[发明专利]超短脉冲微波热声成像方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于热声成像技术领域，特别涉及一种超短脉冲微波热声成像方法及其装置。

背景技术

近年来，热声效应以及热声成像技术的研究受到越来越多的关注。用高功率短脉冲微波辐照某种物质时，该物质吸收微波能引起瞬间温升，在微波激发脉宽比较窄的情况下，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，物质将发生绝热膨胀，将热能转化为超声波形式的机械能辐射出去，即为热声效应。热声效应实际上是一种能量转换过程，根据热传导方程及波动方程可知：热声信号的产生不仅与激发源有关，还与被物质的热力学及电磁学特性有关。

微波热声成像利用脉冲微波作为激发源，通过探测超声波实现反映物质微波吸收的图像重建。相对于微波成像来说，热声成像利用探测到的超声波信号进行图像重建，从而大大提高了成像分辨率。典型的微波成像是用天线或天线阵发射一定频率的电磁波照射被测物体，接收天线检测被测物体的散射场，物体的形状和空间分布的信息就包含在散射场中，利用散射场的信息对被测物体进行图像重构。在微波散射成像中，要得到高分辨率的图像就需要波长更短即频率更高的微波源。由于生物组织对电磁波的传播损耗，高频率的微波信号在组织中传播会存在严重的衰减，因此，为了保证足够的探测深度，微波频率不宜过高。然而，低频的微波具有较长的波长，成像分辨率较低，这大大限制了微波成像技术在生物医学中的应用。微波热声成像则完全避开了微波散射问题，利用较低的微波频率实现高的穿透深度及高的成像分辨率。目前，微波热声成像系统可以实现cm级的穿透深度及mm级的成像分辨率。

超短脉冲微波源有别于传统的微波源，它的结构更紧凑，脉冲宽度更窄，频带更宽。时域上，超短脉冲微波系统采用脉宽为ns级，上升沿为ps级的脉冲源，可以达到更高的成像分辨率。超短脉冲微波具有穿透能力强、传输速率高、能提供毫米级定位精度等特点，可以将超短脉冲微波技术应用于成像系统当中。目前国内的超短脉冲微波研究机构主要有国防科技大学刘金亮，西北核工业研究所袁雪林等。其中国防科技大学研制的超短脉冲微波上升沿可以达到几百ps，脉宽可以达到几个ns，功率可以达到几百MW。近年来，超短脉冲微波探测成像在诸如早期乳腺肿瘤等近场目标的探测成像，探地雷达，雷达通信等中的应用日益受到广泛的关注，超短脉冲微波用于热声成像未见报道。

热声成像激发源为脉冲微波，根据热声成像理论，要得到高分辨率的图像就需要持续时间很短的激发源。现有热声成像装置的激发源一般为调制器、振荡器系统，即采用脉冲调制的技术实现几百ns脉冲宽度的电脉冲驱动磁控管振荡产生微波。由于磁控管的工作需要一定的维持时间，要进一步减小脉冲宽度非常困难。此外，这种微波源微波频率固定，不能任意调节，不易根据样品的吸收特性选择合适的微波激发频率。根据微波脉冲宽度与成像分辨率的关系，微波脉宽越窄，热扩散越小，热声激发效率越高，热声信号持续时间越短，热声成像分辨率越高(Kruger，Liong Wang等)。目前国际上各个研究小组的热声成像系统普遍采用峰值功率几十KW，脉宽1μs左右的短脉冲微波(Kruger，Wang)。基于同样原理的光声成像系统激发源则采用脉宽10ns，峰值功率几十MW的脉冲激光。光声成像分辨率能达到几十μm，而热声成像系统分辨率目前只能做到mm级，从某种意义上说，微波的脉冲宽度严重影响了热声成像分辨率。

发明内容

为了克服现有光声成像技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种小型化，高分辨率，无损的超短脉冲微波热声成像装置。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述装置进行高分辨率热声成像的方法；该方法利用ns级宽度超短脉冲微波进行热声成像，能大大提高成像分辨率

本发明的目的通过下述技术方案实现：超短脉冲微波热声成像装置，该装置包括超短脉冲微波发生器、超声探测器和数据采集及图像重建装置；所述超短脉冲微波发生器包括初级能源、控制系统、触发电路、高精度充电系统、高压脉冲发生器、高压脉冲形成线、高压气体开关和脉冲发射天线；所述数据采集及图像重建装置用于将超声探测器探测到的热声信号进行图像重建，得到反映样品微波吸收的热声图像，包括前置放大器、数据采集卡、数据处理卡、图像重建软件和计算机。

所述超短脉冲微波发生器产生的超短脉冲微波的脉冲宽度为100ps～100ns。