[发明专利]一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法

说明书

技术领域

本发明属于热声成像领域，具体涉及一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法和装置。

背景技术

低密度材料具有密度小，质量轻的特点。低密度材料的侵入到其他物质中即产生低密度异物。X射线是目前异物检测的主要手段，根据X光在不同物质材料上的穿透能力差别来检测异物，异物与材料的密度差别越大，越容易被检测到。然而，大多数X光机不能检测诸如极薄的玻璃、木屑、竹签、塑料、棉线、低密度软骨等低密度异物。利用热声成像反映电磁学参数差异的特性可以对X光成像无法分辨的低密度异物进行高对比度的成像检测(邢达、曾吕明，一种利用热声成像检测异物的方法及其装置，ZL200710026646.7)。然而，目前的热声成像方法只能根据物质电磁吸收特性检测到异物的位置，尚未有报道能够实现异物种类鉴别的方法。比如，无微波吸收的玻璃和木屑，其介电常数和电导率相近，在热声成像检测中它们和周围组织的对比度无明显差异，由于无法鉴别异物种类给后续的异物清理造成了一定的障碍。

脉冲微波激发的热声波是一种位于超声频段的机械波，具有方向性好、穿透能力强、在界面上会发生反射和透射、无电离损伤的特点。热声波在介质中的传播速度不仅与传播的波型有关，更与传播介质的特性如密度、弹性模量等密切相关。热声波声速是反映材料特性的重要参数，当物质密度变化时热声波在其中的传播特性也会随着变化，这种变化主要体现为热声波速度和声波透射信号强度的变化。物质密度与声波速度变化的关系较为明确，密度越高声波在 其中的传播速度越大，因此可以通过对声速的测量来确定材料的密度。

基于超声反射的超声成像方法在材料无损检测领域已经有了广泛的应用，发射超声在声阻抗差异的界面会具有不同的反射率，通过探测超声回波信号能够实现超声成像检测。但是，当被检测材料中存在低密度异物并且两者的声阻抗非常接近时，超声反射率会极低，无法利用超声反射回波进行成像。所以，低密度异物仍然是超声对材料检测的盲区。热声成像利用异物的与周围物质的微波吸收差异产生内源性热声源，异物中声传播速度的变化引起可探测的热声渡越时间的改变，根据计算的声速可以实现异物种类鉴定。热声成像克服了超声成像检测的盲区，同时实现了异物检测定位及种类鉴别，具有较大的应用价值。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法。

本发明的另一目的在于提供一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像方法，包括以下步骤：

(1)获取热声图像：通过脉冲微波激发低密度异物及周围物质产生热声效应，热声信号被热声探测器接收，然后经放大器放大后送入数据采集系统进行数据采集记录，最后利用滤波反投影算法重建热声图像，确定低密度异物的位置；

(2)获取声速分布图像：通过脉冲微波激励热声探测器的阵元与周围物质的界面，由于两者存在微波吸收差异会产生热声波信号，热声波信号遇到低密度异物后产生透射声波信号，透射的热声波信号被对向位置的热声探测器阵元接收，然后经过放大器放大后送入数据采集系统，由于声波在低密度异物与周 围物质中传播速度不同引起透射声波到达对向位置的热声探测器阵元的时间改变，最后根据热声波渡越时间重建低密度异物的声速分布图像；

(3)根据步骤(2)所获取的低密度异物声速值，根据常见物质的声速与探测到的异物的声速比较，实现异物种类的鉴别。

所述低密度异物为密度与周围物质密度差异小于50％的物质。因此本发明方法可以应用于如金属物质中检测石块，组织或琼脂中检测玻璃屑、木屑、竹签、塑料、棉线、低密度软骨等方面。

优选的，步骤(1)和步骤(2)所述热声探测器为多元环形阵列探测器；其阵元数目为1～1024，主频为1～75MHz。

优选的，步骤(2)所述脉冲微波激励信号为脉宽1ns～200ns的窄脉冲微波信号。

优选的，步骤(2)中通过脉冲微波激励热声探测器与周围物质的边界处激发出热声波信号。

优选的，步骤(2)中所述声速分布图像根据热声波在物质中传输时间的改变，通过微分得到。

一种低密度异物检测及种类鉴别的热声成像装置，包括脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4；所述脉冲微波激发源模块1-1，热声波信号接收和发射模块1-2，热声波信号采集和处理模块1-3，以及图像重建软件模块1-4依次连接。