CN104677944A - 一种微波调频热波成像***及方法 - Google Patents
一种微波调频热波成像***及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104677944A CN104677944A CN201510132699.1A CN201510132699A CN104677944A CN 104677944 A CN104677944 A CN 104677944A CN 201510132699 A CN201510132699 A CN 201510132699A CN 104677944 A CN104677944 A CN 104677944A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- amplitude
- checked object
- microwave
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 57
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims abstract description 37
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000008901 benefit Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000001931 thermography Methods 0.000 claims description 55
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 25
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims description 17
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 15
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 13
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 8
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 7
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000036039 immunity Effects 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 3
- 101150004141 Vcan gene Proteins 0.000 claims description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000002059 diagnostic imaging Methods 0.000 abstract description 6
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 5
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 4
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 2
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001575 pathological effect Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000001225 therapeutic effect Effects 0.000 description 2
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000019522 cellular metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004587 chromatography analysis Methods 0.000 description 1
- 238000003759 clinical diagnosis Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 238000001647 drug administration Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 210000005075 mammary gland Anatomy 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000010587 phase diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种微波调频热波成像***及方法。***采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象表面的温度。设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值；对温度信号和参考信号进行互相关，提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值；对温度信号和参考信号进行频域互相关，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间等作为特征值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及***具有抗干扰性强、深度信息丰富、检测时间短等优势，可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。
Description
技术领域
本发明属于无损检测、目标探测和医学成像等技术领域，特别是涉及一种微波热成像检测、探测和成像***及方法。
背景技术
随着现代科学和工业技术的发展，无损检测技术已成为保证产品质量和设备运行安全的必要手段。目前具有代表性的无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、磁粉检测、涡流检测以及热成像检测等技术。
热成像检测技术采用热源对被检对象进行加热，采用热像仪观测和记录被检对象表面的温度变化信息，以对被检对象表面及内部的缺陷进行检测和评估。热成像检测技术具有非接触、非破坏、无需耦合、检测面积大、速度快等优点，已广泛应用于航空、航天、石油、化工、电力、核能等领域。
热成像检测技术可以分为脉冲热成像检测技术、阶跃热成像检测技术、锁相热成像检测技术、脉冲相位热成像检测技术以及调频热成像检测技术。脉冲热成像检测技术需要高能量短时脉冲进行加热，可能对被检对象的表面造成热损伤。阶跃热成像检测技术采用长脉冲进行加热，易受加热不均匀、表面发射率变化等影响。锁相热成像检测技术采用单频热波进行加热，采用幅值图像和相位图像进行缺陷检测，具有可抑制加热不均匀、表面发射率变化等优势，但是每次检测只含有一个频率成分，检测时间长。脉冲相位热成像检测技术融合了脉冲和锁相热成像检测技术的优点，采用多个频率的相位图进行缺陷检测，但是高频成分能量较低。调频热成像检测技术改进了脉冲相位热成像检测技术，采用调频热波进行加热，即含有多个频率成分，各个频率的能量又足够大，可以改进深度分辨率。
