基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置。该方法以宽频磁波为载体，将磁波反射所经历路径视为反射通路，结合不同材质的电磁参数特征，通过对传递函数及其各种变化形式的反演与融合识别被测物体的内部分布特征，实现无损检测与成像。装置包括负责检测信号产生、磁波发射与反射磁波接收的检测前端，负责控制参数设置、接收信号处理，磁波反射通路反演、融合和成像显示的信号处理后端，两者以有线/无线相连接，采用软件处理提高检测精度，便于设备小型化。本发明专利技术实施中无需耦合剂、强磁场、放射源，无射频辐射，具有非接触式、高精度、成本低等优点，在地下管道检测、路桥检测、工农业及医学等领域有广泛应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置
本专利技术涉及信息技术、无损检测等领域，具体涉及一种可应用于地下水油气管道检测、公路桥梁检测、工业制造检测、生物及人体检测等的缺陷目标识别、成像的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置。
技术介绍
检测是指利用各种物理化学效应，选择适合的方式和装置，对各类物体的属性、结构、缺陷等进行准确的定性和分析，可用于改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及服役设备的可靠性和安全性分析，还可用于临床诊断，在社会建设和经济发展中发挥重要作用。检测技术主要为两大类：无损检测和有损检测。其中有损检测即对被测物体有伤害，现代技术在向无损检测发展。无损检测是指在不损害或者不影响被被测物使用性能，不伤害被被测物内部组织的前提下，利用材料内部结构的异常或者缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等的变化，借助相关技术和设备对物体的结构、性质、形状、位置、分布及其变化进行检测和测试的方法。现有的无损检测方法很多，在实际应用中能达到成像效果的主要有以下4种：X光检测技术、超声波检测技术、微波检测技术和核磁共振检测技术。总结以上4种技术及设备，主要存在以下问题：1）X光检测采用X射线信号（频率范围：30PHz到30EHz）作为信息载体，需要较高的成本且X射线存在放射性，对人体、环境有害，且体积大、造价昂贵，因而不适合大范围使用。2）超声波检测通过超声波信号（频率范围：20KHz以上）作为信息载体，具有灵敏度高，对人体无害、成本低等优点，但需要紧贴物体表和耦合剂，不适合复杂形状物体的检测。3）雷达技术采用微波信号(频率范围：300MHz-300GHz)作为信息载体，利用电磁波的远场散射、反射实现成像，具有成像精度高、人体无害、非接触式等优点，但遇到金属物质会产生电磁屏蔽而无法窥探被测物体的内部构造。同时雷达技术采用脉冲式电磁波作为检测信号，定时精度高、探测时间短、瞬时功率高，硬件动态范围大，且工作于射频波段，因此硬件成本高，价格昂贵。4）核磁共振检测将被测物体置于强大偏置磁场中，用电磁波（频率范围400MHz-800MHz）照射，以改变氢原子的旋转排列方向，使之共振，然后分析它释放的电磁波从而获取物体内部的立体成像，具有成像精度高，对人体无辐射损害等优点，但不适用于被测物体内部有铁磁性物质（如：金属）的情况，同时由于射频致热效应、产生强噪声等使其不适合长时间检测，且体积大、价格昂贵，且需要专门的工作场地和环境。然而根据电磁学理论，电磁波的本质是在空间中相互转化且周期性变化的电场和磁场，是电波和磁波的总称。根据麦克斯韦方程，运动的电荷或电场的变化能产生磁场即磁波，而被检测物由于材质、空间分布的差异会影响磁场的分布及强度，可用于无损检测及成像应用。有鉴于此，本专利技术提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，相对于现有的无损检测与成像系统，以宽频磁波为信息载体，采用通电线圈作为磁波发射单元可实现低频信号（例如：20KHz-25KHz）的小口径发射；故本专利技术具有非接触式、精度高、对人无害、环境逸散小、探头口径小、体积小、低功耗、硬件简单且成本低等优点，适用于分布式检测、在线检测、移动式检测、远程检测等应用场合，在地下水油气管道检测、公路桥梁检测、工业制造检测、生物及人体检测等领域有广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有无损检测系统的诸多不足，将信息理论、计算电磁学有机地结合一起，提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，具体原理如下：根据麦克斯韦方程的安培定理，变化的电场产生磁场，磁场在某曲面产生磁通量，单位面积的磁通量即磁感应强度。其中，磁性材料的磁感应强度和磁场的关系可用磁滞曲线表示，该曲线在部分区域内是线性变化的。同时磁感应强度跟被测物的空间参数、材料的磁性参数、电参数等密切相关。