一种微波锁相热成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无损检测、目标探测和医学成像等技术领域，特别是涉及一种微波热 成像检测、探测和成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代科学和工业技术的发展，无损检测技术已成为保证产品质量和设备运行 安全的必要手段。目前具有代表性的无损检测技术主要有射线检测、超声检测、渗透检测、 磁粉检测、涡流检测以及热成像检测等技术。
[0003] 热成像检测技术采用热源对被检对象进行加热，采用热像仪观测和记录被检对象 表面的温度变化信息，以对被检对象表面及内部的缺陷进行检测和评估。热成像检测技术 具有非接触、非破坏、无需耦合、检测面积大、速度快等优点，已广泛应用于航空、航天、石 油、化工、电力、核能等领域。
[0004] 热成像检测技术可以分为脉冲热成像检测技术、阶跃热成像检测技术、锁相热成 像检测技术以及脉冲相位热成像检测技术。脉冲热成像检测技术采用高能量短时脉冲进行 加热，操作简单，易于定量，但可能对被检对象的表面造成热损伤。阶跃热成像检测技术采 用低能量长脉冲进行加热，易于定量，但是易受加热不均匀、表面发射率变化等影响。锁相 热成像检测技术采用周期性变化的热波进行加热，采用幅值和相位图像进行缺陷检测，具 有抑制加热不均匀、表面发射率变化等优势，但是深度分辨率小，检测时间长。脉冲相位热 成像检测技术融合了脉冲和锁相热成像检测技术的优点，采用多个频率的相位图进行缺陷 检测，但是高频成分能量较低。
[0005] 热成像检测技术采用的热源多种多样，从物理角度而言，有闪光灯、红外线、超声 波、涡流、激光等。根据热源物理性质的不同，热成像检测技术包含闪光灯热成像检测技术、 超声波热成像检测技术、涡流热成像检测技术和激光热成像检测技术等。每种热源具有自 己的独特优势和适用对象。
[0006] 微波加热就是利用材料的介质损耗，对物体进行加热的过程，具有加热均匀、速度 快、可选择性加热、热惯性小、无污染等特点。国外已有学者对微波加热的热成像检测技术 进行了研宄。文献[1]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术，采用热像图上某一路径 的温度轮廓线进行缺陷检测。文献[2]提供了一种微波脉冲热成像缺陷检测技术，采用脉 冲调制微波进行加热，采用不同时刻的热像图进行缺陷检测。文献[3]提供了一种微波热 成像检测系统，采用函数发生器和继电器控制商用微波炉的开关，对被检对象进行断续加 热，系统集成度较低，功能简单，不实用。现有微波热成像缺陷检测技术存在以下不足：1)缺 陷检测方法主要依赖原始的热像图和瞬态温度曲线，易受噪声干扰；2)难以克服加热不均 匀和表面发射率的干扰；3)受热波信号衰减影响，检测深度较小。
[0007] 热成像是一种主要的医学成像技术，通过探测人体体表的热辐射进行疾病的诊 断。热成像技术早在1970年就应用于乳腺疾病的诊断。美国食品药品监督管理局于1983 年正式批准热成像技术可应用于临床诊断。随着计算机技术和探测传感器技术的高速发 展，开发出红外热层析成像技术。该技术除了具有常规热成像技术的功能外，还可利用计算 机技术结合恰当的数学模型对热像进行分析和解读，获得体内的热源深度、形状、分布、热 辐射值，并依据正常和异常细胞代谢热辐射的差别进行分析，方便医生对热像图进行判断。
[0008] 近年来，已有学者对微波热成像诊断技术进行了研宄。文献[4]提出了计算机编 码的脉冲调制微波辐照生物组织，采用红外热成像的方式观察分层仿生体模中各层的温度 分布。文献[5]采用红外热成像仪测量微波辐射器辐照之后分层仿生体模的表面温度，对 微波热疗中透热深度进行了研宄。
[0009] 一些学者对微波热成像目标探测技术进行了研宄。文献[6]提供了一种微波热成 像目标探测系统及方法，采用不同时刻的热像图对埋在地下的目标进行探测。
[0010] 本发明公开一种微波锁相热成像（Microwavelock-inthermography,MW-LIT) 系统及方法。具有信噪比高、可抑制发射率变化、检测深度大等优点，可广泛应用于介质材 料、复合材料、非金属材料等的无损检测、生物组织的医学成像以及地下目标的探测等领 域。
