基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及信息技術(shù)、無損檢測等領(lǐng)域，具體涉及一種可應(yīng)用于地下水油氣管道檢測、公路橋梁檢測、工業(yè)制造檢測、生物及人體檢測等的缺陷目標識別、成像的基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]檢測是指利用各種物理化學(xué)效應(yīng)，選擇適合的方式和裝置，對各類物體的屬性、結(jié)構(gòu)、缺陷等進行準確的定性和分析，可用于改進產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、成品檢測以及服役設(shè)備的可靠性和安全性分析，還可用于臨床診斷，在社會建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。檢測技術(shù)主要為兩大類:無損檢測和有損檢測。其中有損檢測即對被測物體有傷害，現(xiàn)代技術(shù)在向無損檢測發(fā)展。
[0003]無損檢測是指在不損害或者不影響被被測物使用性能，不傷害被被測物內(nèi)部組織的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的異?；蛘呷毕荽嬖谝鸬臒?、聲、光、電、磁等的變化，借助相關(guān)技術(shù)和設(shè)備對物體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、形狀、位置、分布及其變化進行檢測和測試的方法?，F(xiàn)有的無損檢測方法很多，在實際應(yīng)用中能達到成像效果的主要有以下4種:X光檢測技術(shù)、超聲波檢測技術(shù)、微波檢測技術(shù)和核磁共振檢測技術(shù)?？偨Y(jié)以上4種技術(shù)及設(shè)備，主要存在以下問題:
DX光檢測采用X射線信號(頻率范圍:30 PHz到30Η1ζ)作為信息載體，需要較高的成本且X射線存在放射性，對人體、環(huán)境有害，且體積大、造價昂貴，因而不適合大范圍使用。
[0004]2)超聲波檢測通過超聲波信號(頻率范圍:20KHz以上)作為信息載體，具有靈敏度高，對人體無害、成本低等優(yōu)點，但需要緊貼物體表和耦合劑，不適合復(fù)雜形狀物體的檢測。
[0005]3)雷達技術(shù)采用微波信號(頻率范圍:300MHZ-300GHZ)作為信息載體，利用電磁波的遠場散射、反射實現(xiàn)成像，具有成像精度高、人體無害、非接觸式等優(yōu)點，但遇到金屬物質(zhì)會產(chǎn)生電磁屏蔽而無法窺探被測物體的內(nèi)部構(gòu)造。同時雷達技術(shù)采用脈沖式電磁波作為檢測信號，定時精度高、探測時間短、瞬時功率高，硬件動態(tài)范圍大，且工作于射頻波段，因此硬件成本高，價格昂貴。4)核磁共振檢測將被測物體置于強大偏置磁場中，用電磁波(頻率范圍400MHz-800MHz )照射，以改變氫原子的旋轉(zhuǎn)排列方向，使之共振，然后分析它釋放的電磁波從而獲取物體內(nèi)部的立體成像，具有成像精度高，對人體無輻射損害等優(yōu)點，但不適用于被測物體內(nèi)部有鐵磁性物質(zhì)(如:金屬)的情況，同時由于射頻致熱效應(yīng)、產(chǎn)生強噪聲等使其不適合長時間檢測，且體積大、價格昂貴，且需要專門的工作場地和環(huán)境。
[0006]然而根據(jù)電磁學(xué)理論，電磁波的本質(zhì)是在空間中相互轉(zhuǎn)化且周期性變化的電場和磁場，是電波和磁波的總稱。根據(jù)麥克斯韋方程，運動的電荷或電場的變化能產(chǎn)生磁場即磁波，而被檢測物由于材質(zhì)、空間分布的差異會影響磁場的分布及強度，可用于無損檢測及成像應(yīng)用。有鑒于此，本發(fā)明提出一種基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像方法及裝置，相對于現(xiàn)有的無損檢測與成像系統(tǒng)，以寬頻磁波為信息載體，采用通電線圈作為磁波發(fā)射單元可實現(xiàn)低頻信號(例如:20KHz-25KHz)的小口徑發(fā)射；故本發(fā)明具有非接觸式、精度高、對人無害、環(huán)境逸散小、探頭口徑小、體積小、低功耗、硬件簡單且成本低等優(yōu)點，適用于分布式檢測、在線檢測、移動式檢測、遠程檢測等應(yīng)用場合，在地下水油氣管道檢測、公路橋梁檢測、工業(yè)制造檢測、生物及人體檢測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有無損檢測系統(tǒng)的諸多不足，將信息理論、計算電磁學(xué)有機地結(jié)合一起，提出一種基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像方法及裝置，具體原理如下:
根據(jù)麥克斯韋方程的安培定理，變化的電場產(chǎn)生磁場，磁場在某曲面產(chǎn)生磁通量，單位面積的磁通量即磁感應(yīng)強度。其中，磁性材料的磁感應(yīng)強度和磁場的關(guān)系可用磁滯曲線表示，該曲線在部分區(qū)域內(nèi)是線性變化的。同時磁感應(yīng)強度跟被測物的空間參數(shù)、材料的磁性參數(shù)、電參數(shù)等密切相關(guān)。又由法拉第感應(yīng)定理，變化的磁場可感生電場，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其大小與磁通量對時間的變化率成正比。因此，根據(jù)發(fā)射線圈的電流和反射的磁信號在接收線圈、磁敏元件(如:霍爾元件、磁阻元件、磁致伸縮元件、磁敏二極管、磁敏三極管等)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢、感應(yīng)電流、感應(yīng)阻抗等信息可對被測物體的特性進行估計。整個系統(tǒng)可以看作一個以磁波為無線傳輸載體的傳輸系統(tǒng)，傳輸?shù)穆窂娇梢钥醋魇且粋€反射通路磁信道。如果適當(dāng)?shù)乜刂瓢l(fā)射線圈的電流及其物理構(gòu)造，可以使得磁場位于磁滯曲線的線性部分，整個系統(tǒng)工作在線性區(qū)域，等效為高階的FIR濾波器，可以用線性傳遞函數(shù)表示該磁信道的特性。因此通過分析該磁信道的傳遞函數(shù)及其各種變化形式，辨識其各種參數(shù)，獲取被測物體的材質(zhì)、空間分布等信息，并可按照某個或多個參數(shù)的變化情況以二維或三維顯示成像。
