用以表示被辐照生物体所接受的微波能量的相对分布方面显示出很大的优越性。热声效应是用脉冲微波辐照某种物质时，该物质吸收微波能量可引起瞬间温升，如果微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，此时可看作绝热膨胀，热能转化为机械能以超声波形式辐射出去，即为热声效应。

热声信号主要来源于被辐照物体内部对微波的吸收差异，如果被辐照物体非常小，小到可以近似看作一个点声源，点声源在脉冲微波辐射场中移动，由于吸收体吸收系数是一样的，决定热声信号大小的唯一因素是微波辐射场的能量分布。通过测得的热声信号强度分布，能间接有效的测出脉冲微波辐射场的能量密度分布。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***。

本发明的再一目的在于提供运用上述测量***测量脉冲微波辐射场能量分布的方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，包括被测脉冲微波源、一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***、函数发生器和计算机；一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***和计算机依次连接，被测脉冲微波源设置于一体化探测器的下方，函数发生器分别与数据采集***、计算机连接；

所述的一体化探测器包括聚焦超声换能器、耦合腔、点声源和探测器信号线；聚焦超声换能器设置于耦合腔的顶部，点声源设置于耦合腔的底部，探测器信号线从聚焦超声换能器的尾端引出；探测器信号线与弱信号放大器A连接；

所述的聚焦超声换能器的主频为1～30MHz，阵元直径为6～30mm，焦距为1～8cm；聚焦超声换能器保证点声源恰好处于换能器焦点出，主要用于接收点声源产生的热声信号；

所述的耦合腔的下段为倒锥形，锥高3cm，上段为管状，管的直径为1.5mm，管长优选为5cm；耦合腔主要用于盛放声耦合媒质；

所述的耦合腔为聚乙烯耦合腔；

所述的耦合腔内装有声耦合媒质；

所述的声耦合媒质优选为水或矿物油，主要用于耦合传导热声信号；

所述的点声源为直径为1mm的碳球，用于产生热声信号；

所述的数据采集***设置有PXI总线计算机、弱信号放大器B和数据采集卡，数据采集卡插在PXI总线计算机PCI插槽上，弱信号放大器B通过BNC线连接在数据采集卡的信号输入端；数据采集***主要对超声信号进行放大和采集，采集到的信号存储于计算机；

所述的数据采集卡采用DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构***；

所述的DSP数据采集卡由数据信号处理芯片（DSP）、模数转换芯片（AD）组成；

所述的计算机设置有单元滤波反投影软件；利用malab（或c语言等）软件编写的单元滤波反投影软件将采集到的数据重建出反映脉冲微波能量密度分布的图像；

所述的单元滤波反投影软件包括滤波模块、投影画弧模块、显示模块和三维重建模块；其中滤波模块的功能在于将数据进行频域滤波，小波变化，取最大值，归一化等处理；投影画弧模块的主要作用在于将处理过的信号反投影在二维面上；显示模块的功能在于将二维图像显示到显示器上；三维重建模块的功能在于将多组二维图像组成三维图像；

所述的一体化探测器和数据采集***电气连接；

所述的一体化探测器通过支架固定在三维平台上；

所述的三维平台由刚性的支架组成，可以上下左右按步进移动，主要用于调节一体化探测器的位置，进行位置扫描；

所述的弱信号放大器A的作用是将一体化探测器探测到的热声信号放大。

所述的函数发生器的作用是同时触发脉冲微波源输出脉冲微波和数据采集***采集信号。

运用上述测量***测量脉冲微波辐射场能量分布的方法，包括以下操作步骤：

（1）将一体化探测器置于脉冲微波场中，使脉冲微波通过波导管定向向外辐射；启动基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，一体化探测器在被测脉冲微波场中逐点扫描，激发源激发一体化探测器中的点声源，点声源吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

（2）将一体化探测器固定于支架上，移动一体化探测器；点声源产生的热声信号经过一体化探测器中的耦合媒质传输，被聚焦超声换能器接收，再经过弱信号放大器A放大后，通过数据采集***采集并记录各点的热声信号，存储于计算机里；一体化探测器每移动一步，数据采集***采集一次，计算机存储一次数据；

（3）利用采集***记录的热声信号，通过Origin处理，得到微波辐射场中热声信号随探测器位置变化的曲线；

步骤（1）中：

所述的激发源为脉冲微波发生器；

所述的脉冲微波发生器的脉冲微波波长为0.01mm～1m，脉冲宽度τ为1ns～1μs；

本发明的发明机理：一体化探测器置于被测脉冲微波场中，一体化探测器中的点声源在脉冲微波的激发下，吸收能量导致瞬间温度升高，由于热弹机制激发出热声信号，热声压可以记为：

$P\left(z\right)=(\mathrm{\β}{C}^2/C_P){\mathrm{\μ}}_{a}H=\mathrm{\Γ}{\mathrm{\μ}}_{a}H\left(z\right)=\mathrm{\Γ}{\mathrm{\μ}}_a{H}_0{e}^{(-{\mathrm{\μ}}_{a}z)}$

