[发明专利]一种微波阶跃热成像检测和层析成像方法及系统

摘要

本发明公开了一种微波阶跃热成像检测和层析成像方法及系统。系统由控制模块、微波产生装置、热像仪、计算机及多个算法模块等组成。采用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瞬态温度信号。求出瞬态温度信号的二阶导数，提取峰值时间作为特征值；把无缺陷区域的瞬态温度信号作为参考信号，把被检区域的瞬态温度信号与参考信号进行差分得到瞬态差分信号，提取分离时间和最大值时间作为特征值；采用特征值进行成像，判断是否存在缺陷；通过理论分析与试验，建立特征值与深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不同时间范围的温度上升率，实现不同深度范围的层析成像。该发明可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。

主权项

一种微波阶跃热成像检测和层析成像方法，其特征在于，应用于一种微波阶跃热成像检测和层析成像系统，系统包括控制模块、微波产生装置、热像仪、计算机及算法模块；微波产生装置采用磁控管或其它微波源产生频率为0.915GHz或2.45GHz的微波，采用微波对被检对象进行体积型加热，加热功率可表示为：P=12ωϵ0ϵ′′E2V]]>上式中，ω为微波角频率，ε0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，采用热像仪记录被检对象表面的瞬态温度信号；通过公式：d′′(t)=d2(T)d(t)2]]>求出瞬态温度信号的二阶导数，提取二阶导数曲线的峰值时间作为特征值；把无缺陷区域的瞬态温度信号作为参考信号，把被检区域的瞬态温度信号与参考信号进行差分得到瞬态差分信号，提取分离时间和最大值时间作为特征值；采用特征值进行成像，判断是否存在缺陷；通过理论分析和试验，建立特征值与深度的定量关系，对未知缺陷的深度进行定量；利用不同时间范围的温度上升率，实现不同深度范围的层析成像；微波阶跃热成像检测和层析成像方法包括如下步骤：1)采用控制模块设定系统工作参数，控制系统开始运行；2)微波产生装置采用磁控管或其它微波源产生频率为0.915GHz或2.45GHz的微波，并把微波施加到天线；3)天线把微波发射到被检对象，对被检对象进行体积型加热，被检对象的温度随时间逐渐上升；4)热像仪记录被检对象表面随时间变化的温度信息，作为原始数据，并把原始数据传输给计算机；5)计算机存储原始数据，并运行以下模块；6)图像显示模块显示不同时刻的热像图，可初步判断是否存在缺陷；7)瞬态信号模块显示特定点的瞬态温度信号，初步判断该点是否存在缺陷；在微波参数与材料属性不变的情况下，瞬态温度曲线是直线上升的，即斜率是固定的；如果存在一个内部缺陷，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，随着缺陷产生的热量扩散到表面，表面的瞬态温度信号的斜率会变大或变小；根据瞬态温度信号斜率的变化初步判断是否存在缺陷；8)信号处理模块计算瞬态温度信号曲线的二阶导数曲线，从二阶导数曲线上提取峰值时间的最大值时间作为特征值，该特征值代表缺陷处热量传递到被检对象表面的时间；9)差分处理模块采用无缺陷区域的瞬态温度信号作为参考信号；对瞬态温度信号和参考信号进行减法处理，获得瞬态差分信号；从瞬态差分信号中提取分离时间、峰值时间作为特征值；10)缺陷检测模块对所有像素点的瞬态温度信号重复步骤8)‑9)，获得所有像素点的特征值，把特征值进行成像显示，判断是否存在缺陷；11)定量关系模块建立特征值和缺陷深度的定量对应关系；根据热波理论可知，缺陷深度与特征值的开方满足正比函数关系；通过试验确定缺陷深度与特征值的函数关系，制作含有不同深度缺陷的标准试件，对标准试件进行试验，对不同深度缺陷的瞬态温度信号重复步骤8)‑9)，获得不同深度缺陷的特征值；根据试验结果建立特征值和缺陷深度的定量对应关系；12)对被检对象被检测区域的瞬态温度信号重复步骤8)‑9)，获得被检测区域的特征值，通过步骤11)获得的定量对应关系求出缺陷深度；13)层析成像模块实现被检对象特定深度范围的成像，即层析成像；微波持续加热的温度上升斜率可表征被检对象的属性；根据热扩散理论，得到深度和时间的对应关系，把待成像的深度范围转化为时间范围；计算所有像素点的瞬态温度信号在该时间范围内的温度上升率，采用该时间范围的温度上升率进行成像，即实现了该深度范围的层析成像。