热成像检测技术采用的热源多种多样，从物理角度而言，有闪光灯、超声波、涡流、激光等。根据热源物理性质的不同，热成像检测技术包含闪光灯热成像检测技术、超声波热成像检测技术、涡流热成像检测技术和激光热成像检测技术等。
微波加热（Microwave heating）就是利用微波的能量特征，对物体进行加热的过程，具有加热均匀、速度快、可选择性加热、热惯性小、无污染等特点。国外已有学者对微波热成像检测技术进行了研究。文献[1]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术，采用热像图上某一路径的温度轮廓线进行缺陷检测。文献[2]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术，采用脉冲调制微波进行加热，采用不同时刻的热像图进行缺陷检测。文献[3]提供了一种微波锁相热成像检测技术，采用函数发生器和继电器控制微波炉的开关，采用快速傅里叶变换提取幅值和相位信息。现有微波热成像缺陷检测技术存在以下不足：1）缺陷检测方法依赖原始的热像图和瞬态温度曲线，易受噪声干扰；2）难以克服加热不均匀和表面发射率的干扰；3）获得不同深度的信息需要的检测时间长。
热成像是一种主要的医学成像技术，通过探测人体体表的热辐射进行疾病的诊断。热成像技术早在1970年就应用于乳腺疾病的诊断。美国食品药品监督管理局于1983年正式批准热成像技术可应用于临床诊断。随着计算机技术和探测传感器技术的高速发展，开发出红外热层析成像技术。该技术除了具有常规热成像技术的功能外，还可利用计算机技术结合恰当的数学模型对热像进行分析和解读，获得体内的热源深度、形状、分布、热辐射值，并依据正常和异常细胞代谢热辐射的差别进行分析，方便医生对热像图进行判断。
近年来，已有学者对微波热成像诊断技术进行了研究。文献[4]提出了计算机编码的脉冲调制微波辐照生物组织，采用红外热成像的方式观察分层仿生体模中各层的温度分布。文献[5]采用红外热成像仪测量微波辐射器辐照之后分层仿生体模的表面温度，对微波热疗中透热深度进行了研究。
一些学者对微波热成像目标探测技术进行了研究。文献[6]提供了一种微波热成像目标探测***及方法，采用不同时刻的热像图对埋在地下的目标进行探测。
本发明公开一种微波调频热波成像（Microwave frequency modulated thermal wave imaging, MW-FMTWI）***及方法。具有抗干扰性强、深度信息丰富、检测时间短等优点，可广泛应用于复合材料、非金属材料的无损检测、生物组织的医学成像以及地下目标的探测等领域。
参考文献。
[1]. Cheng L, Tian G Y, Szymanik B. Feasibility studies on microwave heating for nondestructive evaluation of glass fibre reinforced plastic composites[A]. In Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2011 IEEE[C], 2011: 1-6。
[2]. Keo S-A, Defer D, Breaban F, etc. Comparison between Microwave Infrared Thermography and CO2 Laser Infrared Thermography in Defect Detection in Applications with CFRP[J]. Materials Sciences and Applications, 2013, 4(10): 600-605。
[3]. Galietti U, Palumbo D, Calia G, etc. Non destructive evaluation of composite materials with new thermal methods[A]. In 15th European Conference on Composite Materials[C], 2012。
[4]. 马国军, 江国泰, 孙兵. 脉冲调制微波辐照生物组织的热效应及红外热成像研究[J]. 红外与毫米波学报, 2012, 31(1): 52-56。
[5]. 孙兵, 江国泰, 陆晓峰, 等. 基于红外热成像的微波热疗透热深度[J]. 强激光与粒子束, 2009, 21(8): 1194-1198。
[6]. Swiderski W, H?osta P, Szugajew L, etc. Microwave enhancement on thermal detection of buried objects[A]. In 11th International Conference on Quantitative InfraRed Thermography[C], 2012。
发明内容
本发明目的是针对现有微波热成像技术的不足，提供一种微波调频热波成像***及方法。***由控制模块、微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置、热像仪、计算机及多个算法模块等组成。***采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象表面的温度信号。设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，获得频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值；对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值；对温度信号和参考信号进行频域互相关，获得不同延迟时间的互相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间作为特征值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及***可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。
一种微波调频热波成像***，主要包括：
1)控制模块，用于设定***工作参数，触发***开始运行；
2)微波产生装置，用于产生频率固定的连续微波，并传输到幅度调制装置；
3)调频信号产生装置，用于产生调频信号，如线性调频信号或其它非线性调频信号，并传输到幅度调制装置；
4)幅度调制装置，用于把微波和调频信号进行幅度调制产生激励信号，并把激励信号传输给天线；
5)天线，用于发射激励信号至被检对象；
6)热像仪，用于记录被检对象的被检区域表面随时间变化的温度信号，并把温度信号传输给计算机；
7)微波防护装置，用于防止微波泄漏；
8)被检对象，被检测的对象，其内部可能含有裂纹、气泡、脱层、水分等损伤或肿瘤等病变组织（以下简称缺陷或肿瘤等病变组织为缺陷）；
9)计算机，用于存储、显示、处理和分析温度信号，并执行以下模块；
10)参考信号设定模块，用于设定参考信号；
11)傅里叶变换模块，把温度信号和参考信号进行傅里叶变换，提取特征值；
12)时域互相关模块，把温度信号和参考信号进行时域互相关，提取特征值；
