基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统

1.本发明涉及树木内部缺陷检测技术领域，特别涉及一种基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统。


背景技术：

2.自然环境下的树木及古建筑木质结构内部会有虫蛀、腐朽、中空等现象，对于树木及古建筑的养护措施在、无损检测技术尤为重要。在现有的检测技术中，ct扫描技术设备昂贵、成本高且体积较大；超声波技术的稳定性较差、操作复杂；应力波技术需要将钉子钉在树木或古建筑木质结构上，造成损伤，并且检测参数单一；而微波检测技术精度高、无污染、易操作、检测参数多并且可真正实现无损检测，这对一些名贵木材、古树及古建筑的木质结构的养护尤为重要。
3.基于微波传感器的微波检测技术，凭借微波信号与待测物的相互作用，利用微波参数来表征待测物的缺陷特征和物理参数。而相较于其他种类的微波传感器，微波天线能够实现与被测木材的有效耦合，穿透性和方向性好，容易实现无损、实时、在线的快速测量分析，在古建筑的古木材料的检测保护领域显示了良好的应用前景。木材内部介电特性的差异对天线发射的微波信号造成不同程度的透射、反射、散射等，进而实现对木材性质与内部缺陷的测定分析。木材内部腐朽或空洞等导致介电参数分布异常，引起微波回波产生对应的反射与折射。
4.现阶段主要存在如下问题限制了微波检测在木材层析成像领域的普及应用：(1)水分子作为强极化性分子对微波检测信号损耗较大，木材内部含水率差异导致检测参数漂移，甚至无法检测；(2)木材腐烂或空洞造成的内部介电对比度高，导致入射电场再极化能力差，影响图像重建精度；(3)木材内部结构复杂，且个体种类、密度、形状等差异提升了微波检测建模难度。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种实现无损检测、检测精度高的基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统。
6.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统，其包括：
7.微波传感器单元，包括环形天线阵列和多个射频开关，所述环形天线阵列围设在待测树木周向，所述环形天线阵列中的每个微波天线均与对应的射频开关连接，并由对应的射频开关单独控制；
8.射频发射单元和射频接收单元，所述射频发射单元和射频接收单元通过多路复用器与所述多个射频开关连接；
9.所述射频发射单元通过其中一微波天线向待测树木发射微波信号进行一次扫描，所述射频接收单元通过剩余微波天线同时接收回波信号，并读取回波信号参数；
10.计算机，与所述射频接收单元连接，并根据回波信号参数对待测树木内部进行层析成像。
11.作为本发明的进一步改进，所述环形天线阵列中的每个微波天线还用于依次作为发射天线向待测树木发射微波信号，剩余天线作为接收天线同时接收回波信号；所述计算机用于将每次接收的回波信号参数进行一次叠加成像。
12.作为本发明的进一步改进，在一次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向旋转，继续向待测树木发射微波信号并接收回波信号，并多次旋转所述环形天线阵列直至所述计算机得到多组一次叠加的回波信号参数，所述计算机将多组一次叠加的回波信号参数进行二次叠加成像。
13.作为本发明的进一步改进，在二次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向运动，继续向待测树木发射微波信号并接收回波信号，所述环形天线多次运动使所述计算机进行多次不同高度的二次叠加成像，并将多次不同高度的二次叠加成像叠加以得到待测树木内部的三维图形。
14.作为本发明的进一步改进，在一次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向旋转的角度小于环形天线阵列中两个相邻的微波天线之间的角度。
15.作为本发明的进一步改进，所述射频发射单元包括依次连接的射频信号源和功率调制器，所述射频信号源用于产生微波信号，所述功率调制器用于对微波信号进行功率调制，实现对天线阵列单元的固定功率激励。
16.作为本发明的进一步改进，所述射频发射单元还包括带通滤波器，所述带通滤波器设置于功率调制器和多路复用器之间，用于滤除微波信号的谐波分量。
