平面波天线零桥断层成像测试装置制造方法及图纸

平面波天线零桥断层成像测试装置，属于非金属材料的无损检测和断层成像技术。本发明专利技术的微波部分设计采用Ｅ面扩展的窄波束喇叭作下斜馈源，同抛物面反射体组合成一体，简便地构成平面波照射源；同时由微波零桥环路抵消强入射波信号。因而可以精确地检测出目标的微散射场，并直接计算和完成图像处理。由于该微波测试装置实现了大口径天线和强入射波照射，大大提高了系统的分辨力，可实现对较复杂结构的电介材料进行断层成像。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于非金属材料的无损检测和断层成像技术。同时也适用于生物样品的断层检测。计算机辅助扫描断层成像(ComputerisedTomography)技术，简称C.T技术，是1956年由射电天文学家布莱歇尔(Bracewell)实际建立起来的。现有的CT技术主要用于医学上，是用x射线断层扫描来检测生物体。目前这一技术正在发展，其照射源已有光波、核磁波、声波、超声波等。用微波和毫米波作照射源是最近几年开始发展起来的，欧美不少国家都在抓紧研制，采用微波源制做的CT系统是用于材料和加工件以及生物样品的无损探测和断层成像的新技术，这种系统的全称是MicrowaveDiffractedComputerisedTomography，简称MCT。目前世界各国研制的焦点是微波照射系统和检测方法，在西班牙的巴塞纳(Barcelona)研究生院建立的MCT系统，是一个由64个波导单元组成的柱面波阵列，系统庞大，检测和数据处理都非常复杂，影响了计算时间和效果，难于推广。在英舍菲尔德(Sheffield)大学，在马可尼公司资助下正在研制的MCT系统。至今已做出的设备仍存在着模糊度大、图像失真大、易受杂散信号干扰和系统校正困难等问题，难以得到予期的可用断层图像。其他如西德的ErlangenNurnberg大学和澳大利亚的Woll-ongong研制的MCT系统也都存在着分辨力差和断层图像不清晰的缺点。现有的MCT系统存在的突出问题，概括起来主要有以下三点一是几乎所有的MCT系统，均未实现平面波照射，而采用的信息处理软件却是适用于平面波的Born和Rytov近似方程。二是这些系统对弱信号(微波散射信号)的测量精度、分辨率和稳定重复性都较低。三是系统复杂，检测和数据处理复杂，工程实用性差。本专利技术的任务是针对上述已有技术存在的问题、设计和调试出一套可以直接获得平面波照射函数，能精确测定弱散射信号的适于工程应用的MCT系统。整个MCT系统是比较庞大的，系统涉及面广、理论复杂，下面分两步讲述其原理第一原理和系统的总体介绍;第二重点分析其中的核心部分-微波照射和信息检测器。第一MCT图像重构原理及系统组成附附图说明图1是MCT图像重构(Image Reconstruction)原理示意图，它可以描述在不损坏被测物的物理特性和结构条件下，提取被测物体内部断层平面图像的原理。由附图1可见，被测物体的断层(1)受平面波照射后，在扫描测试平面(2)上，获得绕射后的散射场信号(3)，将信号(3)代入由求解波动方程所建立的卷积积分方程中，作一维富立叶变换，则得到在富氏平面上的一条园弧(4)，再作变园弧(4)为直线(5)的坐标变换，最后经二维富里叶逆变换(2D FFT-1)重构出被测物件断层面的图像(6)。附图2是本专利技术的技术方案构成方框图，其基本工作过程是首先由微波信号源(7)发射出等幅振荡信号，该信号进入微波照射和信息检测器(8);被测目标被置于该装置内，由程控扫描及旋转机构(9)控制目标的横向扫描位移△x和绕自身轴心旋转运动角△φi，由该检测器获得的微波参考信号和被测信号经参考信号通道(17)和被测信号通道(16)后进入两路幅相接收机。所检测出的直流电平(与被测信号的幅度和相位有关)再进入模/数转换器及接口电路(11)，被转换为数字信号后存入电子计算机(12);经过电子计算机进行数据处理和计算后，送入图像显示器(13)显示出重构的图像。同时，全部数据均可送入外存贮器(14)存贮待用;打印机(15)可以打印由图像处理后得到的定量分析结果，由以上工作过程可见，由于除单元(8)外的装置均为工程上常用的装置，本专利技术的重点就是在现有技术(9-15)的基础上采用下斜馈抛物面天线产生平面波照射配合零桥环路，以实现微波照射和信息检测器的功能。