13)频域互相关模块，把温度信号和参考信号进行频域互相关，提取特征值；
14)成像模块，把被检区域每个像素点的特征值进行成像显示。
基于一种微波调频热波成像***的一种微波调频热波成像方法，包括如下14个步骤：
1)把被检对象置于微波防护装置里边，调整好天线和被检对象的位置，使天线可对被检对象的被检区域进行加热，调整热像仪的位置和各项参数，使热像仪的视场覆盖被检对象的被检区域。
2)采用控制模块设定***工作参数，触发***开始运行。
3)微波产生装置为磁控管，产生频率为0.915G或2.45GHz的连续微波，并把微波传输到幅度调制装置。
4)调频信号产生装置产生调频信号，如线性调频信号或其它非线性调频信号，并把调频信号传输到幅度调制装置。
5)幅度调制装置把微波和调频信号进行幅度调制，产生激励信号，并把激励信号传输到天线。
6)天线把激励信号发射到被检对象的被检区域，对被检区域进行体积型加热，被检对象内部产生不同频率的热波。
7)热像仪记录被检对象的被检区域表面随时间变化的温度信号，并把温度信号传输给计算机，该温度信号可反映被检对象内部缺陷造成的热波异常。
8)控制模块控制微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置等结束运行。
9)计算机存储温度信号，并运行以下模块。
10)参考信号设定模块设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。
11)傅里叶变换模块对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率等参数作为特征值。
12)时域互相关模块对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等参数作为特征值。
13)频域互相关模块对调频信号和温度信号进行频域互相关，获得不同延迟时间的互相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及互相关幅值和相位的峰值延迟时间等参数作为特征值。
14)成像模块对被检区域内所有像素的温度信号重复步骤11)-13)，获得每个像素点的特征值，进行成像显示，并对被检对象的内部缺陷进行检测识别。
附图说明
图1示出了一种微波调频热波成像***的示意图。
图2示出了调频信号、激励信号、温度信号和参考信号的示意图。
图3示出了傅里叶变换模块的实现框图。
图4示出了时域互相关模块的实现框图。
图5示出了频域互相关模块的实现框图。
图6示出了本发明用于埋地目标探测时的示意图。
附图标记说明：1-控制模块；2-微波产生装置；3-调频信号产生装置；4-幅度调制装置；5-天线；6-热像仪；7-微波防护装置；8-被检对象；9-计算机；10-参考信号设定模块；11-傅里叶变换模块；12-时域互相关模块；13-频域互相关模块；14-成像模块；15-调频信号；16-激励信号；17-温度信号；18-参考信号；19-土地；20-埋地目标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。
图1是一种微波调频热波成像***的示意图，主要包含：控制模块1、微波产生装置2、调频信号产生装置3、幅度调制装置4、天线5、热像仪6、微波防护装置7、被检对象8、计算机9、参考信号设定模块10、傅里叶变换模块-11、时域互相关模块12、频域互相关模块13、成像模块14等。
基于一种微波调频热波成像***的一种微波调频热波成像方法的具体实施步骤如下：
1)把被检对象8置于微波防护装置7中；调整好天线5和被检对象8的位置，使天线5可对被检对象8的被检区域进行加热；调整热像仪6的位置和各项参数，使热像仪6的视场覆盖被检对象8的被检区域。
2)采用控制模块1设定***工作参数，触发***开始运行。
3)微波产生装置2为磁控管，产生频率为0.915G或2.45GHz的连续微波，并把微波传输到幅度调制装置4。
4)调频信号产生装置3产生调频信号，调频信号产生装置产生线性调频信号或非线性调频信号，图2（A）示出了线性调频信号15；调频信号的各项参数可以调整，调频信号的最小频率决定了本发明所能检测的最大深度，计算公式为：
上式中，α为被检对象的热扩散系数，f t 为最小频率。
5)幅度调制装置4把微波和调频信号进行幅度调制，产生激励信号16；如调频信号15是线性调频的，则激励信号16也是线性调频的，如调频信号15是非线性调频的，则激励信号16也是非线性调频的；图2（B）示出了线性调频的激励信号16。
6)天线5把激励信号16发射到被检对象8的被检测区域，对被检对象进行体积型加热，加热功率P可表示为：
上式中，ω为微波角频率，ε 0为绝对介电常数，ε’’为损耗因子，E为微波电场，V为被检对象体积。由于微波电场正比于激励信号16的幅值，因此加热功率也随着激励信号的幅值进行变化。由于调频信号15包含多个频率成分，因此，被检对象8产生的热量也包含多个频率成分，即被检对象8内部产生多个不同频率的热波；如果被检对象8中存在缺陷，则缺陷区域产生的热量与等同体积的被检对象材料产生的热量不同，就会造成被检对象内部的热波异常。
7)热像仪6记录被检对象8表面随时间变化的温度信号，并把温度信号传输给计算机9；被检对象8表面的温度可以表示为：
上式中，ω为微波角频率，ε 0为绝对介电常数，ε’’为损耗因子，E为微波电场，M为被检对象质量，ρ为被检对象密度，Cp为被检对象热容量，t为时间。可见，被检对象8的温度信号也是随着激励信号的幅值逐渐变化的；如图2（C）所示，温度信号17变化的趋势与调频信号15的幅度变化基本类似；缺陷造成的热波异常能否传递到被检对象8表面，是缺陷能否被检测的关键。根据热波理论，热波的扩散深度μ可表示为：
扩散速度v可以表示为：
上式中，α为被检对象的热扩散系数，ω t 为热波角频率。可见，频率较低的热波扩散速度慢，但是扩散深度大。可见，当缺陷深度较小时，高频和低频的热波异常都会扩散到表面。当缺陷深度较大时，只有低频的热波异常会扩散到表面。因此，通过分析被检对象8表面的温度信号就可以分析不同频率的热波异常，进一步对缺陷进行检测。
8)控制模块1控制微波产生装置2、调频信号产生装置3、幅度调制装置4等结束运行。
9)计算机9存储温度信号，并运行以下模块。
10)参考信号设定模块10设定调频信号15或无缺陷区域的温度信号为参考信号18，图2（C）示出了参考信号18。
11)傅里叶变换模块11对温度信号17和参考信号18进行快速傅里叶变换，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率等作为特征值；傅里叶变换公式可表示为：
上式中，s(nΔt)是温度信号，R(f)和I(f)分别为实部和虚部，则幅值和相位的计算公式可表示为：
上式中，A(f)和φ(f)分别为幅值和相位。图3示出了傅里叶变换模块11的实现框图。第一步，对温度信号17进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率作为特征值；第二步，对参考信号18进行快速傅里叶变换，得到频域的参考幅值和相位信号；第三步，从频域的幅值和相位信号中减去频域的参考幅值和相位信号，得到频域的差分幅值和相位信号，提取特定频率的差分幅值和相位以及差分幅值和相位的峰值频率等作为特征值。
12)时域互相关模块12对温度信号17和参考信号18进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等作为特征值；互相关函数的计算公式可表示为：
上式中，s(t)为温度信号17，ref(t)为参考信号18。图4示出了时域互相关模块12的实现框图。