17.作为本发明的进一步改进，所述射频接收单元包括射频检波器和微波参数读取电路，所述多路复用器、射频检波器、微波参数读取电路和计算机依次连接，所述射频检波器用于将高频回波信号转换为模拟直流参量，所述微波参数读取电路包括数模转换器，用于将直流模拟参量转换为数字参量，对数据进行缓冲存储并传输至计算机。
18.作为本发明的进一步改进，所述计算机还用于根据回波信号参数计算待测树木的含水率，并根据待测树木的含水率调整微波天线的频率，其中，0％—20％、20％—35％、35％—50％、50％—65％、65％—85％的含水率分别调整天线频率为5.1ghz、3.5ghz、2.4ghz、700mhz、400mhz。
19.作为本发明的进一步改进，所述微波信号参数包括反射参数、透射参数、振幅、频率、相位。
20.本发明的有益效果：
21.本发明基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统利用微波对木材内部进行检测，利用回波信号参数进行成像，可以检测出木材内部缺陷，并实现无损检测。
22.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
23.图1是本发明实施例中基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统的原理图；
24.图2是本发明实施例中基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统的示意图；
25.图3是本发明实施例中一次叠加成像和二次叠加成像的示意图；
26.图4是本发明基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统对树木进行检测的流程；
27.图5是本发明基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统的多参数分析示意图；
28.图6是本发明实施例中基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统进行三维成像的示意图。
29.标记说明：1、微波天线；2、射频开关；3、多路复用器；4、带通滤波器；5、功率调制器；6、射频信号源；7、射频检波器；8、微波参数读取电路；9、计算机；10、待测树木。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.如图1-2所示，为本发明优选实施例中的基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统，包括：
32.微波传感器单元，包括环形天线阵列和多个射频开关2，所述环形天线阵列围设在待测树木10周向，所述环形天线阵列中的每个微波天线1均与对应的射频开关2连接，并由对应的射频开关2单独控制；其中，所述环形天线阵列中的微波天线1数量为至少二。
33.射频发射单元和射频接收单元，所述射频发射单元和射频接收单元通过多路复用器3与所述多个射频开关2连接；
34.所述射频发射单元通过其中一微波天线1向待测树木10发射微波信号进行一次扫描，所述射频接收单元通过剩余微波天线1同时接收回波信号，并读取回波信号参数；其中，所述微波信号参数包括反射参数、透射参数、振幅、频率、相位等。
35.计算机9，与所述射频接收单元连接，并根据回波信号参数对待测树木10内部进行层析成像。
36.本发明基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统利用微波对木材内部进行检测，利用回波信号参数进行成像，可以检测出木材内部缺陷，并实现无损检测。
37.如图1所示，在一些实施例中，所述射频发射单元包括依次连接的射频信号源6和功率调制器5，所述射频信号源6用于产生微波信号，所述功率调制器5用于对微波信号进行功率调制，实现对天线阵列单元的固定功率激励。
38.可选地，所述射频发射单元还包括带通滤波器4，所述带通滤波器4设置于功率调制器5和多路复用器3之间，用于滤除微波信号的谐波分量。
39.在一些实施例中，所述射频接收单元包括射频检波器7和微波参数读取电路8，所述多路复用器3、射频检波器7、微波参数读取电路8和计算机9依次连接，所述射频检波器7用于将高频回波信号转换为模拟直流参量，所述微波参数读取电路8包括数模转换器，用于将直流模拟参量转换为数字参量，对数据进行缓冲存储并传输至计算机9。
40.为了保证成像的精度，所述环形天线阵列中的每个微波天线1还用于依次作为发射天线向待测树木10发射微波信号，剩余天线作为接收天线同时接收回波信号；所述计算
机9用于将每次接收的回波信号参数进行一次叠加成像。参照图3。
