2) 采用控制模块设定系统工作参数，触发系统开始运行； 3) 微波产生装置为磁控管，产生频率为0. 915G或2. 45GHz的连续微波，并把微波传输 到幅度调制装置； 4) 调频信号产生装置产生调频信号，如线性调频信号或其它非线性调频信号，并把调 频信号传输到幅度调制装置； 5) 幅度调制装置把微波和调频信号进行幅度调制，产生激励信号；如调频信号是线性 调频的，则激励信号也是线性调频的；如调频信号是非线性调频的，则激励信号也是非线性 调频的；幅度调制装置把激励信号传输到天线； 6) 天线把激励信号发射到被检对象的被检区域，对被检区域进行体积型加热，被检对 象内部产生不同频率的热波； 7) 热像仪记录被检对象的被检区域表面随时间变化的温度信号，并把温度信号传输给 计算机，该温度信号可反映被检对象内部由缺陷造成的热波异常； 8) 控制模块控制微波产生装置、调频信号产生装置、幅度调制装置等结束运行； 9) 计算机存储温度信号，并运行以下模块； 10) 参考信号设定模块设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号； 11) 傅里叶变换模块对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和 相位信号，提取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率等参数作为特征值； 12) 时域互相关模块对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系 数，提取特定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等参数作为特征值； 13) 频域互相关模块对调频信号和温度信号进行频域互相关，获得不同延迟时间的互 相关幅值和相位，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及互相关幅值和相位的峰值延 迟时间等参数作为特征值； 14) 成像模块对被检区域内所有像素的温度信号重复步骤11)-13)，获得每个像素点 的特征值，进行成像显示，对被检对象的内部缺陷进行检测识别，对被检对象不同深度的信 息进行成像。
4. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，调频信号产生装 置产生线性调频信号或非线性调频信号，且调频信号的各项参数可以调整；调频信号的最 小频率决定了本发明所能检测的最大深度，计算公式为：
上式中，〃为被检对象的热扩散系数，/；为调频信号的最小频率。
5. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，天线对被检对象 进行体积型加热，加热功率M表示为：
上式中，《为微波角频率，％为绝对介电常数，f 〃为损耗因子，i?为微波电场，K为被 检对象体积；由于微波电场正比于激励信号的幅值，因此加热功率也随着激励信号的幅值 进行变化；由于激励信号包含多个频率成分，因此，被检对象产生的热量也包含多个频率成 分，即被检对象内部产生多个不同频率的热波；如果被检对象中存在缺陷，则缺陷区域产生 的热量与等同体积的被检对象材料产生的热量不同，就会造成被检对象内部的热波异常。
6. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，被检对象表面的 温度变化可以反映内部缺陷的情况；被检对象表面的温度可以表示为：
上式中，《为微波角频率，％为绝对介电常数，为损耗因子，i?为微波电场， 被检对象质量，P为被检对象密度，0?为被检对象热容量，?为时间；被检对象表面的温度 信号也是随着激励信号的幅值逐渐变化的，变化的趋势与调频信号的幅度变化基本类似； 缺陷造成的热波异常能否传递到被检对象表面，是决定缺陷能否被检测的关键；根据热波 理论，热波的扩散深度#可表示为： 扩散速度r可以表示为：
上式中，〃为被检对象的热扩散系数，^^为热波角频率；可见，频率较低的热波扩散速 度慢，但是扩散深度大；当缺陷深度较小时，高频和低频的热波异常都会扩散到表面；当缺 陷深度较大时，只有低频的热波异常会扩散到表面；因此，通过分析被检对象表面的温度信 号，就可以分析不同频率的热波异常，进一步对被检对象内部的缺陷进行检测。
7. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，傅里叶变换模块 的实现方法是：第一步，对温度信号进行快速傅里叶变换，得到频域的幅值和相位信号，提 取特定频率的幅值和相位以及幅值和相位的峰值频率作为特征值；第二步，对参考信号进 行快速傅里叶变换，得到频域的参考幅值和相位信号；第三步，从频域的幅值和相位信号中 减去频域的参考幅值和相位信号，得到频域的差分幅值和相位信号，提取特定频率的差分 幅值和相位以及差分幅值和相位的峰值频率等作为特征值。
8. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，时域互相关模块 的实现方法是，对温度信号和参考信号进行互相关，获得不同延迟时间的相关系数，提取特 定延迟时间的相关系数以及相关系数曲线的峰值延迟时间等作为特征值。
9. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，频域互相关模块 的实现方法是：第一步，对参考信号进行快速傅里叶变换和复共轭运算后得到频域参考信 号；第二步，对参考信号进行希尔伯特变换得到正交参考信号，对正交参考信号进行傅里叶 变换和复共轭运算后得到频域正交参考信号；第三步，对温度信号进行傅里叶变换得到频 域信号；第四步，对频域信号和频域参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶变换和求实部运 算后得到实部信号；第五步，对频域信号和频域正交参考信号进行乘法运算、逆快速傅里叶 变换和求实部运算后得到虚部信号；第六步，对实部信号和虚部信号求幅值和相位后，得到 互相关幅值和相位信号；第七步，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位作为特征值，提取 互相关幅值和相位的峰值延迟时间作为特征值。
10. 根据权利要求3所述的一种微波调频热波成像方法，其特征在于，成像模块的实现 方法是：对被检区域内所有像素的温度信号重复根据权利要求3中步骤11)-13)，获得每个 像素点的多个特征值；采用根据权利要求3步骤11)获得的峰值频率、步骤12)获得的峰值 延迟时间、步骤13)获得的峰值延迟时间等特征值进行成像，可检测被检对象内部是否存 在缺陷，具有对比度高、抗干扰性强等优势；采用根据权利要求3步骤11)获得的不同频率 的幅值和相位进行成像，可观察被检对象不同深度处是否存在缺陷，频率越小，所对应的检 测深度越大，对应公式为：
上式中，//为检测深度，^^为热波角频率；采用根据权利要求3步骤12)获得的不同 延迟时间的相关系数、步骤13)获得的不同延迟时间的互相关幅值和相位等特征值进行成 像，可观察被检对象不同深度处是否存在缺陷，延迟时间越大，所对应的检测深度越大，对 应公式为： 上式中，^为延迟时间。
【专利摘要】本发明公开了一种微波调频热波成像系统及方法。系统采用被调频信号幅度调制后的微波对被检对象进行加热，采用热像仪记录被检对象表面的温度。设定调频信号或无缺陷区域的温度信号为参考信号。对温度信号和参考信号进行快速傅里叶变换，提取特定频率的幅值和相位以及峰值频率等作为特征值；对温度信号和参考信号进行互相关，提取特定延迟时间的相关系数以及峰值延迟时间作为特征值；对温度信号和参考信号进行频域互相关，提取特定延迟时间的互相关幅值和相位以及峰值延迟时间等作为特征值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及系统具有抗干扰性强、深度信息丰富、检测时间短等优势，可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。
【IPC分类】G01N25-72, G01N25-20
【公开号】CN104677944
【申请号】CN201510132699
【发明人】何赟泽, 杨瑞珍
【申请人】何赟泽
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月25日