13)频域互相关模块13对温度信号17和参考信号18进行频域互相关，获得不同延迟时间的互相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及互相关幅值和相位的峰值延迟时间作为特征值。互相关幅值的计算公式可表示为：
上式中，REF(ω)是参考信号的傅里叶变换，S(ω)是温度信号的傅里叶变换，F -1 表示逆傅里叶变换，*代表复共轭运算；互相关相位可表示为：
上式中，sgn(ω)是符号函数。图5示出了频域互相关模块13的实现框图。第一步，对参考信号18进行快速傅里叶变换和复共轭运算后得到频域参考信号；第二步，对参考信号18进行希尔伯特变换得到正交参考信号，对正交参考信号进行傅里叶变换和复共轭运算后得到频域正交参考信号；第三步，对温度信号17进行傅里叶变换得到频域信号；第四步，对频域信号和频域参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶变换和求实部运算后得到实部信号；第五步，对频域信号和频域正交参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶变换和求实部运算后得到虚部信号；第六步，对实部信号和虚部信号求幅值和相位后，得到互相关幅值和相位信号；第七步，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位作为特征值，提取互相关幅值和相位的峰值延迟时间作为特征值。
14)成像模块14对被检区域内所有像素的温度信号重复步骤11)-13)，获得每个像素点的多个特征值，进行成像显示，对被检对象内部的缺陷进行检测识别，对被检对象不同深度的信息进行成像。采用步骤11)获得的峰值频率、步骤12)获得的峰值延迟时间、步骤13)获得的峰值延迟时间等特征值进行成像，可检测被检对象内部是否存在缺陷，具有对比度高、抗干扰性强等优势；采用步骤11)获得的不同频率的幅值和相位进行成像，可观察被检对象不同深度是否存在缺陷，频率越小，所对应的检测深度越大，对应公式为：
上式中，μ为检测深度，ω t 为热波角频率。采用步骤12)获得的不同延迟时间的相关系数、步骤13)获得的不同延迟时间的互相关幅值和相位等特征值进行成像，可观察被检对象不同深度是否存在缺陷，延迟时间越大，所对应的检测深度越大，对应公式为：
上式中，τ为延迟时间。
在上面的实施例中，***配置在反射检测方式，即天线5和热像仪6置于被检对象8的同侧。在实际检测中，热像仪6也可以置于被检对象8的两侧或背面。
上面的实施例介绍了本发明用于无损检测和医学成像。本发明也可用于目标探测，如地雷检测。如图6所示，19为土地，20为埋地目标，如地雷等。采用本发明可探测19中是否存在埋地目标20。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明权利要求下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，在不脱离本发明前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种微波调频热波成像***及方法，其特征在于，***采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象表面的温度信号；设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号；对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，获得频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值；对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间等作为特征值；对温度信号和参考信号进行频域互相关，获得不同延迟时间的互相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间等作为特征值；采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。
2.根据权利要求1所述的一种微波调频热波成像***，其特征在于，主要包括：控制模块、微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置、天线、热像仪、微波防护装置、被检对象、计算机、参考信号设定模块、傅里叶变换模块、时域互相关模块、频域互相关模块、成像模块等。
3.根据权利要求1所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于包括如下步骤：
1)把被检对象置于微波防护装置里边，调整好天线和被检对象的位置，使天线可对被检对象的被检区域进行加热，调整热像仪的位置和各项参数，使热像仪的视场覆盖被检对象的被检区域；
2)采用控制模块设定***工作参数，触发***开始运行；
3)微波产生装置为磁控管，产生频率为0.915G或2.45GHz的连续微波，并把微波传输到幅度调制装置；
4)调频信号产生装置产生调频信号，如线性调频信号或其它非线性调频信号，并把调频信号传输到幅度调制装置；
5)幅度调制装置把微波和调频信号进行幅度调制，产生激励信号；如调频信号是线性调频的，则激励信号也是线性调频的；如调频信号是非线性调频的，则激励信号也是非线性调频的；幅度调制装置把激励信号传输到天线；
6)天线把激励信号发射到被检对象的被检区域，对被检区域进行体积型加热，被检对象内部产生不同频率的热波；
7)热像仪记录被检对象的被检区域表面随时间变化的温度信号，并把温度信号传输给计算机，该温度信号可反映被检对象内部由缺陷造成的热波异常；
8)控制模块控制微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置等结束运行；
9)计算机存储温度信号，并运行以下模块；
10)参考信号设定模块设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号；
11)傅里叶变换模块对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率等参数作为特征值；
12)时域互相关模块对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等参数作为特征值；
13)频域互相关模块对调频信号和温度信号进行频域互相关，获得不同延迟时间的互相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及互相关幅值和相位的峰值延迟时间等参数作为特征值；
14)成像模块对被检区域内所有像素的温度信号重复步骤11)-13)，获得每个像素点的特征值，进行成像显示，对被检对象的内部缺陷进行检测识别，对被检对象不同深度的信息进行成像。
4.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，调频信号产生装置产生线性调频信号或非线性调频信号，且调频信号的各项参数可以调整；调频信号的最小频率决定了本发明所能检测的最大深度，计算公式为：
上式中，α为被检对象的热扩散系数，f t 为调频信号的最小频率。
5.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，天线对被检对象进行体积型加热，加热功率P可表示为：