41.为了进一步提升成像的精度，在一次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向旋转，继续向待测树木10发射微波信号并接收回波信号，并多次旋转所述环形天线阵列直至所述计算机9得到多组一次叠加的回波信号参数，所述计算机9将多组一次叠加的回波信号参数进行二次叠加成像。优选地，在一次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向旋转的角度小于环形天线阵列中两个相邻的微波天线1之间的角度。例如，在图3中，环形天线阵列中的微波天线1数量为八，相邻两微波天线1之间的角度为45度，每次旋转的角度为22.5度。在其他实施例中，具体旋转角度可以根据需要进行设置。旋转次数也可根据需要进行设置，旋转次数越多，精度越高。
42.计算机9中安装有微波信号分析软件，软件中可以预先设置阵列天线与树木之间的距离及方位、阵列天线的收发状态、微波信号的功率及频率等参数，用于对树木横截面内部信息提取的控制；微波信号分析软件通过与计算机连接的射频检波器读取微波信号参数，对受影响后的微波信号进行多参数分析，通过利用透射参数、反射参数、相位等参数的成像叠加，显示高精度的树木内部缺陷图。
43.由于木结构中的水分含量会引起微波信号衰减，导致检测漂移，此外木材腐烂或空洞造成的内部介电对比度高，导致入射电场再极化能力差，同样导致信号严重衰减。因此需要预先测试并定量分析含水率、密度、缺陷等的影响，排除木结构含水率和密度对缺陷检测的干扰，进而起到去除杂波、提升成像分辨率的作用。在系统正式扫描前，先开启定频预扫描，对木材密度、含水率、缺陷概况等进行初步分析建模，并指导系统调制其工作频段和功率，提升天线输出信号质量，提升层析成像精度。
44.由于木材内部结构个体化差异较大，其密度、含水率和缺陷都会对传感单元的微波特性产生影响，这里。目前已有“与密度无关”的物料含水率检测算法研究，通过检测物料的介电常数可以建立衰减a和相移与被测物料含水率mc之间的关系。假设微波透过木材后的衰减a和相移可表示为
[0045][0046]
φ＝δ-360n
[0047]
其中，|τ|为功率传输函数的模，pin为被测木材的入射信号功率，pout为穿过被测木材的穿出信号功率。
[0048]
根据电磁波入射有耗媒质的相关原理和近似条件，可得到如下公式
[0049][0050]
上式为衰减常数α、相移常数β与介质储能特性ε'和耗能特性ε”的关系，其中
[0051]
[0052][0053][0054]
整理可得：
[0055][0056]
即：
[0057][0058]
联立上式并解方程组，得：
[0059][0060][0061]
由此，可建立衰减a和相移与木材介电常数ε之间的关系。
[0062]
大量实验表面，在约3～30％含水率范围内，与密度无关，只与含水率有关，因此可被用作“与密度无关算子”。用微波方法测定木材含水率mc时通常不能直接检测木结构的复介电常数，而是测量一些由复介电常数决定的微波电参量，且由于这些电参量的检测手段比较方便，因此如果检测到某些电参量或其函数与有确实的含水关系，那么该函数也可用作“与密度无关算子”。
[0063]
将相移与衰减a作比可得
[0064][0065]
当上式ε'趋近于1时，可认为
[0066][0067]
对于大多数木结构满足ε'接近1的条件，所以可用作“与密度无关算子”来测量木结构含水率。
[0068]“与密度无关算子”能够消除木结构密度对微波检测的影响，而为了避免木材内部水分干扰，需要考虑水分与缺陷的解耦合问题。对于木柱而言，水分传递路径主要分为三种：从空气中吸收水分；自上而下进入木柱的水分，主要包括屋面漏雨或生物(如蝙蝠)排泄物中的水分；石柱础的冷凝水沿着柱底木纤维传递到木材内部。通过判断木柱同一高度部位不同深度的湿度差别判断水分传递路径类型。活木的含水率一般在60％—80％，木材的标准含水率为15％，而检测系统可以根据0％—20％、20％—35％、35％—50％、50％—65％、65％—85％的含水率分别调整天线频率为5.1ghz、3.5ghz、2.4ghz、700mhz、400mhz。面对高含水率的待测树木为了避免过高的功率对树木造成损伤，通过调整天线在低频以实现更好的穿透性。先启动定频预扫描，对木材含水率、缺陷概况等进行初步分析建模，再优化工作频段，最大限度减小含水率对微波参量的影响，选取搭配微波多衍生参量，消除含水率对传感单元微波特性的影响，校正木材缺陷检测模型，抑制杂波产生，提高层析成像质量。
[0069]
参照图4，利用本发明基于微波传感器阵列的木材断层层析成像系统对树木进行检测的流程如下：
[0070]
