[发明专利]一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法及系统

权利要求书

1.一种纳秒脉冲电场诱导热声信号处理方法，其特征在于，目标体和A，B两个电极的极板间填充绝缘油，采用电极施加纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；利用有限元方法求解得到目标体的电标位，再求解目标体内的电场强度和电流密度；因目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，且目标体的热函数与其电导率分布有关，从而最终获得目标体声信号与电导率的分布关系；在目标体中产生感应电场需要的脉冲电压幅值为10-30KV，脉宽在10-500ns之间；

具体处理步骤包括：

将目标体置于目标区域内，在目标体和A，B两个电极的极板之间填充电导率为0的绝缘油，并将超声探头和目标体浸没在绝缘油当中，采用A，B两个电极对目标区域内施加一个纳秒宽的脉冲电压U(t)，通过超声探头采集声信号；

①由于目标体由非导电介质包裹，目标体中的电场是通过电解质感应产生的，因此符合安培定律：

其中，是哈密尔顿算子，J是电流密度，j是虚数单位，E是电场强度，D是电位移矢量，t是时间，ω是频率，ε是介电常数，σ是电导率，由于绝缘油中电导率为0，目标体中介电常数相对于电导率大小能够忽略不计，由此在绝缘油能够忽略σ^*的实部，在目标体中能够忽略σ^*的虚部，即σ^*＝σ；

②由于目标体内中的电场是通过电解质感应产生的，感应的磁场非常小，故采用电准静态近似，纳秒脉冲电场诱导热声成像能够描述为

其中，是电标位，U为上极板的电压，r为区域，∈表示属于关系，Σ₁为高压电极板所在平面，Σ₂为无限大的平面，Σ_3-6为无穷远处的平面，n是边界的法向单位矢量；

③通过上式能够求得目标区域电标位进而目标区域内的电场强度能够描述为：

目标体内的电流密度J为：

J＝σE (4)

由于有电流经过，目标体会吸收焦耳热，热函数H为

H(r,t)＝σE²(r,t) (5)

④通过上式能够构建出热函数图像H(r,t)，目标体吸收焦耳热膨胀会产生超声信号，声压满足的波动方程为

其中，p为目标体激发的声源图像，c₀为绝缘油中的声速，β为目标体的体积热膨胀系数，C_p为目标体的比热容；由公式(6)得目标体发出的超声信号与其电导率的分布有关，通过声信号反演能够得到目标体的电导率；

绝缘油电导率为0，目标体和绝缘油声速为1404m/s。

2.根据权利要求1所述的处理方法，其特征在于，在纳秒脉冲热声成像中，利用有限元方法求解公式(2)得到目标体的电标位，再利用公式(3)和(4)求解目标体内的电场强度和电流密度；目标体内的电场强度和电流密度与目标体的电导率分布有关，电导率越高的区域，其电场强度和电流密度就越高，目标体内电流密度的值与电导率相对应；由公式(5、6)可得目标体的热函数与其电导率分布有关，内部电导率越高的区域，其热函数越大，激发的声源也越大，故声源的强度与目标体中电导率的分布相对应。

3.根据权利要求1-2任一项所述的处理方法，其特征在于，利用纳秒脉冲热声成像方法分别建立简单模型和复杂模型两仿真模型进行仿真模拟分析，为纳秒脉冲热声成像的实际检测提供理论指导。

4.根据权利要求3所述的处理方法，其特征在于，在目标区域内感应产生一个电场，目标体内部受热膨胀产生声压p(r,t)，此热声信号被放置在目标体周围的超声探头接收，由感应式热声成像中声场正问题的分析可知，超声探头接收到的热声信号(r,t)为超声换能器位置的声压p(r,t)与超声探头的脉冲响应函数h(t)的卷积，即

式(7)表明，超声探头接收到的热声信号ω(r,t)既能反映原始声场的波形，也包含了超声探头的响应特性。

5.一种纳秒脉冲电场诱导热声成像系统，其特征在于，采用如权利要求1-4任一项所述热声信号处理方法进行处理。