上式中，ω为微波角频率，ε 0为绝对介电常数，ε’’为损耗因子，E为微波电场，V为被检对象体积；由于微波电场正比于激励信号的幅值，因此加热功率也随着激励信号的幅值进行变化；由于激励信号包含多个频率成分，因此，被检对象产生的热量也包含多个频率成分，即被检对象内部产生多个不同频率的热波；如果被检对象中存在缺陷，则缺陷区域产生的热量与等同体积的被检对象材料产生的热量不同，就会造成被检对象内部的热波异常。
6.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，被检对象表面的温度变化可以反映内部缺陷的情况；被检对象表面的温度可以表示为：
上式中，ω为微波角频率，ε 0为绝对介电常数，ε’’为损耗因子，E为微波电场，M为被检对象质量，ρ为被检对象密度，Cp为被检对象热容量，t为时间；被检对象表面的温度信号也是随着激励信号的幅值逐渐变化的，变化的趋势与调频信号的幅度变化基本类似；缺陷造成的热波异常能否传递到被检对象表面，是决定缺陷能否被检测的关键；根据热波理论，热波的扩散深度μ可表示为：
扩散速度v可以表示为：
上式中，α为被检对象的热扩散系数，ω t 为热波角频率；可见，频率较低的热波扩散速度慢，但是扩散深度大；当缺陷深度较小时，高频和低频的热波异常都会扩散到表面；当缺陷深度较大时，只有低频的热波异常会扩散到表面；因此，通过分析被检对象表面的温度信号，就可以分析不同频率的热波异常，进一步对被检对象内部的缺陷进行检测。
7.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，傅里叶变换模块的实现方法是：第一步，对温度信号进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率作为特征值；第二步，对参考信号进行快速傅里叶变换，得到频域的参考幅值和相位信号；第三步，从频域的幅值和相位信号中减去频域的参考幅值和相位信号，得到频域的差分幅值和相位信号，提取特定频率的差分幅值和相位以及差分幅值和相位的峰值频率等作为特征值。
8.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，时域互相关模块的实现方法是，对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等作为特征值。
9.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，频域互相关模块的实现方法是：第一步，对参考信号进行快速傅里叶变换和复共轭运算后得到频域参考信号；第二步，对参考信号进行希尔伯特变换得到正交参考信号，对正交参考信号进行傅里叶变换和复共轭运算后得到频域正交参考信号；第三步，对温度信号进行傅里叶变换得到频域信号；第四步，对频域信号和频域参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶变换和求实部运算后得到实部信号；第五步，对频域信号和频域正交参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶变换和求实部运算后得到虚部信号；第六步，对实部信号和虚部信号求幅值和相位后，得到互相关幅值和相位信号；第七步，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位作为特征值，提取互相关幅值和相位的峰值延迟时间作为特征值。
10.根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，成像模块的实现方法是：对被检区域内所有像素的温度信号重复根据权利要求3中步骤11)-13)，获得每个像素点的多个特征值；采用根据权利要求3步骤11)获得的峰值频率、步骤12)获得的峰值延迟时间、步骤13)获得的峰值延迟时间等特征值进行成像，可检测被检对象内部是否存在缺陷，具有对比度高、抗干扰性强等优势；采用根据权利要求3步骤11)获得的不同频率的幅值和相位进行成像，可观察被检对象不同深度处是否存在缺陷，频率越小，所对应的检测深度越大，对应公式为：
上式中，μ为检测深度，ω t 为热波角频率；采用根据权利要求3步骤12)获得的不同延迟时间的相关系数、步骤13)获得的不同延迟时间的互相关幅值和相位等特征值进行成像，可观察被检对象不同深度处是否存在缺陷，延迟时间越大，所对应的检测深度越大，对应公式为：
上式中，τ为延迟时间。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510132699.1A CN104677944B (zh) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | 一种微波调频热波成像***及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510132699.1A CN104677944B (zh) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | 一种微波调频热波成像***及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104677944A true CN104677944A (zh) | 2015-06-03 |
| CN104677944B CN104677944B (zh) | 2018-04-17 |
Family
ID=53313292
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510132699.1A Active CN104677944B (zh) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | 一种微波调频热波成像***及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104677944B (zh) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105686810A (zh) * | 2015-07-31 | 2016-06-22 | 上海温尔信息科技有限公司 | 一种温度测量方法及装置 |
| CN107462599A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-12-12 | 长沙学院 | 一种微波热声检测监测***及方法 |
| CN107543843A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-01-05 | 重庆交通大学 | 一种基于微波热成像的钢结构锈蚀检测装置及方法 |
| CN107764851A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-03-06 | 苏州创新达成塑胶模具有限公司 | 一种高温材料的检测装置 |
| CN107782748A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-03-09 | 福建师范大学福清分校 | 基于矩阵分解的微波热成像无损检测***及检测方法 |
| CN107782786A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-03-09 | 重庆交通大学 | 一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法 |
