專利名稱：平面波天線零橋斷層成像測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于非金屬材料的無損檢測和斷層成像技術(shù)。同時也適用于生物樣品的斷層檢測。
計算機輔助掃描斷層成像(ComputerisedTomography)技術(shù)，簡稱C.T技術(shù)，是1956年由射電天文學(xué)家布萊歇爾(Bracewell)實際建立起來的?，F(xiàn)有的CT技術(shù)主要用于醫(yī)學(xué)上，是用x射線斷層掃描來檢測生物體。目前這一技術(shù)正在發(fā)展，其照射源已有光波、核磁波、聲波、超聲波等。用微波和毫米波作照射源是最近幾年開始發(fā)展起來的，歐美不少國家都在抓緊研制，采用微波源制做的CT系統(tǒng)是用于材料和加工件以及生物樣品的無損探測和斷層成像的新技術(shù)，這種系統(tǒng)的全稱是MicrowaveDiffractedComputerisedTomography，簡稱MCT。
目前世界各國研制的焦點是微波照射系統(tǒng)和檢測方法，在西班牙的巴塞納(Barcelona)研究生院建立的MCT系統(tǒng)，是一個由64個波導(dǎo)單元組成的柱面波陣列，系統(tǒng)龐大，檢測和數(shù)據(jù)處理都非常復(fù)雜，影響了計算時間和效果，難于推廣。在英舍菲爾德(Sheffield)大學(xué)，在馬可尼公司資助下正在研制的MCT系統(tǒng)。至今已做出的設(shè)備仍存在著模糊度大、圖像失真大、易受雜散信號干擾和系統(tǒng)校正困難等問題，難以得到予期的可用斷層圖像。其他如西德的ErlangenNurnberg大學(xué)和澳大利亞的Woll－ongong研制的MCT系統(tǒng)也都存在著分辨力差和斷層圖像不清晰的缺點。
現(xiàn)有的MCT系統(tǒng)存在的突出問題，概括起來主要有以下三點一是幾乎所有的MCT系統(tǒng)，均未實現(xiàn)平面波照射，而采用的信息處理軟件卻是適用于平面波的Born和Rytov近似方程。
二是這些系統(tǒng)對弱信號(微波散射信號)的測量精度、分辨率和穩(wěn)定重復(fù)性都較低。
三是系統(tǒng)復(fù)雜，檢測和數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，工程實用性差。
本實用新型的任務(wù)是針對上述已有技術(shù)存在的問題、設(shè)計和調(diào)試出一套可以直接獲得平面波照射函數(shù)，能精確測定弱散射信號的適于工程應(yīng)用的MCT系統(tǒng)。
整個MCT系統(tǒng)是比較龐大的，系統(tǒng)涉及面廣、理論復(fù)雜，下面分兩步講述其原理第一原理和系統(tǒng)的總體介紹；第二重點分析其中的核心部分——微波照射和信息檢測器。
第一MCT圖像重構(gòu)原理及系統(tǒng)組成附

圖1是MCT圖像重構(gòu)(Image Reconstruction)原理示意圖，它可以描述在不損壞被測物的物理特性和結(jié)構(gòu)條件下，提取被測物體內(nèi)部斷層平面圖像的原理。由附圖1可見，被測物體的斷層(1)受平面波照射后，在掃描測試平面(2)上，獲得繞射后的散射場信號(3)，將信號(3)代入由求解波動方程所建立的卷積積分方程中，作一維富立葉變換，則得到在富氏平面上的一條園弧(4)，再作變園弧(4)為直線(5)的坐標(biāo)變換，最后經(jīng)二維富里葉逆變換(2DFFT－1)重構(gòu)出被測物件斷層面的圖像(6)。