其中：Γ为格林耐森参数，β为热膨胀系数，μ_a为吸收系数，H₀为脉冲微波能量密度；

Γ、β、μ_a只与点声源性质有关，H₀为脉冲微波场某点的能量密度，其只与所在微波场的位置有关；

相同点声源在微波场中移动，导致激发出的热声信号幅值变化，热声信号幅值的大小直接反应了一体化探测器所处位置的微波能量强弱；

通过数据采集***记录一体化探测器所处位置的热声信号，通过数据拟合，得到被测位置-热声信号幅值的关系。在实际测量中，通过被测物质温度-热声信号的关系，重建的热声图像或者一维热声信号反推分析得到被测位置的场能量，最终通过计算机实时显示脉冲微波场的能量分布图像。本***通过一体化探测器接收热声信号并通过数据采集***采集热声信号，利用DSP芯片实时重建热声图像来反应微波场能量分布或通过PXI总线传输并存储到终端；通过反演程序反演计算出脉冲微波场中给点的能量。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

（1）本发明通过一体化探测器接收热声信号并通过数据采集***采集热声信号，利用DSP芯片实时重建热声图像来反应微波场能量分布或通过PXI总线传输并存储到终端，具有实时图像重建能力，能实时得到并显示微波场能量分布；利用被测位置处点声源在微波激发下产生的热声信号幅值与位置的正相关性来反演计算微波场中某点能量密度及重建区域中的能量密度分布，具有很高的分辨率。

（2）本发明的测量***具有便携性及实时处理能力，操作简便，一体化程度高，工作稳定，连续运行时间长，各组件的造价较低。

附图说明

图1是实施例1的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***的结构示意图；其中：2-1被测脉冲微波源，2-2一体化探测器，2-3弱信号放大器A，2-4数据采集***，2-5函数发生器，2-6计算机。

图2是实施例1的一体化探测器的结构示意图；其中：1-1聚焦超声换能器，1-2耦合腔，1-3点声源，1-4探测器信号线。

图3是实施例2的热声信号强度与微波能量密度的关系曲线。

图4是实施例3的沿微波场水平方向，热声信号强度随探测器位置的变化曲线。

图5是实施例4的沿着微波场竖直方向，热声信号强队随探测器位置的变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，包括被测脉冲微波源2-1、一体化探测器2-2、弱信号放大器A2-3、数据采集***2-4、函数发生器2-5和计算机2-6；一体化探测器2-2、弱信号放大器A2-3、数据采集***2-4和计算机2-6依次连接，被测脉冲微波源2-1设置于一体化探测器2-2的下方，函数发生器2-5分别与数据采集***2-4、计算机2-6连接；

一体化探测器的结构示意图如图2所示，包括聚焦超声换能器1-1、耦合腔1-2、点声源1-3和探测器信号线1-4；聚焦超声换能器1-1设置于耦合腔1-2的顶部，点声源1-3设置于耦合腔1-2的底部，探测器信号线1-4从聚焦超声换能器1-1尾端引出；探测器信号线1-4与弱信号放大器A2-3连接；

聚焦超声换能器1-1的主频为1～30MHz，阵元直径为6～30mm，焦距为1～8cm；

耦合腔1-2的下段为倒锥形，锥高3cm，上段为管状，管的直径为1.5mm，长5cm；

耦合腔1-2为聚乙烯耦合腔；耦合腔内装有声耦合媒质；

点声源1-3为直径为1mm的碳球；

数据采集***2-4设置有PXI总线计算机、弱信号放大器B和数据采集卡，数据采集卡插在PXI总线计算机PCI插槽上，弱信号放大器B通过BNC线连接在数据采集卡的信号输入端；

数据采集卡采用DSP数据采集卡+CPU管理存储卡的结构***；

DSP数据采集卡由数据信号处理芯片（DSP）、模数转换芯片（AD）组成；

计算机2-6设置有图像重建软件；

一体化探测器2-2和数据采集***2-4电气连接；

一体化探测器通过支架固定在三维平台上；

三维平台由刚性的支架组成，可以上下左右按步进移动，进行位置扫描。

实施例2

运用实施例1的测量***测量热声信号强度与微波能量密度的关系曲线的方法，包括以下操作步骤：

（1）将一体化探测器置于脉冲微波场中，使脉冲微波（波长为0.01mm～1m）通过波导管定向向外辐射；启动基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，一体化探测器在被测脉冲微波场中保持位置不变，激发源激发一体化探测器中的点声源，点声源吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

（2）将一体化探测器固定于支架上，保持其位置不变，通过调节脉冲微波源的电压调节微波辐射能量；点声源产生的热声信号经过一体化探测器中的耦合媒质矿物油传输，被超声换能器接收，再经过弱信号放大器A放大后，通过数据采集***采集并记录各点的热声信号，存储于计算机里；每调节一次脉冲微波源电压，数据采集***采集一次，计算机存储一次数据；