| CN108652595A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-16 | 健康力（北京）医疗科技有限公司 | 一种红外热成像***和热成像方法 |
| CN108814558A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-11-16 | 哈尔滨商业大学 | 一种基于调频激励热图的皮肤肿瘤无损检测***与方法 |
| CN108918557A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-11-30 | 哈尔滨理工大学 | 一种非导电性产品结构缺陷无损检测的方法 |
| WO2018219610A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Adolphe Merkle Institute, University Of Fribourg | Method for characterizing particles producing heat when exposed to light and device for carrying out the method |
| CN109490365A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-03-19 | 福建师范大学福清分校 | 一种微波热声监测***及监测方法 |
| CN109900742A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-18 | 哈尔滨商业大学 | 一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置及方法 |
| CN110849936A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-02-28 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种gis管道缺陷在线检测装置及方法 |
| CN111999340A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-27 | 电子科技大学 | 基于微波加热的植物叶片水分和离子分布成像装置及方法 |
| CN112486015A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-12 | 东南大学 | 一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法 |
| CN112595755A (zh) * | 2019-10-01 | 2021-04-02 | 通用电气公司 | 检查***和方法 |
| CN113358697A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-07 | 东南大学 | 基于非线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN113820360A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-12-21 | 东南大学 | 一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN114441598A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 胜科纳米(苏州)股份有限公司 | 一种3d堆叠封装集成电路芯片及其失效定位方法和装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10053112A1 (de) * | 2000-10-26 | 2002-05-16 | Bosch Gmbh Robert | Vorrichtung und Verfahren zur thermografischen Analyse von Prüflingen |
| CN1696674A (zh) * | 2005-06-24 | 2005-11-16 | 首都师范大学 | 红外热波检测层析图像的重建方法 |
| CN102033081A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-04-27 | 哈尔滨工业大学 | 基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法 |
| US20120274778A1 (en) * | 2011-04-27 | 2012-11-01 | General Electric Company | System and method for thermographic inspection |
| CN103901073A (zh) * | 2014-04-22 | 2014-07-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于移相调频的光热成像检测方法 |
| EP2840385A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-25 | DCG Systems, Inc. | Lock-in thermography method and system for determining material layer parameters of a sample |
-
2015
- 2015-03-25 CN CN201510132699.1A patent/CN104677944B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10053112A1 (de) * | 2000-10-26 | 2002-05-16 | Bosch Gmbh Robert | Vorrichtung und Verfahren zur thermografischen Analyse von Prüflingen |
| CN1696674A (zh) * | 2005-06-24 | 2005-11-16 | 首都师范大学 | 红外热波检测层析图像的重建方法 |
| CN102033081A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-04-27 | 哈尔滨工业大学 | 基于图像序列处理的红外锁相热波无损检测方法 |
| US20120274778A1 (en) * | 2011-04-27 | 2012-11-01 | General Electric Company | System and method for thermographic inspection |
| EP2840385A1 (en) * | 2013-08-23 | 2015-02-25 | DCG Systems, Inc. | Lock-in thermography method and system for determining material layer parameters of a sample |