附圖2是本實用新型的技術(shù)方案構(gòu)成方框圖，其基本工作過程是首先由微波信號源(7)發(fā)射出等幅振蕩信號，該信號進入微波照射和信息檢測器(8)被測目標(biāo)被置于該裝置內(nèi)，由程控掃描及旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(9)控制目標(biāo)的橫向掃描位移Δx和繞自身軸心旋轉(zhuǎn)運動角Δφi，由該檢測器獲得的微波參考信號和被測信號經(jīng)參考信號通道(17)和被測信號通道(16)后進入兩路幅相接收機。所檢測出的直流電平(與被測信號的幅度和相位有關(guān))再進入模／數(shù)轉(zhuǎn)換器及接口電路(11)，被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后存入電子計算機(12)；經(jīng)過電子計算機進行數(shù)據(jù)處理和計算后，送入圖像顯示器(13)顯示出重構(gòu)的圖像。同時，全部數(shù)據(jù)均可送入外存貯器(14)存貯待用；打印機(15)可以打印由圖像處理后得到的定量分析結(jié)果，由以上工作過程可見，由于除單元(8)外的裝置均為工程上常用的裝置，本實用新型的重點就是在現(xiàn)有技術(shù)(9－15)的基礎(chǔ)上采用下斜饋拋物面天線產(chǎn)生平面波照射配合零橋環(huán)路，以實現(xiàn)微波照射和信息檢測器的功能。
第二拋物面下斜饋零橋裝置的工作原理附圖3是拋物面下斜饋零橋裝置工作原理示意圖，從附圖3可以看出，微波信號源(7)產(chǎn)生的等幅信號，經(jīng)隔離器(7′)進入是向耦合器(19)，然后分為兩路一路由耦合臂(19′)傳至諧波混頻器(20)，混頻后產(chǎn)生的差頻信號由通道(17)進入兩路幅相接收機(10)作為參考信號；另一路經(jīng)過另一個定向耦合器(22)又分兩路其一進入主通道(27)充當(dāng)拋物面下斜饋照射波的振源，產(chǎn)生照射被測物(1)的平面波(21)；其二進入零橋支路(22′)充當(dāng)?shù)窒盘?，它通過粗調(diào)衰減器(23)、移相器(24)和精密極化衰減器(25)進行幅相調(diào)整后，用來抵消來自測試支路(32)的入射波分量。由附圖3還可以看出，平面波(21)照射被測物(1)后，通過被測物的被測截面(即斷層)產(chǎn)生的目標(biāo)透射散射波被接收天線(33)(用終端開路波導(dǎo)作喇叭天線)接收后進入測試支路(32)，這種散射波是能反映被測物斷層特征的有用信號，與此同時也會有一部分照射波沒有穿過被測物，而直接進入用開口波導(dǎo)制成的接收天線(33)和測試支路(32)，這種信號就是進入測試支路的入射波分量，這種分量是無用而且有害的。因此，必須予以抵消。前面提到的進入零橋支路(22′)的抵消信號，通過定向耦合器(30)進入測試支路(26)，恰好把這種有害的入射波分量抵消。所剩下的凈透射散射波進入混頻器(31)，混頻后的差頻經(jīng)過通道(16)進入寬帶幅相接收機(10)，來自(16)和(17)的兩路信號在接收機(10)中經(jīng)過幅度和相位比較與檢測后，得到能精確反映被測斷層特征的模擬信號，然而把這種信號送進D／A轉(zhuǎn)換器和計算機接口電路(11)，進而通入電子計算機(12)作數(shù)據(jù)處理。
在附圖3中(28)為饋源喇叭，(36)為拋物面反射體，(35)為測試罐，這些將在后面結(jié)合特征介紹，本實用新型的特征在于在微波照射和信息檢測器(8)中，采用下斜饋拋物面天線與零橋測量系統(tǒng)合為一體的獨特設(shè)計。下面將結(jié)合附圖3和附圖4進一步介紹。