[0011] 参考文献。
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【发明内容】
[0018] 本发明目的是针对现有微波热成像技术的不足，提供一种微波锁相热成像系统及 方法。系统由控制模块、微波产生装置、锁相信号产生装置、幅度调制装置、功率放大器、天 线、热像仪、微波防护装置、计算机及多个算法模块等组成。系统采用被周期性锁相信号幅 度调制后的连续微波对被检对象进行周期性加热，在被检对象内部产生周期性变化的热 波，采用热像仪记录被检对象表面的温度变化。根据锁相信号或无缺陷区域的温度信号设 定参考信号。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作 为特征值；对温度信号和参考信号进行锁相相关，提取锁相频率的幅值和相位等作为特征 值。采用被检区域所有像素点的特征值进行成像。该方法及系统具有信噪比高、可抑制发 射率变化、检测深度大等优势，可应用于无损检测、医学成像和目标探测等领域。
[0019] 一种微波锁相热成像系统，主要包括： 1) 控制模块，用于设定系统工作参数，控制系统运行； 2) 微波产生装置，用于产生频率固定的连续微波，并传输到幅度调制装置； 3) 锁相信号产生装置，用于产生周期性锁相信号，如正弦波信号、脉冲波信号，并把锁 相信号传输到幅度调制装置； 4) 幅度调制装置，用于把微波和锁相信号进行幅度调制后作为激励信号，并把激励信 号传输到功率放大器； 5) 功率放大器，用于把激励信号进行功率放大，并把放大后的激励信号传输给天线； 6) 天线，用于发射激励信号至被检对象，并周期性加热被检对象； 7) 热像仪，用于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； 8) 微波防护装置，用于防止微波泄漏； 9) 平台，用于放置和固定被检对象； 10) 被检对象，被检测的对象，其内部可能含有裂纹、气泡、脱层、水分等损伤或肿瘤等 病变组织（以下简称缺陷或肿瘤等病变组织为缺陷）； 11) 计算机，用于存储、显示、处理和分析热像仪传输的温度信号，并执行以下模块； 12) 参考信号设定模块，用于设定参考信号； 13) 傅里叶变换模块，把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 (差分）幅值和相位作为特征值； 14) 锁相相关模块，把温度信号和参考信号进行锁相相关，提取特定频率的幅值和相位 作为特征值； 15) 成像模块，把被检对象的被检区域每个像素点的特征值进行成像显示。
[0020] 基于一种微波锁相热成像系统的一种微波锁相热成像方法，包括如下14个步骤： 1)把被检对象置于微波防护装置里边的平台上，调整好天线和被检对象的位置，使天 线可对被检对象的被检区域进行加热，调整热像仪的位置和各项参数，使热像仪的视场覆 盖被检对象的被检区域。
[0021] 2)采用控制模块设定系统工作参数，触发系统开始运行。
[0022] 3)微波产生装置为磁控管或其它连续微波源，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。
[0023] 4)锁相信号产生装置产生周期性锁相信号，如正弦波信号或脉冲波信号，并把锁 相信号传输到幅度调制装置。
[0024] 5)幅度调制装置把微波和锁相信号进行幅度调制后作为激励信号，并把激励信号 传输到功率放大器。
[0025] 6)功率放大器把激励信号进行功率放大，并把放大后的激励信号传输到天线。
[0026] 7)天线把激励信号发射到被检对象的被检区域，对被检区域进行周期性加热，被 检对象内部产生周期性变化的热波，缺陷的存在改变了热波的幅值和相位，即造成热波异 常。
[0027] 8)热像仪记录被检对象的被检区域表面周期性变化的温度信号，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。
[0028] 9)控制模块控制微波产生装置、锁相信号产生装置、幅度调制装置等结束运行。
[0029] 10)计算机存储温度信号，并运行以下模块。
[0030] 11)参考信号设定模块根据锁相信号产生参考信号