| CN103901073A (zh) * | 2014-04-22 | 2014-07-02 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于移相调频的光热成像检测方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HE Y. ET AL.: "An investigation into eddy current pulsed thermography for detection of corrosion blister", 《CORROSION SCIENCE》 * |
| 孙兵 等: "基于红外热成像的微波热疗透热深度", 《强激光与粒子束》 * |
| 高军哲 等: "基于调频激励和细化谱分析的多频涡流检测技术研究", 《仪器仪表学报》 * |
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105686810A (zh) * | 2015-07-31 | 2016-06-22 | 上海温尔信息科技有限公司 | 一种温度测量方法及装置 |
| WO2018219610A1 (en) * | 2017-05-30 | 2018-12-06 | Adolphe Merkle Institute, University Of Fribourg | Method for characterizing particles producing heat when exposed to light and device for carrying out the method |
| US11467108B2 (en) | 2017-05-30 | 2022-10-11 | Nanolockin Gmbh | Method for characterizing particles producing heat when exposed to light and device for carrying out the method |
| CN107462599A (zh) * | 2017-08-21 | 2017-12-12 | 长沙学院 | 一种微波热声检测监测***及方法 |
| CN107543843A (zh) * | 2017-09-18 | 2018-01-05 | 重庆交通大学 | 一种基于微波热成像的钢结构锈蚀检测装置及方法 |
| CN107782786A (zh) * | 2017-09-27 | 2018-03-09 | 重庆交通大学 | 一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法 |
| CN107782786B (zh) * | 2017-09-27 | 2024-05-28 | 重庆交通大学 | 一种基于脉冲微波致热测振的钢结构锈蚀检测装置及方法 |
| CN107764851A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-03-06 | 苏州创新达成塑胶模具有限公司 | 一种高温材料的检测装置 |
| CN107782748A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-03-09 | 福建师范大学福清分校 | 基于矩阵分解的微波热成像无损检测***及检测方法 |
| CN107782748B (zh) * | 2017-11-20 | 2023-12-19 | 福建技术师范学院 | 基于矩阵分解的微波热成像无损检测***及检测方法 |
| CN108652595A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-16 | 健康力（北京）医疗科技有限公司 | 一种红外热成像***和热成像方法 |
| CN108652595B (zh) * | 2018-03-30 | 2021-05-11 | 健康力（北京）医疗科技有限公司 | 一种红外热成像***和热成像方法 |
| CN108814558A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-11-16 | 哈尔滨商业大学 | 一种基于调频激励热图的皮肤肿瘤无损检测***与方法 |
| CN108918557A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-11-30 | 哈尔滨理工大学 | 一种非导电性产品结构缺陷无损检测的方法 |
| CN109490365A (zh) * | 2018-09-26 | 2019-03-19 | 福建师范大学福清分校 | 一种微波热声监测***及监测方法 |
| CN109900742A (zh) * | 2019-04-03 | 2019-06-18 | 哈尔滨商业大学 | 一种线性和非线性调频混合激励制冷式检测碳纤维复合材料脱粘缺陷装置及方法 |
| CN112595755A (zh) * | 2019-10-01 | 2021-04-02 | 通用电气公司 | 检查***和方法 |
| CN110849936A (zh) * | 2019-11-27 | 2020-02-28 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院 | 一种gis管道缺陷在线检测装置及方法 |
| CN111999340A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-11-27 | 电子科技大学 | 基于微波加热的植物叶片水分和离子分布成像装置及方法 |
| CN112486015B (zh) * | 2020-12-07 | 2022-10-11 | 东南大学 | 一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法 |
| CN112486015A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-12 | 东南大学 | 一种新型咖啡机温度抗干扰控制方法 |
| CN113358697B (zh) * | 2021-04-27 | 2022-03-29 | 东南大学 | 基于非线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN113358697A (zh) * | 2021-04-27 | 2021-09-07 | 东南大学 | 基于非线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN113820360A (zh) * | 2021-08-19 | 2021-12-21 | 东南大学 | 一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN113820360B (zh) * | 2021-08-19 | 2022-12-27 | 东南大学 | 一种基于正交相位编码线性调频的高分辨率光热脉冲压缩热成像检测方法 |