第二抛物面下斜馈零桥装置的工作原理附图3是抛物面下斜馈零桥装置工作原理示意图，从附图3可以看出，微波信号源(7)产生的等幅信号，经隔离器(7′)进入是向耦合器(19)，然后分为两路一路由耦合臂(19′)传至谐波混频器(20)，混频后产生的差频信号由通道(17)进入两路幅相接收机(10)作为参考信号;另一路经过另一个定向耦合器(22)又分两路其一进入主通道(27)充当抛物面下斜馈照射波的振源，产生照射被测物(1)的平面波(21);其二进入零桥支路(22′)充当抵消信号，它通过粗调衰减器(23)、移相器(24)和精密极化衰减器(25)进行幅相调整后，用来抵消来自测试支路(32)的入射波分量。由附图3还可以看出，平面波(21)照射被测物(1)后，通过被测物的被测截面(即断层)产生的目标透射散射波被接收天线(33)(用终端开路波导作喇叭天线)接收后进入测试支路(32)，这种散射波是能反映被测物断层特征的有用信号，与此同时也会有一部分照射波没有穿过被测物，而直接进入用开口波导制成的接收天线(33)和测试支路(32)，这种信号就是进入测试支路的入射波分量，这种分量是无用而且有害的。因此，必须予以抵消。前面提到的进入零桥支路(22′)的抵消信号，通过定向耦合器(30)进入测试支路(26)，恰好把这种有害的入射波分量抵消。所剩下的净透射散射波进入混频器(31)，混频后的差频经过通道(16)进入宽带幅相接收机(10)，来自(16)和(17)的两路信号在接收机(10)中经过幅度和相位比较与检测后，得到能精确反映被测断层特征的模拟信号，然而把这种信号送进D/A转换器和计算机接口电路(11)，进而通入电子计算机(12)作数据处理。在附图3中(28)为馈源喇叭，(36)为抛物面反射体，(35)为测试罐，这些将在后面结合特征介绍，本专利技术的特征在于在微波照射和信息检测器(8)中，采用下斜馈抛物面天线与零桥测量系统合为一体的独特设计。下面将结合附图3和附图4进一步介绍。附图4是附图3中AA′平面的剖视图，为使图形清晰，只画出测试罐及其内部有关物体的剖视图，它可以说明下斜馈电结构和原理。从附图4中可以看到，本专利技术采用的下斜馈电方式，可以使所产生的平面波(21)的阵面不受馈电结构的影响，由此可以充分利用抛物面反射体制作简单和精度高的优点。实际实施中，采用了窄波束喇叭(28)，其实现方法是改变波导E面高度，而宽边(即H面)保持不变，这种方法可以使垂直方向波束宽度变窄，而水平方向则仍为普通球面波阵面。将该特制馈源喇叭放置抛物面天线(36)的焦点上，照射抛物面后就能得到相应的平面波(21);该平面波仍具有垂直方向为窄波束，而水平方向为平面波阵面的特征。从而获得MCT的特殊照射场要求。这种方式形成的发射天线，比用同一发射源的点源喇叭或其他馈电方式的抛物面天线相比较，有两个突出优点一是被测物可以尽量靠近天线抛物面的口径面，使照射场功率电平大大提高，二是对用开口波导(其尺寸与喇叭口相等)制作的接收天线(33)的位置，无特殊要求，可以在水平方向任一点固定，而无需像采用点源喇叭时那样，必须把收发两天线调到同一直线上。由于产生的波阵面(21)为等幅等相的平面波，即使固定接收天线，通过零桥抵消其中一波束产生的信号，就等于在整个扫描平面(2)(见附图1)上抵消了入射波信号。而通常的点源天线，即使采用远场近似(即使目标远离发射源)。也难于实现在平面(2)上的入射波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面波天线零桥断层成像测试装置，由微波信号源（７），扫描与旋转机构（９）微波照射与信息检测器（８）、两路幅相接收机（１０）、模／数转换器与接口电路（１１）、电子计算机（１２）、图像显示器（１３）、外存贮器（１４）和打印机（１５）组成，其特征在于：微波照射与信息检测器（８）采用产生平面波的天线与零桥测量系统合为一体的设计，它由窄波束喇叭（２８）抛物面天线（３６）、直口喇叭接收天线（３３）、隔离器（７＇）、定向耦合器（１９）、（２２）、（３０）、谐波混频器（２０）、粗调度减器（２３）、移相器（２４）、精密极化衰减器（２５）、混频器（３１）、测试罐（３５）等组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵川东，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]