又由法拉第感应定理，变化的磁场可感生电场，产生感应电动势，其大小与磁通量对时间的变化率成正比。因此，根据发射线圈的电流和反射的磁信号在接收线圈、磁敏元件（如：霍尔元件、磁阻元件、磁致伸缩元件、磁敏二极管、磁敏三极管等）产生感应电动势、感应电流、感应阻抗等信息可对被测物体的特性进行估计。整个系统可以看作一个以磁波为无线传输载体的传输系统，传输的路径可以看作是一个反射通路磁信道。如果适当地控制发射线圈的电流及其物理构造，可以使得磁场位于磁滞曲线的线性部分，整个系统工作在线性区域，等效为高阶的FIR滤波器，可以用线性传递函数表示该磁信道的特性。因此通过分析该磁信道的传递函数及其各种变化形式，辨识其各种参数，获取被测物体的材质、空间分布等信息，并可按照某个或多个参数的变化情况以二维或三维显示成像。根据以上原理并结合反射通路磁信道传递函数的反演原理，本专利技术提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置。不同材料的磁导率、介电常数等是不相同的，具有各向异性，故不同材料在同一磁场中呈现的磁阻不同。因此，在同样的磁场中，利用接收线圈或各种磁敏元件作为磁波反射信号的接收器，将经过磁波反射通路的磁波信号转换成电信号，根据发射信号和反射信号可反演出该探头（含发射线圈、接收线圈及各种磁敏元件）所在的窄条空间的反射通路磁信道传输特性。通过收发阵列化或运动扫描等方式，对收发单元所处的窄条空间反演的传递函数实现三维融合，可以得到一个面传递函数或体传递函数，并根据磁波反射通路的信道特性进行空间成像，成像结果反映出被测物的形状、材质、结构、空间分布及其运动情况等。为了达到以上目的，本专利技术所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置包括检测前端、信号处理后端两部分，其各自的结构如下：所述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的检测前端是所述装置的传感器，具体由通信模块、检测信号发生模块、阵列探头、反射信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成，各个模块的功能和结构如下所述：上述检测前端的通信模块用于实现检测前端和信号处理后端的通信，将信号处理后端产生的控制信息等接收，且传输到检测前端的检测信号发生模块；将阵列探头接收的经反射信号预处理模块处理的磁波反射信号传输给信号处理后端。包含信号收发单元、数据传输接口单元。可采用有线或者无线的方式进行数据传输。上述检测前端的检测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽等参数可控的多通道宽频正交电信号以激励阵列探头，包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元、馈电网络单元。上述检测前端的阵列探头将检测信号发生模块产生的宽频正交电信号转换成磁信号向被测物体发射并接收磁波反射信号。由多个金属线圈和磁敏元件组成，其中金属线圈（线圈中心可根据应用需求放置不同的材料，如空气、磁性材料，且根据检测对象实际情况选择绕制方式）按照某种方式排列成阵列组成,各种磁敏元件(霍尔元件、磁阻元件、磁致伸缩元件、磁敏二极管、磁敏三极管等）放置在线圈之间，每个线圈可以根据需要设置为发射、接收两种模式，每次检测至少有一个线圈设置为发射模式，负责发射检测磁波信号，磁敏元件和设置为接收模式的线圈负责接收磁波反射信号。上述检测前端的反射信号预处理模块对阵列探头接收到的各种类型的磁波反射信号进行去噪、去本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，其特征在于以磁波为载体信息，将磁波反射所经历的路径看作一个反射通路磁信道，利用收发信号求出磁波反射通路的传递函数及其各种变换形式，结合不同材料的磁性、电性等参数特征，反演出该窄条空间上被测物体的材质、空间分布等特性，并将不同空间位置的磁波反射通路传递函数进行融合，可快速、高效、精确地实现物体的三维无损检测与成像。

【技术特征摘要】
1.基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于以磁波为载体信息，将磁波反射所经历的路径看作一个反射通路磁信道，利用收发信号求出磁波反射通路的传递函数及其各种变换形式，结合不同材料的磁性、电性参数特征，反演出被测物体的材质、空间分布特性，并将不同空间位置的磁波反射通路传递函数进行融合，快速、高效、精确地实现物体的三维无损检测与成像；包括检测前端、信号处理后端，两者通过无线或者有线连接；其中，检测前端负责检测信号的产生、磁波信号的发射和磁波反射信号的接收；信号处理后端负责整个装置的控制参数信息的产生、接收信号的处理，实现磁反射通路的反演、融合和成像显示；上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的检测前端是所述装置的传