附圖4是附圖3中AA′平面的剖視圖，為使圖形清晰，只畫出測試罐及其內(nèi)部有關(guān)物體的剖視圖，它可以說明下斜饋電結(jié)構(gòu)和原理。從附圖4中可以看到，本實用新型采用的下斜饋電方式，可以使所產(chǎn)生的平面波(21)的陣面不受饋電結(jié)構(gòu)的影響，由此可以充分利用拋物面反射體制作簡單和精度高的優(yōu)點。實際實施中，采用了窄波束喇叭(28)，其實現(xiàn)方法是改變波導(dǎo)E面高度，而寬邊(即H面)保持不變，這種方法可以使垂直方向波束寬度變窄，而水平方向則仍為普通球面波陣面。將該特制饋源喇叭放置拋物面天線(36)的焦點上，照射拋物面后就能得到相應(yīng)的平面波(21)；該平面波仍具有垂直方向為窄波束，而水平方向為平面波陣面的特征。從而獲得MCT的特殊照射場要求。這種方式形成的發(fā)射天線，比用同一發(fā)射源的點源喇叭或其他饋電方式的拋物面天線相比較，有兩個突出優(yōu)點一是被測物可以盡量靠近天線拋物面的口徑面，使照射場功率電平大大提高，二是對用開口波導(dǎo)(其尺寸與喇叭口相等)制作的接收天線(33)的位置，無特殊要求，可以在水平方向任一點固定，而無需像采用點源喇叭時那樣，必須把收發(fā)兩天線調(diào)到同一直線上。由于產(chǎn)生的波陣面(21)為等幅等相的平面波，即使固定接收天線，通過零橋抵消其中一波束產(chǎn)生的信號，就等于在整個掃描平面(2)(見附圖1)上抵消了入射波信號。而通常的點源天線，即使采用遠(yuǎn)場近似(即使目標(biāo)遠(yuǎn)離發(fā)射源)。也難于實現(xiàn)在平面(2)上的入射波調(diào)零作用。因而這樣將被測物的經(jīng)向尺寸增大而不失去分辨率，這對進一步探討將微波CT用于工業(yè)檢測和醫(yī)學(xué)生物體檢測都提供了新的基礎(chǔ)。
采用零橋環(huán)路(22)與下斜饋拋物面天線制成的發(fā)射源相配合，可以起到很好的效果。當(dāng)天線(33)接收到入射波并轉(zhuǎn)入信號支路(32)時，由發(fā)射源所產(chǎn)生的入射波的一部份也進入零橋參考支路(22)。這時只要調(diào)節(jié)粗衰減器(23)、移相器(24)和精密極化衰減器(25)，使這一入射波分量經(jīng)定向耦合器(30)后，同信號支路(32)來的入射波分量等幅、反相相互抵消，所剩下的目標(biāo)散射分量進入通道(16)后被輸入到接收機(11)。這樣零橋就可以輔助拋物面天線，實現(xiàn)對微波散射信號的精確測定。采用下斜饋拋物面天線零橋調(diào)諧即容易，且零電平也低得多，可穩(wěn)定地工作在低于參考通道(17)的參考信號電平－50－－70分貝，克服了系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點。
本實用新型的另一特征是固定天線，而移動被測物體。一般的CT均采用天線或接收裝置掃描的方法，這樣不利于平面波對被測物各點的均勻照射。而且克服了天線移動掃描的重復(fù)性不良和附加相移無法抵消的缺陷。在本實施例中，被測物(1)被按裝在一個既可移動又可轉(zhuǎn)動的測試架上，程控掃描與轉(zhuǎn)動機構(gòu)(9)分別輸出兩套電機傳動系統(tǒng)，使測試架在測試(35)內(nèi)作Δx和Δφi的運動。這種電機傳動系統(tǒng)和車床的步盤與刀架傳動系統(tǒng)類似，極為普通，因此不再詳述，附圖4中也未畫出。在程控掃描與轉(zhuǎn)動機構(gòu)(9)控制下，被測物(1)可做Δx和Δφi′的運動，即可完成全程掃描。為獲得良好的測試效果，在測試(35)中充有媒質(zhì)，如果被測物是工業(yè)用非金屬材料，則罐內(nèi)可加εr＝2.16的油，或其他具有接近被測物質(zhì)特性的媒質(zhì)，若被測物是生物樣品，則通常加入水為媒質(zhì)?？傊?，采用這種頂部開口的罐式結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)該系統(tǒng)的不同用途。
