专利名称：基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及材质识别技术领域，具体涉及基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置。
背景技术：
材质识别、质量鉴定是工业材质质量检测领域的重要课题。对于由多种材质组成的物体，需分别鉴定出各材质的类别，从而对物体整体的材质组成和质量鉴定做出结论。例如，如何检测物体的内部分层结构及各层的材质，如何识别木制品、金属制品等的内部材质真假及质量优劣，如何辨别材质内部是否混有其他成分并识别其他成分的材质种类等。目前的材质识别的常见方法有光热法识别、颜色识别、电磁识别、回波信号识别、电涡流识别等。光热法识别和颜色识别无法对物体内部的材质进行识别和鉴定，电磁识别只适用于对电磁材料的识别。回波信号识别，如基于回波数据特征提取联合神经网络的材质识别(专利号CN1595195A)，其原理是向待测材质发射超宽带信号，然后从接收的回波中提取回波典型数据的特征值并进行神经网络的训练和识别，完成材质的识别。电涡流识别的方法，如基于电涡流识别复合材料(专利号CNlO 1413921A)，利用金属导体电涡流特性，对金属材质进行识别，并且通过调整探测深度，可实现上下两层复合材料的材质识别，还可实现临界面的定位。上述方法，不能对含多层材质的物体的各层材质进行识别，其具体不足体现在:1、不能有效实现多层材质的识别，不能对待测物内部材质的质量进行鉴定。光热法识别和颜色识别只对表层材料进行识别，且精度不高。回波特征值提取将待测物视为一个整体识别，无法区分各层材质的信息。而电涡流法则只能对上下两层金属材质的物体进行材质识别。2、回波特 征值提取的方法，对影响回波特性的因素没有全面考虑，因此制约了其材质识别的精度。当材质不满足半无限大条件时，反射系数曲线与材质厚度有关，材质厚度的变化会导致材质的错误识别。另外，当材质具有多层介质时，某些介质的改变也会使材质整体的等效电磁参数发生变化，进而使反射系数曲线发生变化。单一表层反射信号的特征值提取，无法发现这些变化，而是将材质整体识别为另一种材质。3、传统的材质识别方法，测量点较少，不能全面反映被测物各位置各深度的材质种类。若对被测物多点进行测量，则需发射装置的机械移动，增加设备的复杂度和制造成本。对于物体的材质识别，可以考虑其固有属性，如电磁参数中的介电常数σ、电导率ε、磁导率μ。信号在物质中传输时，遇到电磁参数σ、ε、μ发生改变，会发生反射，即两种材质的临界面处会发生反射。由电磁理论可知，在满足半无限大条件下，反射系数由信号频率f、临界面两侧材质的特征阻抗η和传播常数Y共同决定。而η和Y则是由电磁参数σ、ε和μ决定的。因此，不同物质的反射系数随信号频率变化的曲线，因携带的电磁参数信息而具有独特性，可通过反射系数曲线提取电磁参数信息，实现材质的识别。[0008]而对于含有多层材质的物体，临界面两侧的介质不再满足半无限大条件，反射系数曲线除了与临界面两侧介质的电磁参数有关外，还与其他各层介质电磁参数及各层介质的厚度有关。因此可通过各层际反射系数曲线联合提取各层材质的电磁参数σ、ε和μ。为了对含有多层材质的物体精确识别各层的材质，需要足够多的反射系数和频率关系信息，所以可以利用携带着丰富频带信息的超宽带信号对物体进行材质识别。为提高材质识别速度，用相控阵来发送和接收超宽带信号。因为相控阵具有多个独立的放射波束与接收波束，具有波束指向快速变化、波束形状灵活变化的特点，可使扫描范围全面覆盖被测物体被检部位，实现待测物各位置各深度材质的全面识别。由此，将超宽带探测和相控阵相结合，可实现材质准确全面的扫描和检测。该方法也可扩展应用于农产品及日常用品的质量检查。
实用新型内容为了实现对材质的鉴定，包括被测物表层及内部各层材质种类的识别及质量检查，本实用新型提供了基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置。本实用新型以不同材质具有不同的介电常数σ、电导率ε、磁导率μ为依据，通过提取各层际反射回波，建立各反射系数曲线与各层材质的电磁参数(σ、ε、μ )的关系函数，通过各层际反射系数与电磁参数关系函数的联合求解，实现材质的鉴定。具体来说，利用测得的反射系数曲线测量值与固有的反射系数经验曲线，可提取出各层材质的电磁参数，实现材质的识别。本实用新型的各个技术方案如下。