[0008]根據(jù)以上原理并結(jié)合反射通路磁信道傳遞函數(shù)的反演原理，本發(fā)明提出一種基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像方法及裝置。不同材料的磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等是不相同的，具有各向異性，故不同材料在同一磁場中呈現(xiàn)的磁阻不同。因此，在同樣的磁場中，利用接收線圈或各種磁敏元件作為磁波反射信號的接收器，將經(jīng)過磁波反射通路的磁波信號轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)發(fā)射信號和反射信號可反演出該探頭(含發(fā)射線圈、接收線圈及各種磁敏元件)所在的窄條空間的反射通路磁信道傳輸特性。通過收發(fā)陣列化或運動掃描等方式，對收發(fā)單元所處的窄條空間反演的傳遞函數(shù)實現(xiàn)三維融合，可以得到一個面?zhèn)鬟f函數(shù)或體傳遞函數(shù)，并根據(jù)磁波反射通路的信道特性進行空間成像，成像結(jié)果反映出被測物的形狀、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、空間分布及其運動情況等。
[0009]為了達到以上目的，本發(fā)明所述的基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像裝置包括檢測前端、信號處理后端兩部分，其各自的結(jié)構(gòu)如下:
所述基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像裝置的檢測前端是所述裝置的傳感器，具體由通信模塊、檢測信號發(fā)生模塊、陣列探頭、反射信號預(yù)處理模塊、運動掃描模塊、控制器、存儲器及電源組成，各個模塊的功能和結(jié)構(gòu)如下所述:
上述檢測前端的通信模塊用于實現(xiàn)檢測前端和信號處理后端的通信，將信號處理后端產(chǎn)生的控制信息等接收，且傳輸?shù)綑z測前端的檢測信號發(fā)生模塊；將陣列探頭接收的經(jīng)反射信號預(yù)處理模塊處理的磁波反射信號傳輸給信號處理后端。包含信號收發(fā)單元、數(shù)據(jù)傳輸接口單元。可采用有線或者無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0010]上述檢測前端的檢測信號發(fā)生模塊將從通信模塊獲得的控制參數(shù)信息，生成功率、中心頻率、相位、帶寬等參數(shù)可控的多通道寬頻正交電信號以激勵陣列探頭，包含數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、相位控制單元、功率放大單元、濾波單元、饋電網(wǎng)絡(luò)單元。
[0011]上述檢測前端的陣列探頭將檢測信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的寬頻正交電信號轉(zhuǎn)換成磁信號向被測物體發(fā)射并接收磁波反射信號。由多個金屬線圈和磁敏元件組成，其中金屬線圈(線圈中心可根據(jù)應(yīng)用需求放置不同的材料，如空氣、磁性材料，且根據(jù)檢測對象實際情況選擇繞制方式)按照某種方式排列成陣列組成，各種磁敏元件(霍爾元件、磁阻元件、磁致伸縮元件、磁敏二極管、磁敏三極管等)放置在線圈之間，每個線圈可以根據(jù)需要設(shè)置為發(fā)射、接收兩種模式，每次檢測至少有一個線圈設(shè)置為發(fā)射模式，負責(zé)發(fā)射檢測磁波信號，磁敏元件和設(shè)置為接收模式的線圈負責(zé)接收磁波反射信號。
[0012]上述檢測前端的反射信號預(yù)處理模塊對陣列探頭接收到的各種類型的磁波反射信號進行去噪、去除線圈之間及線圈與磁敏元件之間的互感與自感效應(yīng)等預(yù)處理，然后通過通信模塊發(fā)送到信號處理后端，包含濾波單元、低噪放大單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元。
[0013]上述檢測前端的運動控制模塊負責(zé)控制和感知陣列探頭的運動，含運動電機單元、GPS定位單元。
[0014]上述檢測前端的控制器負責(zé)控制檢測前端各個功能模塊的工作。
[0015]上述檢測前端的存儲器用于緩存檢測前端各個功能模塊的數(shù)據(jù)。
[0016]上述檢測前端的電源負責(zé)向檢測前端各個模塊、器件的供電。
[0017]所述基于寬頻磁波反射通路參數(shù)辨識的檢測與成像裝置的信號處理后端可以是一臺計算機或者網(wǎng)絡(luò)云處理終端，是所述裝置的數(shù)據(jù)處理終端，具體由通信模塊、磁反射通路特性反演模塊、反射通路融合模塊、成像顯示模塊、人機交互模塊、處理器、存儲器及電源組成，各個模塊的功能和結(jié)構(gòu)如下所述:
上述信號處理后端的通信模塊用于實現(xiàn)信號處理后端和檢測前端的通信，并將檢測前端檢測的磁波反射信號傳輸?shù)酱欧瓷渫诽匦苑囱菽K。包含信號收發(fā)單元、數(shù)據(jù)傳輸接口單元?？刹捎糜芯€或者無線的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0018]上述信號處理后端的磁反射