一種微波鎖相熱成像系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無損檢測、目標探測和醫學成像等技術領域，特別是涉及一種微波熱 成像檢測、探測和成像系統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著現代科學和工業技術的發展，無損檢測技術已成為保證產品質量和設備運行 安全的必要手段。目前具有代表性的無損檢測技術主要有射線檢測、超聲檢測、滲透檢測、 磁粉檢測、渦流檢測以及熱成像檢測等技術。
[0003] 熱成像檢測技術采用熱源對被檢對象進行加熱，采用熱像儀觀測和記錄被檢對象 表面的溫度變化信息，以對被檢對象表面及內部的缺陷進行檢測和評估。熱成像檢測技術 具有非接觸、非破壞、無需耦合、檢測面積大、速度快等優點，已廣泛應用于航空、航天、石 油、化工、電力、核能等領域。
[0004] 熱成像檢測技術可以分為脈沖熱成像檢測技術、階躍熱成像檢測技術、鎖相熱成 像檢測技術以及脈沖相位熱成像檢測技術。脈沖熱成像檢測技術采用高能量短時脈沖進行 加熱，操作簡單，易于定量，但可能對被檢對象的表面造成熱損傷。階躍熱成像檢測技術采 用低能量長脈沖進行加熱，易于定量，但是易受加熱不均勻、表面發射率變化等影響。鎖相 熱成像檢測技術采用周期性變化的熱波進行加熱，采用幅值和相位圖像進行缺陷檢測，具 有抑制加熱不均勻、表面發射率變化等優勢，但是深度分辨率小，檢測時間長。脈沖相位熱 成像檢測技術融合了脈沖和鎖相熱成像檢測技術的優點，采用多個頻率的相位圖進行缺陷 檢測，但是高頻成分能量較低。
[0005] 熱成像檢測技術采用的熱源多種多樣，從物理角度而言，有閃光燈、紅外線、超聲 波、渦流、激光等。根據熱源物理性質的不同，熱成像檢測技術包含閃光燈熱成像檢測技術、 超聲波熱成像檢測技術、渦流熱成像檢測技術和激光熱成像檢測技術等。每種熱源具有自 己的獨特優勢和適用對象。
[0006] 微波加熱就是利用材料的介質損耗，對物體進行加熱的過程，具有加熱均勻、速度 快、可選擇性加熱、熱慣性小、無污染等特點。國外已有學者對微波加熱的熱成像檢測技術 進行了研宄。文獻[1]提供了一種微波脈沖熱成像缺陷檢測技術，采用熱像圖上某一路徑 的溫度輪廓線進行缺陷檢測。文獻[2]提供了一種微波脈沖熱成像缺陷檢測技術，采用脈 沖調制微波進行加熱，采用不同時刻的熱像圖進行缺陷檢測。文獻[3]提供了一種微波熱 成像檢測系統，采用函數發生器和繼電器控制商用微波爐的開關，對被檢對象進行斷續加 熱，系統集成度較低，功能簡單，不實用。現有微波熱成像缺陷檢測技術存在以下不足：1)缺 陷檢測方法主要依賴原始的熱像圖和瞬態溫度曲線，易受噪聲干擾；2)難以克服加熱不均 勻和表面發射率的干擾；3)受熱波信號衰減影響，檢測深度較小。
[0007] 熱成像是一種主要的醫學成像技術，通過探測人體體表的熱輻射進行疾病的診 斷。熱成像技術早在1970年就應用于乳腺疾病的診斷。美國食品藥品監督管理局于1983 年正式批準熱成像技術可應用于臨床診斷。隨著計算機技術和探測傳感器技術的高速發 展，開發出紅外熱層析成像技術。該技術除了具有常規熱成像技術的功能外，還可利用計算 機技術結合恰當的數學模型對熱像進行分析和解讀，獲得體內的熱源深度、形狀、分布、熱 輻射值，并依據正常和異常細胞代謝熱輻射的差別進行分析，方便醫生對熱像圖進行判斷。
[0008] 近年來，已有學者對微波熱成像診斷技術進行了研宄。文獻[4]提出了計算機編 碼的脈沖調制微波輻照生物組織，采用紅外熱成像的方式觀察分層仿生體模中各層的溫度 分布。文獻[5]采用紅外熱成像儀測量微波輻射器輻照之后分層仿生體模的表面溫度，對 微波熱療中透熱深度進行了研宄。
[0009] 一些學者對微波熱成像目標探測技術進行了研宄。文獻[6]提供了一種微波熱成 像目標探測系統及方法，采用不同時刻的熱像圖對埋在地下的目標進行探測。
[0010] 本發明公開一種微波鎖相熱成像（Microwavelock-inthermography,MW-LIT) 系統及方法。具有信噪比高、可抑制發射率變化、檢測深度大等優點，可廣泛應用于介質材 料、復合材料、非金屬材料等的無損檢測、生物組織的醫學成像以及地下目標的探測等領 域。
[0011] 參考文獻。
[0012] [1].ChengL,TianGY,SzymanikB.Feasibilitystudiesonmicrowave heatingfornondestructiveevaluationofglassfibrereinforcedplastic composites[A].InInstrumentationandMeasurementTechnologyConference (I2MTC), 2011IEEE[C], 2011: 1-6。
[0013] [2].KeoS~A,DeferD,BreabanF,etc.ComparisonbetweenMicrowave InfraredThermographyandC02LaserInfraredThermographyinDefectDetection inApplicationswithCFRP[J].MaterialsSciencesandApplications, 2013, 4(10): 600-605。