基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其包括设备控制模块、信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块，其中信号收发模块与信号处理模块相连，信号处理模块与曲线参数提取模块相连，信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块均与设备控制模块相连；所述的设备控制模块主要用于对与其连接的各个模块的控制并输出处理结果，设备控制模块包括中央控制单元、数据存储器和显示设备，其中，数据存储器、显示设备分别与中央控制单元相连接，中央控制单元用于控制信号收发模块、信号处理模块、曲线参数提取 块的工作以及模块之间的数据传输；数据存储器用于存储各模块的处理结果，并提供信号处理模块所需的输入数据；显示设备对处理进程及结果进行显示；所述信号收发模块为全双工信号收发器，其向待测物发射超宽带信号，并接收待测物各层际的反射回波；所述的信号处理模块用于采集回波信号，并对其进行时域、频域处理，提取反射系数曲线测量值；所述的曲线参数提取模块用于求解各层材质的电磁参数信息，并将求解结果传递给设备控制模块。进一步的，所述信号收发模块包括超宽带发射器、功率分配器、波束控制器、P个波束子阵收发机和波束形成器；超宽带发射器、功率分配器、波束控制器、P个波束子阵收发机、波束形成器顺次相连接；功率分配器将超宽带发射器功率进行耦合，平均分配给各波束子阵；波束控制器用于实现不同角度不同深度的波束偏转和聚焦，并通过逐层聚焦的深度变化，获得各层材质的厚度信息#个波束子阵收发机构成相控阵收发器，用于对聚焦点发射超宽带信号，并接收反射点的回波信号；波束形成器将各子阵接收到的回波信号进行相位补偿并合成为接收波束，P ^ 2。进一步的，P个波束子阵呈中心散射线形布置，散射中心位于待测物垂直方向的中轴延长线上。进一步的，所述的信号处理模块包括数据采样器、信号预处理器、导波信号处理器和信号处理器，其中信号处理器包括了波段提取装置、功率估计器、幅频分析装置和除法器；数据采样器、信号预处理器和信号处理器顺次相连接；信号预处理器与导波信号处理器相连接，导波信号处理器与设备控制模块中的数据存储器相连接；波段提取装置、功率估计器、幅频分析装置和除法器顺次相连接，除法器的除数由设备控制模块中的数据存储器提供；数据采样器，用于实现发射信号和回波信号的模数转换；信号预处理器用于实现对同一聚焦点的多次发射信号和回波信号的时间平均，并分别得到平均发射信号和平均回波信号；导波信号处理器用于记录导波的回波时延和波峰数，获得被测物类别、外形、层数的初步信息，并将结果传递给数据存储器；信号处理器用于对平均回波信号进行时域和频域的处理，提取反射系数曲线测量值，其中，波段提取装置用于在时域上提取出平均回波信号在聚焦点处的反射波段，功率估计器用于对平均发射信号和平均回波信号分别进行功率谱估计，幅频分析装置用于获取平均发射信号和平均回波信号频域上的幅度谱，进而得到幅频特性曲线；除法器用于实现幅频特性曲线与临界面之上各层材质的透射系数相除，得到反射系数曲线测量值，该结果传递给曲线参数提取模块和设备控制模块中的数据存储器。进一步的，所述曲线参数提取模块包括顺次连接的分析器和特征数据库匹配模块，分析器还与设备控制模块中的数据存储器相连接，分析器用于根据各层反射系数曲线测量值、反射系数经验曲线，求得各层材质的电磁参数信息；特征数据库匹配模块匹配模块对计算结果进行匹配，并将最终的材质识别结果传递给设备控制模块，由显示设备显示识别结果。进一步优化的，所述设备控制模块还包括与中央控制单元相连接的操作设备，用于包括开启、关闭装置、命名及保存某次识别的处理结果。上述基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置的识别方法包括以下步骤:步骤一，待测物置于P个波束子阵收发机下，P个波束子阵呈中心散射线形布置，散射中心位于待测物垂直方向的中轴延长线上，各波束子阵由K个收发波束组成；步骤二，发 射引导波束，获取被测物类别、外形及层数信息:P*K个波束同时垂直向下发射单脉冲引导波束，根据各点回波信号的时延获取被测物体的外形信息，根据回波的波峰数，获取被测物体的类别和各点处的层数信息；所述被测物的类别分为低损耗材质和良导材质；步骤三，发射聚焦波束:超宽带发射器采用频率步进信号或线性调频信号，每个波束子阵发射机独立发送聚焦波束，构成多截面扫描，每个波束子阵从物体表面开始聚焦，接收回波信号；将第P个波束子阵聚焦的某位置a下第(η-1)层与第η层临界面处的聚焦点位置记为ap,n,设待测物含有N层材质,将各临界面的聚焦点集ap>1、ap，2、…、ap；N记为Ap ;在ap,n处，聚焦M次，取M次发射信号的时间平均，得到平均发射信号，取M次回波信号的时间平均，得到平均回波信号凡 (0所述M > 1000。步骤四，计算某聚焦点处的传递函数的幅频特性曲线:将和>’a (O通过信号处理模块的进行功率谱估计、幅频特性分析得到各自频域上的幅度谱',,(/)和凡 (/>，进而得到ap,n点处传递函数的幅频特性曲线