由上述分析可見，本實用新型的發(fā)明，關(guān)鍵之處是采用了下斜饋拋物面天線產(chǎn)生平面波，與微波零橋相組合；同時用窄波束饋源照射。從而實現(xiàn)了對弱場信號在微波檢測部份完成精確測定的任務(wù)。其特點及優(yōu)于目前國際上研制的CT系統(tǒng)的主要方面可歸納為以下幾點1.簡便地實現(xiàn)了微波繞射計算機斷層成像數(shù)值求解中必須的平面波照射函數(shù)。這是因為當(dāng)用格林函數(shù)G(r，r′)；G(r，r′)＝(j／4)H0(2)(K0｜r－r′｜)求解波動方程后，可導(dǎo)出積分方程Es(r)＝∫∫G(r，r′)O(r′)E(r′)dr′Es(r)為測出的散射場，O(r′)為待求的目標(biāo)函數(shù)，E(r′)為目標(biāo)處合成電場。若欲用常用的標(biāo)準(zhǔn)濾波——反投影法求解積分方程時，關(guān)鍵在于用格林函數(shù)的平面波表達(dá)式；同時由弱散射條件也可簡化出E(r′)為入射平面波表達(dá)式；這樣，可直接用富里葉變換FFT解卷積方程。這就大大縮短了運算時間并簡化運算過程。本方案目前采用下斜饋拋物面反射天線，加寬了掃描天線的口徑尺寸并增大照射功率電平。因而提高了圖象的橫向與縱向分辨率與清晰度。
2.由于采用E面加高的喇叭口作為饋電天線(28)，實現(xiàn)了窄波束照射場，這就十分有利于減小圖象重疊效應(yīng)，也大大降低了系統(tǒng)垂直方向的雜散場的不利影響，同時，接收天線用開路波導(dǎo)管，可精確測定垂直極化場，也減小了雜散極化場的影響；3.選用移動目標(biāo)掃描測試過程；由于照射函數(shù)為平面波，使目標(biāo)在各點受到均勻照射，等效于天線移動的微波CT系統(tǒng)的測試原理，同時也克服了天線移動掃描的重復(fù)性不良，附加相移以及無法抵消強入射波分量等問題。
4.用微波零橋與拋物面天線合構(gòu)成一體，形成可作弱場檢測系統(tǒng)；在信號源不加任何穩(wěn)幅相環(huán)路條件下，很容易就校準(zhǔn)到低于固定參考支路信號到－50－－70dB以下，同時克服了點源天線難以互相調(diào)準(zhǔn)的缺點。
5.原理簡便易行，便于工程實際推廣及現(xiàn)場測試需要及小型化要求。
6.圖象分辨率高，可清晰反映復(fù)雜的目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布，便于定量分析與測試。
圖5給出了用Born法近似波動方程的數(shù)值，解軟件流程圖。方法為目前實用的濾波－反投影與富里葉變換相結(jié)合的算法，可用于裝有標(biāo)準(zhǔn)FORTRAN77文件的中、小及微型計算機。圖像軟件視機器而定，一般有繪圖卡的IBM－PC機且?guī)в?6或256灰度等級的顯示器均可使用。
附圖6與附圖7分別給出四種不同結(jié)構(gòu)形狀的柱體示意圖；與真實物相比約16。它們分別為直角槽體(44)，園維杯體(15)，雙方孔柱體(46)和雙園孔直錐體(47)。附圖8和附圖9為實物照片。實物并非完全像附圖7例舉的理想形狀，制作粗糙且不太規(guī)則。但依靠本實用新型的實驗裝置，用斷層法配合計算機獲得了準(zhǔn)確的層析圖像如附圖10－附圖14所示。其中附圖10和附圖11是直角槽體的無色與彩色斷層成像；由該圖幅度成像(右方)可見，邊緣槽道斷層被準(zhǔn)確無誤地顯示出來。其它兩圖中方孔與園孔的幅度成像也十分清楚；由于材料損耗角幾乎為零，故相位層析不明顯。以上說明本裝置的分辨力高。附圖14為園錐杯體的斷層圖像。所用材料均為聚苯乙稀(polystyrene)。
