[發明專利]一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像方法

有效

• 申請號: 201410166592.4
• 申請日: 2014-04-23
• 公開（公告）號: CN105021697B
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 邢達;婁存廣;計鐘;丁文正
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N29/00
• 分類號: G01N29/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司44245
• 代理人: 裘暉

技術領域

本發明屬于熱聲成像領域，具體涉及一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像方法和裝置。

背景技術

低密度材料具有密度小，質量輕的特點。低密度材料的侵入到其他物質中即產生低密度異物。X射線是目前異物檢測的主要手段，根據X光在不同物質材料上的穿透能力差別來檢測異物，異物與材料的密度差別越大，越容易被檢測到。然而，大多數X光機不能檢測諸如極薄的玻璃、木屑、竹簽、塑料、棉線、低密度軟骨等低密度異物。利用熱聲成像反映電磁學參數差異的特性可以對X光成像無法分辨的低密度異物進行高對比度的成像檢測(邢達、曾呂明，一種利用熱聲成像檢測異物的方法及其裝置，ZL200710026646.7)。然而，目前的熱聲成像方法只能根據物質電磁吸收特性檢測到異物的位置，尚未有報道能夠實現異物種類鑒別的方法。比如，無微波吸收的玻璃和木屑，其介電常數和電導率相近，在熱聲成像檢測中它們和周圍組織的對比度無明顯差異，由于無法鑒別異物種類給后續的異物清理造成了一定的障礙。

脈沖微波激發的熱聲波是一種位于超聲頻段的機械波，具有方向性好、穿透能力強、在界面上會發生反射和透射、無電離損傷的特點。熱聲波在介質中的傳播速度不僅與傳播的波型有關，更與傳播介質的特性如密度、彈性模量等密切相關。熱聲波聲速是反映材料特性的重要參數，當物質密度變化時熱聲波在其中的傳播特性也會隨著變化，這種變化主要體現為熱聲波速度和聲波透射信號強度的變化。物質密度與聲波速度變化的關系較為明確，密度越高聲波在 其中的傳播速度越大，因此可以通過對聲速的測量來確定材料的密度。

基于超聲反射的超聲成像方法在材料無損檢測領域已經有了廣泛的應用，發射超聲在聲阻抗差異的界面會具有不同的反射率，通過探測超聲回波信號能夠實現超聲成像檢測。但是，當被檢測材料中存在低密度異物并且兩者的聲阻抗非常接近時，超聲反射率會極低，無法利用超聲反射回波進行成像。所以，低密度異物仍然是超聲對材料檢測的盲區。熱聲成像利用異物的與周圍物質的微波吸收差異產生內源性熱聲源，異物中聲傳播速度的變化引起可探測的熱聲渡越時間的改變，根據計算的聲速可以實現異物種類鑒定。熱聲成像克服了超聲成像檢測的盲區，同時實現了異物檢測定位及種類鑒別，具有較大的應用價值。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像方法。

本發明的另一目的在于提供一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像裝置。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像方法，包括以下步驟：

(1)獲取熱聲圖像：通過脈沖微波激發低密度異物及周圍物質產生熱聲效應，熱聲信號被熱聲探測器接收，然后經放大器放大后送入數據采集系統進行數據采集記錄，最后利用濾波反投影算法重建熱聲圖像，確定低密度異物的位置；

(2)獲取聲速分布圖像：通過脈沖微波激勵熱聲探測器的陣元與周圍物質的界面，由于兩者存在微波吸收差異會產生熱聲波信號，熱聲波信號遇到低密度異物后產生透射聲波信號，透射的熱聲波信號被對向位置的熱聲探測器陣元接收，然后經過放大器放大后送入數據采集系統，由于聲波在低密度異物與周 圍物質中傳播速度不同引起透射聲波到達對向位置的熱聲探測器陣元的時間改變，最后根據熱聲波渡越時間重建低密度異物的聲速分布圖像；

(3)根據步驟(2)所獲取的低密度異物聲速值，根據常見物質的聲速與探測到的異物的聲速比較，實現異物種類的鑒別。

所述低密度異物為密度與周圍物質密度差異小于50％的物質。因此本發明方法可以應用于如金屬物質中檢測石塊，組織或瓊脂中檢測玻璃屑、木屑、竹簽、塑料、棉線、低密度軟骨等方面。

優選的，步驟(1)和步驟(2)所述熱聲探測器為多元環形陣列探測器；其陣元數目為1～1024，主頻為1～75MHz。

優選的，步驟(2)所述脈沖微波激勵信號為脈寬1ns～200ns的窄脈沖微波信號。

優選的，步驟(2)中通過脈沖微波激勵熱聲探測器與周圍物質的邊界處激發出熱聲波信號。

優選的，步驟(2)中所述聲速分布圖像根據熱聲波在物質中傳輸時間的改變，通過微分得到。

一種低密度異物檢測及種類鑒別的熱聲成像裝置，包括脈沖微波激發源模塊1-1，熱聲波信號接收和發射模塊1-2，熱聲波信號采集和處理模塊1-3，以及圖像重建軟件模塊1-4；所述脈沖微波激發源模塊1-1，熱聲波信號接收和發射模塊1-2，熱聲波信號采集和處理模塊1-3，以及圖像重建軟件模塊1-4依次連接。