权利要求1.基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其特征在于包括设备控制模块、信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块，其中信号收发模块与信号处理模块相连，信号处理模块与曲线参数提取模块相连，信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块均与设备控制模块相连；所述的设备控制模块主要用于对与其连接的各个模块的控制并输出处理结果，设备控制模块包括中央控制单元、数据存储器和显示设备，其中，数据存储器、显示设备分别与中央控制单元相连接，中央控制单元用于控制信号收发模块、信号处理模块、曲线参数提取模块的工作以及模块之间的数据传输；数据存储器用于存储各模块的处理结果，并提供信号处理模块所需的输入数据；显示设备对处理进程及结果进行显示；所述信号收发模块为全双工信号收发器，其向待测物发射超宽带信号，并接收待测物各层际的反射回波；所述的信号处理模块用于采集回波信号，并对其进行时域、频域处理，提取反射系数曲线测量值；所述的曲线参数提取模块用于求解各层材质的电磁参数信息，并将求解结果传递给设备控制模块。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其特征在于所述信号收发模块包括超宽带发射器、功率分配器、波束控制器、P个波束子阵收发机和波束形成器；超宽带发射器、功率分配器、波束控制器、P个波束子阵收发机、波束形成器顺次相连接；功率分配器将超宽带发射器功率进行耦合，平均分配给各波束子阵；波束控制器用于实现不同角度不同深度的波束偏转和聚焦，并通过逐层聚焦的深度变化，获得各层材质的厚度信息；P个波束子阵收发机构成相控阵收发器，用于对聚焦点发射超宽带信号，并接收反射点的回波信号；波束形成器将各子阵接收到的回波信号进行相位补偿并合成为接收波束，P > 2。
3.根据权利要求2所述的基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其特征在于P个波束子阵呈中心散射线形布置，散射中心位于待测物垂直方向的中轴延长线上。
4.根据权利要求3所述的基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其特征在于所述的信号处理模块包括数据采样器、信号预处理器、导波信号处理器和信号处理器，其中信号处理器包括了波段提取装置、功率估计器、幅频分析装置和除法器；数据采样器、信号预处理器和信号处 理器顺次相连接；信号预处理器与导波信号处理器相连接，导波信号处理器与设备控制模块中的数据存储器相连接；波段提取装置、功率估计器、幅频分析装置和除法器顺次相连接，除法器的除数由设备控制模块中的数据存储器提供；数据采样器，用于实现发射信号和回波信号的模数转换；信号预处理器用于实现对同一聚焦点的多次发射信号和回波信号的时间平均，并分别得到平均发射信号和平均回波信号；导波信号处理器用于记录导波的回波时延和波峰数，获得被测物类别、外形、层数的初步信息，并将结果传递给数据存储器；信号处理器用于对平均回波信号进行时域和频域的处理，提取反射系数曲线测量值，其中，波段提取装置用于在时域上提取出平均回波信号在聚焦点处的反射波段，功率估计器用于对平均发射信号和平均回波信号分别进行功率谱估计，幅频分析装置用于获取平均发射信号和平均回波信号频域上的幅度谱，进而得到幅频特性曲线；除法器用于实现幅频特性曲线与临界面之上各层材质的透射系数相除，得到反射系数曲线测量值，该结果传递给曲线参数提取模块和设备控制模块中的数据存储器。
5.根据权利要求4所述的基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，其特征在于所述曲线参数提取模块包括顺次连接的分析器和特征数据库匹配模块，分析器还与设备控制模块中的数据存储器相连接，分析器用于根据各层反射系数曲线测量值、反射系数经验曲 线，求得各层材质的电磁参数信息；特征数据库匹配模块匹配模块对计算结果进行匹配，并将最终的材质识别结果传递给设备控制模块，由显示设备显示识别结果。
专利摘要本实用新型公开了基于超宽带相控阵逐层聚焦的多材质联合识别装置，装置包括设备控制模块、信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块，其中信号收发模块与信号处理模块相连，信号处理模块与曲线参数提取模块相连，信号收发模块、信号处理模块和曲线参数提取模块均与设备控制模块相连；该装置利用测得的反射系数曲线测量值与固有的反射系数经验曲线，可提取出各层材质的电磁参数，实现材质的识别。本实用新型的装置结构简单，具有识别精度高、安全、便携式的特点。本实用新型能实现待测物多截面、多角度、多深度的材质识别，且可实现动态聚焦调节。本实用新型除用于工业材料的识别外，还可用于农产品的质量检查。
文档编号G01S13/02GK203083961SQ20122069513
公开日2013年7月24日 申请日期2012年12月15日 优先权日2012年12月15日
发明者韦岗, 陈玉婷, 曹燕 申请人:华南理工大学