[發明專利]一種熱聲效應輻射場空間分布測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201410344748.3
• 申請日: 2014-07-18
• 公開（公告）號: CN105259426A
• 公開（公告）日: 2016-01-20
• 發明（設計）人: 畢欣;杜勁松;黃林;蔣華北;高揚;仝盼盼;趙越南;趙乾;叢日剛;徐洪慶
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 徐麗;周秀梅

技術領域

本發明屬于微波輻射熱聲測量領域，具體涉及一種熱聲效應輻射場空間分布測量裝置及方法。

背景技術

近年來，熱聲效應和熱聲成像技術的研究得到越來越多的關注。熱聲效應實際上是依據熱傳導方程和波動方程的一種能量轉換過程。熱聲信號的產生，不僅與微波源有關，還與被測物質的熱力學和電磁學特性有關。因此，利用微波熱聲技術對輻射物質進行成像，需掌握其輻射空間分布是精確判斷能量與效應之間的關系的前提。熱聲信號主要來源于被輻射物質對微波吸收的差異，如果檢測物體足夠小，將其近似為點聲源，各點源的吸收系數近似相等，則熱聲信號強度就由微波輻射場的能量分布決定。因此，通過測量微波熱聲信號的點源強度分布，能夠間接測量脈沖微波輻射場的能量密度分布。

熱聲成像技術的圖像重建實質是利用接收到的超聲波信號重建被測物質對電磁波吸收的分布。目前實驗系統多采用單超聲波傳感器運動或超聲波傳感器陣列技術進行熱聲信號采集，由于微波輻射場的不均勻性，成像效果差、偽影嚴重，導致微波熱聲測量與成像系統精度差。因此，迫切需要一種穩定、精確的脈沖微波輻射空間能量密度測試方法，克服由于能量密度分布不均導致的圖像重構誤差，進一步提高微波熱聲測量系統的精度。

發明內容

針對現有技術中存在的上述不足之處，本發明提供一種脈沖微波熱聲輻射空間分布測量裝置及方法。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種熱聲效應輻射場空間分布測量裝置，包括：

容器裝置，承裝變壓器油耦合溶液，用于將待測樣品放于溶液中；

微波輻射模塊，用于激勵待測物體產生瞬時壓力波的大功率微波信號源，將產生微波信號輻射到容器裝置底部；

超聲傳感器陣列，用于接收待測樣品吸收微波輻射后產生的超聲波信號；

數據采集與預處理模塊，用于對來自超聲波探測傳感器的超聲波信號進行濾波、放大處理，再對經過預處理的超聲波信號在其控制的數據采集時序、采集速度下進行數據采集以及數據的存儲；

運動控制模塊，連接超聲波探測傳感器陣列，用于控制超超聲波探測傳感器陣列的旋轉運動位置、旋轉運動速度，以及垂直運動位置；

圖像重建模塊，連接運動控制模塊和微波輻射模塊，用于對采集到的超聲波信號進行圖像重建和定量分析。

所述微波輻射模塊，包括S波段微波功率源、饋電系統及天線；S波段微波功率源通過饋電系統的波導與天線相連接，將微波源發射的微波通過天線輻射出去；所述天線安裝于容器裝置底部，用于對容器裝置內部放置的待測樣品進行微波脈沖輻射；所述S波段微波功率源用于發射中心頻率為3GHz，帶寬為100MHz，峰值功率為50-90kW的微波脈沖信號，脈沖寬度為100-500ns，微波信號經過饋電系統后由天線耦合至容器裝置中的待測樣品表面。

所述超聲傳感器陣列包括2-512陣列超聲波傳感器，固定于承載容器裝置的支架上，該支架連接到電機，屬于運動控制模塊的一部分。

所述數據采集與預處理模塊包括多塊4-8通道數據采集和預處理板卡，組合成最多512通道數據采集通道，利用微波輻射模塊的同步信號進行超聲傳感器的定位和同步數據采集。

所述運動控制模塊包括超聲波整列固定支架、直流步進電機、運動控制卡；所述運動控制卡通過總線與主機連接，控制所述直流步進電機旋轉；所述直流步進電機的電機轉動控制所述超聲波整列固定支架的運動位置和速度。

所述容器裝置由圓柱形容器與藕合液組成。

所述探測容器裝置中的樣品為排列均勻的陣列式飽和鹽水陣列，面積滿足微波輻射區域。

一種熱聲效應輻射場空間分布測量方法，用于測量成像空間范圍內各個位置處的微波輻射場信號能量分布，具體包括以下步驟：

微波輻射模塊產生的微波信號對待測樣品輻射后，向外傳播超聲波信號；超聲傳感器陣列在不同高度對樣品產生的超聲波信號進行接收；數據采集與預處理模塊對超聲傳感器陣列接收的信號進行濾波和放大處理，并將模擬信號轉化為數字信號，使用圓周數據延遲疊加進行合成孔徑成像對不同平面的二維圖像依次進行重建，利用三維圖像處理軟件實現組合并重建出反映檢測空間范圍內的微波信號能量分布。

所述超聲波信號遵循下列等式：