| CN114441598A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-05-06 | 胜科纳米(苏州)股份有限公司 | 一种3d堆叠封装集成电路芯片及其失效定位方法和装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104677944B (zh) | 2018-04-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104677944A (zh) | 一种微波调频热波成像***及方法 | |
| CN104713906B (zh) | 一种微波锁相热成像***及方法 | |
| CN104698035A (zh) | 一种微波阶跃热成像检测和层析成像方法及*** | |
| Wang et al. | Image processing based quantitative damage evaluation in composites with long pulse thermography | |
| Vavilov et al. | Review of pulsed thermal NDT: Physical principles, theory and data processing | |
| Pitarresi | Lock-in signal post-processing techniques in infra-red thermography for materials structural evaluation | |
| CN107782748B (zh) | 基于矩阵分解的微波热成像无损检测***及检测方法 | |
| Wang et al. | Quantitative non-destructive evaluation of CFRP delamination defect using laser induced chirp-pulsed radar photothermal tomography | |
| Palumbo et al. | Quantitative damage evaluation of composite materials with microwave thermographic technique: feasibility and new data analysis | |
| CN104764713B (zh) | 太赫兹瞬态热成像检测和层析成像***及方法 | |
| Kang et al. | Direct sampling method for imaging small dielectric inhomogeneities: analysis and improvement | |
| Wang et al. | A comparative study of non-destructive evaluation of glass fiber reinforced polymer composites using terahertz, x-ray, and ultrasound imaging | |
| Wang et al. | Study of the skin depth and defect detection in carbon fiber composites with Terahertz waves | |
| Mirala et al. | Active microwave thermography to detect and locate water ingress | |
| Yi et al. | Inverse reconstruction of fibre orientation in multilayer CFRP using forward FEM and eddy current pulsed thermography | |
| Vavilov et al. | Dynamic thermal tomography of composites: a comparison of reference and reference-free approaches | |
| Blanche et al. | Analysis of geomaterials using frequency modulated continuous wave radar in the X-band | |
| Sreeshan et al. | Enhancement of thermographic images of composite laminates for debond detection: An approach based on Gabor filter and watershed | |
| Shi et al. | Study on the detection of CFRP material with subsurface defects using barker-coded thermal wave imaging (BC-TWI) as a nondestructive inspection (NDI) tool | |
| Peng et al. | Dynamic thermal tomography based on continuous wavelet transform for debonding detection of the high silicon oxygen phenolic resin cladding layer | |
| Zhang et al. | Sand moisture assessment using instantaneous phase information in ground penetrating radar data | |
| Peng et al. | Pulse phase dynamic thermal tomography investigation on the defects of the solid-propellant missile engine cladding layer | |
| Halabe | Non-destructive evaluation (NDE) of composites: techniques for civil structures | |
| Apaydın et al. | Extracting tomographic images of interior structures of cylindrical objects and trees using Ground Penetrating Radar method | |
| CN204945069U (zh) | 一种浮空器囊体材料热合检测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231013 Address after: 101300 room 414, 4th floor, building 1-11, courtyard 9, Linhe Avenue, Shunyi District, Beijing Patentee after: Beijing longzhiyuan Technology Development Co.,Ltd. Address before: 410000 wanguocheng, No. 199, Fuyuan West Road, Kaifu District, Changsha City, Hunan Province Patentee before: He Binze |
|
| TR01 | Transfer of patent right |