本實用新型的實驗參數(shù)為工作頻率f＝30GHz取樣數(shù)目N＝128旋轉(zhuǎn)數(shù)目n＝32取樣間距Δl＝2.5mm媒質(zhì)特性εr＝1掃描平面距目標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心距l(xiāng)＝82mm被測材料polystyreneεr＞1拋物面直徑D＝1.12m拋物面焦距F＝45cm饋源入射角φ＝40°饋源E面尺寸L＝55mm掃描平面內(nèi)入射場幅度變化ΔdB≤2分貝掃描平面內(nèi)入射場相位變化Δφ≤20°
接收機靈敏度＞80分貝采樣平均速率50～100／S目標(biāo)距天線口徑面S＝80cm接收天線尺寸8毫米標(biāo)準(zhǔn)開路波導(dǎo)管尺寸接收天線距罐底面高度H＝40cm定向耦合器(22)、(30)耦合量 C0＝3～6dB定向耦合器方向性 D0＞25分貝測試罐尺寸 長×寬×高＝1.7×1.2×0.8m權(quán)利要求1.一種平面波天線零橋斷層成像測試裝置，由微波信號源(7)，掃描與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(9)微波照射與信息檢測器(8)、兩路幅相接收機(10)、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與接口電路(11)、電子計算機(12)、圖像顯示器(13)、外存貯器(14)和打印機(15)組成，其特征在于微波照射與信息檢測器(8)采用產(chǎn)生平面波的天線與零橋測量系統(tǒng)合為一體的設(shè)計，它由窄波束喇叭(28)拋物面天線(36)、直口喇叭接收天線(33)、隔離器(7′)、定向耦合器(19)、(22)、(30)、諧波混頻器(20)、粗調(diào)度減器(23)、移相器(24)、精密極化衰減器(25)、混頻器(31)、測試罐(35)等組成。
2.如權(quán)利要求1所述的平面波天線零橋斷層成像測試裝置，其特征在于所說的下斜饋拋物面天線的窄波束喇叭(28)放置在拋物面天線(36)的焦點上，用開路波導(dǎo)管直接制做的接收天線(33)可放在水平方向任一點上固定，形成可測傳輸散射及透射波的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的平面波天線零橋斷層成像測試裝置，其特征在于采用固定天線，而移動被測物體(1)，被測物體按裝在一個即可以移動又可轉(zhuǎn)動的測試架上，受掃描與轉(zhuǎn)動機構(gòu)(9)的控制，被測物(1)可做Δx和Δφi′的運動。
4.如權(quán)利要求1和2所述的平面波天線零橋斷層成像測試裝置，其特征在于測試罐(35)為頂部開口的罐式結(jié)構(gòu)、罐中充有媒質(zhì)，媒質(zhì)為接近被測物質(zhì)特性的媒質(zhì)，如油或水。
專利摘要平面波天線零橋斷層成像測試裝置，屬于非金屬材料的無損檢測和斷層成像技術(shù)。本實用新型的微波部分設(shè)計采用E面擴展的窄波束喇叭作下斜饋源，同拋物面反射體組合成一體，簡便地構(gòu)成平面波照射源，同時由微波零橋環(huán)路抵消強入射波信號，因而可以精確地檢測出目標(biāo)的微散射場，并直接計算和完成圖像處理。由于該微波測試裝置實現(xiàn)了大口徑天線和強入射波照射，大大提高了系統(tǒng)的分辨力，可實現(xiàn)對較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電介材料進行斷層成像。
文檔編號G01N22/02GK2043756SQ8920180
公開日1989年8月30日 申請日期1989年2月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月21日
發(fā)明者趙川東 申請人:北京理工大學(xué)