（3）利用采集***记录的热声信号，通过Origin处理，得到微波辐射场中热声信号强度辐射场能量密度的变化曲线；结果如图3所示；

从图3可以看出，随着微波辐射场能量密度的增加，热声信号幅值逐渐增强。

实施例3

运用实施例1的测量***测量脉冲微波波导口水平方向的能量变化趋势的方法，包括以下操作步骤：

（1）将一体化探测器置于脉冲微波场中，使脉冲微波（波长为0.01mm～1m）通过波导管定向向外辐射；启动基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，一体化探测器在被测脉冲微波场中逐点扫描，激发源激发一体化探测器中的点声源，点声源吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

（2）将一体化探测器固定于支架上，沿波导口平面水平方向，以5mm的步距移动一体化探测器；点声源产生的热声信号经过一体化探测器中的耦合媒质矿物油传输，被超声换能器接收，再经过弱信号放大器A放大后，通过数据采集***采集并记录各点的热声信号，存储于计算机里；一体化探测器每移动一步，数据采集***采集一次，计算机存储一次数据；

（3）利用采集***记录的热声信号，通过Origin处理，得到微波辐射场中热声信号随探测器位置变化的曲线；结果如图4所示；

从图4可以看出，随着位置的变化，热声信号幅值基本保持不变，说明了在所测的区域内微波场的能量分布是均匀的。

实施例4

运用实施例1的测量***测量脉冲微波波导口竖直方向的能量密度变化趋势的方法，包括以下操作步骤：

（1）将一体化探测器置于脉冲微波场中，使脉冲微波（波长为0.01mm～1m）通过波导管定向向外辐射；启动基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，一体化探测器在被测脉冲微波场中逐点扫描，激发源激发一体化探测器中的点声源，点声源吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

（2）将一体化探测器固定于支架上，沿波导口竖直方向，以5mm的步距垂直移动一体化探测器；点声源产生的热声信号经过一体化探测器中的耦合媒质矿物油传输，被超声换能器接收，再经过弱信号放大器A放大后，通过数据采集***采集并记录各点的热声信号，存储于计算机里；一体化探测器每移动一步，数据采集***采集一次，计算机存储一次数据；

（3）利用采集***记录的热声信号，通过Origin处理，得到微波辐射场中热声信号随探测器位置变化的曲线；结果如图5所示；

从图5可以看出，随着探测器远离波导口，热声信号幅值逐渐降低，说明了在所测的区域内微波场的能量逐渐衰减。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于包括被测脉冲微波源、一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***、函数发生器和计算机；一体化探测器、弱信号放大器A、数据采集***和计算机依次连接，被测脉冲微波源设置于一体化探测器的下方，函数发生器分别与数据采集***、计算机连接；

所述的一体化探测器包括聚焦超声换能器、耦合腔、点声源和探测器信号线；聚焦超声换能器设置于耦合腔的顶部，点声源设置于耦合腔的底部，探测器信号线从聚焦超声换能器尾端引出；探测器信号线与弱信号放大器A连接。

2.根据权利要求1所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的一体化探测器和数据采集***电气连接。

3.根据权利要求1所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的聚焦超声换能器的主频为1～30MHz，阵元直径为6～30mm，焦距为1～8cm。

4.根据权利要求1所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的耦合腔的下段为倒锥形，锥高3cm，上段为管状，管的直径为1.5mm，管长5cm。

5.根据权利要求4所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的耦合腔为聚乙烯耦合腔；耦合腔内装有声耦合媒质。

6.根据权利要求5所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的声耦合媒质为水或矿物油。

7.根据权利要求1所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的点声源为直径为1mm的碳球；所述的数据采集***设置有PXI总线计算机、弱信号放大器B和数据采集卡，数据采集卡插在PXI总线计算机PCI插槽上，弱信号放大器B通过BNC线连接在数据采集卡的信号输入端。

8.根据权利要求1所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，其特征在于：所述的计算机设置有图像重建软件；所述的一体化探测器通过支架固定在三维平台上。

9.运用权利要求1～8任一项所述的基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***测量脉冲微波辐射场能量分布的方法，其特征在于包括以下操作步骤：

（1）将一体化探测器置于脉冲微波场中，使脉冲微波通过波导管定向向外辐射；启动基于热声效应的脉冲微波辐射场分布的测量***，一体化探测器在被测脉冲微波场中逐点扫描，激发源激发一体化探测器中的点声源，点声源吸收能量导致瞬间温度升高，从而应激产生热声信号；

（2）将一体化探测器固定于支架上，移动一体化探测器；点声源产生的热声信号经过一体化探测器中的耦合媒质传输，被超声换能器接收，再经过弱信号放大器A放大后，通过数据采集***采集并记录各点的热声信号，存储于计算机里；一体化探测器每移动一步，数据采集***采集一次，计算机存储一次数据；

（3）利用采集***记录的热声信号，通过Origin处理，得到微波辐射场中热声信号随探测器位置变化的曲线；

步骤（1）中所述的激发源为脉冲微波发生器，脉冲微波发生器的脉冲微波波长为0.01mm～1m，脉冲宽度τ为1ns～1μs。

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