步骤s1、系统初始化。技术人员通过计算机初始化系统工作状态，确认各个模块能够正常工作，若初始化系统正常，则执行下一步，否则退出系统。
[0071]
步骤s2、定频快速预扫描。由于木材内部结构个体化差异较大，其密度、含水率和缺陷都会对传感单元的微波特性产生影响，因此在正式扫描之前，技术人员先开启定频预扫描，对木材密度、含水率、缺陷概况等进行初步分析建模，并指导系统调制其工作频段和功率，提升天线输出信号质量，提升层析成像精度。
[0072]
步骤s3、调整工作频率及功率。根据步骤s2的扫描结果，优化工作频段，最大限度减小含水率对微波参量的影响，选取搭配微波多衍生参量，消除含水率对传感单元微波特性的影响，抑制杂波产生，提高层析成像质量；调整天线功率，避免低功率导致的信号穿透深度过低和检测漂移，以及高功率对木材造成的损害。
[0073]
步骤s4、自适应扫频检测。技术人员在设置好天线参数之后，开启正式扫描。发射端与接收端的多路复用控制器调控射频开关实现对天线阵列的一对一扫描，每个天线依次作为辐照源辐照被测物体，各个天线同时接收回波的电磁信号，这样一是可以均衡各个天线的测量数据，对于一个由o个天线构成的系统，将天线1作为发射器，剩余天线作为接收器。第一步完成后，天线2被设置为发射器，其余天线被设置为接收器。重复执行该过程，直到天线o被设置为发射器，剩余天线被设置为接收器。
[0074]
步骤s5、多路复用提取微波参数。经过上述步骤，最终得到的独立测量数据总数m为m＝o(o-1)/2。在接收端通过引入射频检波器将高频微波参数转换为模拟直流参量，为后续的数据分析做好预处理。
[0075]
步骤s6、提取分析多衍生参数。如图5，将被测木材视为可被abcd矩阵替代的双端
口待测物，通过天线阵列单元配对后进行扫频测试初步获得s参数后，技术人员对微波参数中的基础参数进行分析，包括振幅、频率、相位等。根据散射参数推导表征材料特性的abcd矩阵，并使用特定数学模型推导多衍生参数(介电常数、介电损耗、反射系数、传输系数、相位常数、综合传播系数、特定层传播系数等)，对缺陷进行表征。
[0076]
将微波信号传输路径无缺陷的情况视为均匀介质，可以推导为特定abcd矩阵，进而通过cole-cole模型、nicolson-ross-weir方案、tisher模型分别构建面向复介电常数、反射传输系数、相位传播系数等形式的木材基础建模。当s参数测试异常则代表该区域存在介电特性分布缺陷(腐朽或空洞等)，将该横向传输区域视为三层介电叠加状态且一、三层特征一致，中间层(即缺陷层)具备不同的介电磁导特性分布，使用musil-zacek方案进行建模，通过反射参数s11和传输参数s21对正常层和缺陷层的符合传播系数γ1和γ2进行推导计算(公式1)(公式2)，进而通过newton-raphson近似，从公式中进一步提取介电特性。
[0077]
公式：
[0078][0079]
其中：
[0080][0081][0082][0083][0084][0085]
不同衍生参数反映不同的微波散射参数特征，利用多种衍生参数表征被测木结构的散射场，通过全波电磁仿真建立高精度成像模型，分析微波散射参数及多衍生参数对缺陷检测的极化映射机制，并定量分析基于多种衍生参数的微波成像性能，选取搭配表征参数，或构建综合多种衍生参数的散射场表征体系，为提升微波成像特性提供有力支撑。
[0086]
步骤s7、迭代修正数据。基于微波信号的多种衍射参数进行图像重建，通过多次不同参数的图像结果叠加，提升成像精度。除此之外，如图3，技术人员通过将天线阵列整体旋转一定角度，对树木进行二次扫描，通过计算机将两次扫描的成像结果叠加，提升微波成像结果。根据此思想，可近乎无限提升树木内部缺陷图的精度和分辨率，并且运用此方法可适
当减少天线的数量，天线最低数量为2，通过天线的多次移动进行成像，降低成本。
[0087]
步骤s8、有限元建模分析，生成高精度层析成像。技术人员利用计算机上的微波信号分析软件采集到的微波参数，基于多参数进行有限元建模分析，并且成像软件可提供基于复介电常数、反射传输系数、相位传播系数等不同物理机制的二维断层微波层析成像，清晰反应缺陷位置与轮廓，并能够显示内部腐朽与空洞状态。
[0088]
在其中一实施例中，在二次叠加成像之后，所述环形天线阵列沿轴向运动，继续向待测树木10发射微波信号并接收回波信号，所述环形天线多次运动使所述计算机9进行多次不同高度的二次叠加成像，并将多次不同高度的二次叠加成像叠加以得到待测树木10内部的三维图形。参照图6。
[0089]
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。