感器，具体由通信模块、检测信号发生模块、阵列探头、反射信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成；其中通信模块用于实现检测前端和信号处理后端的通信，将信号处理后端产生的控制参数信息传输到检测前端的检测信号发生模块，将阵列探头接收的经反射信号预处理模块处理的反射磁信号传输给信号处理后端，包含信号收发单元、数据传输接口单元，采用有线或无线的方式进行数据传输；检测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽参数可控的多通道宽频正交电信号以激励阵列探头，包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元、馈电网络单元；阵列探头将检测信号发生模块产生的宽频正交电信号转换成磁信号向被测物体发射并接收磁波反射信号，由多个金属线圈和磁敏元件组成，其中金属线圈排列成阵列组成,线圈中心根据应用需求放置不同的材料，至少包括空气、磁性材料中的一种，且根据检测对象实际情况选择绕制方式；各种磁敏元件，为霍尔元件或磁阻元件或磁致伸缩元件或磁敏二极管或磁敏三极管中的一种放置在线圈之间，每个线圈根据需要设置为发射、接收两种模式，每次检测期间，至少有一个线圈设置为发射模式，负责发射检测磁波信号，磁敏元件和设置为接收模式的线圈负责接收发射磁波信号；反射信号预处理模块对阵列探头接收到的各种类型的磁波反射信号进行去噪声、去除各个线圈之间及线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应预处理，然后通过通信模块发送到信号处理后端，包含滤波单元、低噪放大单元、模数转换单元；运动控制模块负责控制和感知阵列探头的运动，含运动电机单元、GPS定位单元；控制器负责控制各个功能模块的工作；存储器用于缓存各个功能模块的数据；电源负责向各个模块、器件的供电；上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的信号处理后端一台计算机或者网络云处理终端，是所述装置的数据处理终端，具体由通信模块、磁反射通路特性反演模块、反射通路融合模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成；其中，通信模块用于实现信号处理后端和检测前端的通信，并将检测前端检测的磁波反射信号传输到磁反射通路特性反演模块，包含信号收发单元、数据传输接口单元，采用有线或无线的方式进行数据传输；磁反射通路特性反演模块是一个计算机软件模块，其作用在于对单个窄条空间的磁反射通路的空间传递函数及其参数特征进行辨识与反演，并将结果传递给反射通路融合模块；反射通路融合模块是一个计算机软件模块，其作用在于将阵列探头的各个窄条空间的磁反射通路进行多维融合，获得被测物体的内部参数特性，并将融合结果传输到成像显示模块；成像显示模块对阵列探头及其运动扫描的二维、三维磁反射通路特性进行成像并显示，包含计算机成像显示软件单元、显示单元；人机交互模块提供人机交互的界面及外设；处理器负责处理各个功能模块的数据；存储器用于缓存各个功能模块的数据；电源负责向各个模块、器件的供电。2.根据权利要求1所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于检测前端是所述装置的传感器，信号处理后端负责整个装置的控制参数设置、接收信号的处理与成像显示；检测前端与信号处理后端分离，采用无线或有线的方式相连接，能在小型化、便携化的基础上提升装置的软件处理能力，提高检测精度。3.根据权利要求1所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于所述的检测前端的阵列探头是检测信号的发射与接收装置，由多个根据应用需要特殊绕制的线圈及磁敏元件排列组成；所述线圈设置为发射、接收两种状态；在增加磁波的有效检测深度和检测精度的应用场合，发射线圈采用如下结构：线圈为空心线圈，绕制方式采用匝数递减立体螺旋结构，产生磁聚焦效应，使磁场的聚焦在一个点上，以提高检测的精度；线圈的匝数较少的那一面为线圈的正面，用于发射磁波；线圈匝数较多的那一面为背面，放置永磁体，其作用在于提供磁场直流分量并将磁场往外推送，而线圈通的交变电流提供磁场交流分量，该结构在系统总功率不增加的基础上提高阵列探头的有效检测深度。4.基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，其特征在于所述磁波反射通路参数辨识的目标检测原理是：检测前端的阵列探头负责宽频正交检测磁波信号发射与接收，磁波从发射到反射接收所...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦岗，马碧云，曹燕，刘娇蛟，
申请(专利权)人：广州丰谱信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44