[0014] [3]?GaliettiU,PalumboD,CaliaG,etc.Nondestructiveevaluationof compositematerialswithnewthermalmethods[A].In15thEuropeanConferenceon CompositeMaterials[C], 2012。
[0015] [4].馬國軍，江國泰，孫兵.脈沖調制微波輻照生物組織的熱效應及紅外熱成 像研宄[J].紅外與毫米波學報，2012，31 (1): 52-56。
[0016] [5].孫兵，江國泰，陸曉峰，.基于紅外熱成像的微波熱療透熱深度[J].強 激光與粒子束，2009，21(8): 1194-1198。
[0017] [6].Swiderskiff,HostaP,SzugajewL,etc.Microwaveenhancementon thermaldetectionofburiedobjects[A].In11thInternationalConferenceon QuantitativeInfraRedThermography[C], 2012〇
【發明內容】
[0018] 本發明目的是針對現有微波熱成像技術的不足，提供一種微波鎖相熱成像系統及 方法。系統由控制模塊、微波產生裝置、鎖相信號產生裝置、幅度調制裝置、功率放大器、天 線、熱像儀、微波防護裝置、計算機及多個算法模塊等組成。系統采用被周期性鎖相信號幅 度調制后的連續微波對被檢對象進行周期性加熱，在被檢對象內部產生周期性變化的熱 波，采用熱像儀記錄被檢對象表面的溫度變化。根據鎖相信號或無缺陷區域的溫度信號設 定參考信號。對溫度信號和參考信號進行快速傅里葉變換，提取特定頻率的幅值和相位作 為特征值；對溫度信號和參考信號進行鎖相相關，提取鎖相頻率的幅值和相位等作為特征 值。采用被檢區域所有像素點的特征值進行成像。該方法及系統具有信噪比高、可抑制發 射率變化、檢測深度大等優勢，可應用于無損檢測、醫學成像和目標探測等領域。
[0019] 一種微波鎖相熱成像系統，主要包括： 1) 控制模塊，用于設定系統工作參數，控制系統運行； 2) 微波產生裝置，用于產生頻率固定的連續微波，并傳輸到幅度調制裝置； 3) 鎖相信號產生裝置，用于產生周期性鎖相信號，如正弦波信號、脈沖波信號，并把鎖 相信號傳輸到幅度調制裝置； 4) 幅度調制裝置，用于把微波和鎖相信號進行幅度調制后作為激勵信號，并把激勵信 號傳輸到功率放大器； 5) 功率放大器，用于把激勵信號進行功率放大，并把放大后的激勵信號傳輸給天線； 6) 天線，用于發射激勵信號至被檢對象，并周期性加熱被檢對象； 7) 熱像儀，用于記錄被檢對象的被檢區域表面隨時間變化的溫度信號，并把溫度信號 傳輸給計算機； 8) 微波防護裝置，用于防止微波泄漏； 9) 平臺，用于放置和固定被檢對象； 10) 被檢對象，被檢測的對象，其內部可能含有裂紋、氣泡、脫層、水分等損傷或腫瘤等 病變組織（以下簡稱缺陷或腫瘤等病變組織為缺陷）； 11) 計算機，用于存儲、顯示、處理和分析熱像儀傳輸的溫度信號，并執行以下模塊； 12) 參考信號設定模塊，用于設定參考信號； 13) 傅里葉變換模塊，把溫度信號和參考信號進行快速傅里葉變換，提取特定頻率的 (差分）幅值和相位作為特征值； 14) 鎖相相關模塊，把溫度信號和參考信號進行鎖相相關，提取特定頻率的幅值和相位 作為特征值； 15) 成像模塊，把被檢對象的被檢區域每個像素點的特征值進行成像顯示。
[0020] 基于一種微波鎖相熱成像系統的一種微波鎖相熱成像方法，包括如下14個步驟： 1)把被檢對象置于微波防護裝置里邊的平臺上，調整好天線和被檢對象的位置，使天 線可對被檢對象的被檢區域進行加熱，調整熱像儀的位置和各項參數，使熱像儀的視場覆 蓋被檢對象的被檢區域。
[0021] 2)采用控制模塊設定系統工作參數，觸發系統開始運行。
[0022] 3)微波產生裝置為磁控管或其它連續微波源，產生頻率為0. 915G或2. 45GHz的 連續微波，并把微波傳輸到幅度調制裝置。
[0023] 4)鎖相信號產生裝置產生周期性鎖相信號，如正弦波信號或脈沖波信號，并把鎖 相信號傳輸到幅度調制裝置。
[0024] 5)幅度調制裝置把微波和鎖相信號進行幅度調制后作為激勵信號，并把激勵信號 傳輸到功率放大器。
[0025] 6)功率放大器把激勵信號進行功率放大，并把放大后的激勵信號傳輸到天線。
[0026] 7)天線把激勵信號發射到被檢對象的被檢區域，對被檢區域進行周期性加熱，被 檢對象內部產生周期性變化的熱波，缺陷的存在改變了熱波的幅值和相位，即造成熱波異 常。
[0027] 8)熱像儀記錄被檢對象的被檢區域表面周期性變化的溫度信號，并把溫度信號傳 輸給計算機，該溫度信號可反映被檢對象內部由缺陷造成的熱波異常。
[0028] 9)控制模塊控制微波產生裝置、鎖相信號產生裝置、幅度調制裝置等結束運行。
[0029] 10)計算機存儲溫度信號，并運行以下模塊。
[0030] 11)參考信號設定模塊根據鎖相信號產生參考信號