专利汇可以提供太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统及方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了太赫兹瞬态热成像检测和 层析成像 系统及方法。系统由控 制模 块 、太赫兹 光源 、太赫兹镜片组、热像仪、计算机及多个 算法 模块等组成。采用脉冲或连续太赫兹光束对被检对象进行加热,采用热像仪记录被检对象表面的瞬态 温度 信号 。对不同时刻的热像图进行空间导数变换,检测浅层 缺陷 ;对瞬态温度信号和参考信号进行差分、一阶求导、二阶求导和傅里叶变换等处理,提取最大值时间、峰值时间、分离时间、分离 频率 、峰值频率等作为特征值;采用特征值进行成像显示,实现缺陷检测;建立特征值与深度的定量关系,对未知缺陷的深度进行定量;利用不同时间范围的温度变化率,实现不同深度范围的层析成像。该发明可应用于 无损检测 、医学成像等领域。,下面是太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统及方法专利的具体信息内容。
1.太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统及方法,其特征在于,系统由控制模块(1)、太赫兹光源(2)、太赫兹镜片组(3)、热像仪(5)、计算机(6)及多个算法模块等组成;采用太赫兹光束对被检对象(4)进行加热,采用热像仪(5)记录被检对象(4)表面上升和下降的瞬态温度信号(20),把无缺陷区域的瞬态温度信号(20)作为参考信号(19);对不同时刻的热像图进行空间导数处理,采用不连续特征进行缺陷检测;提取瞬态温度信号(20)的最大值时间(25)等作为特征值;把瞬态温度信号(20)与参考信号(19)进行差分(减法处理)得到时域差分信号(23),提取分离时间(28)和峰值时间(30)等作为特征值;求出瞬态温度信号(20)的一阶导数和二阶导数,提取上升阶段的峰值时间(26)和下降阶段的峰值时间(27)等作为特征值;对瞬态温度信号(20)与参考信号(19)进行傅里叶变换得到频域的幅值谱和相位谱(34),提取特定频率的(差分)幅值和(差分)相位、差分幅值谱和差分相位谱的峰值频率(37)和分离频率(38)等作为特征值;采用特征值进行成像,实现缺陷检测;
通过理论分析和试验,建立特征值与缺陷深度的定量关系,对未知缺陷的深度进行定量;利用不同时间范围的温度变化率,实现被检对象(4)不同深度范围的层析成像。
2.根据权利要求1所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像系统,其特征在于主要包括控制模块(1)、太赫兹光源(2)、太赫兹镜片组(3)、被检对象(4)、热像仪(5)、计算机(6)、图像处理模块(7)、参考信号模块(8)、时域处理模块(9)、时域导数模块(10)、频域处理模块(11)、缺陷检测模块(12)、定量关系模块(13)、缺陷定量模块(14)、层析成像模块(15)、标准试件(16)等。
3.根据权利要求1所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于包括如下步骤:
1)采用控制模块(1)设定系统工作参数,控制系统开始运行;
2)太赫兹光源(2)产生频率为0.1T-10T Hz范围内的太赫兹光束,并把太赫兹光束发射到太赫兹镜片组(3);
3)太赫兹镜片组(3)调整太赫兹光束的光路、照射面积、照射位置等参数,并把太赫兹光束发射到被检对象(4);
4)太赫兹光束对被检对象(4)进行加热,被检对象(4)的温度随时间逐渐上升;在结束加热后,被检对象表面的温度开始下降;如果被检对象(4)内部存在缺陷(17),将在温度上升或下降阶段造成异常变化;
5)热像仪(5)记录被检对象(4)表面随时间变化的温度信息,并把温度信息传输给计算机(6);
6)计算机(6)存储温度信息,并运行以下模块;
7)图像处理模块(7)显示不同时刻的热像图,通过热区和暗区判断是否存在缺陷(17);对不同时刻的热像图进行空间导数变换或梯度变换,通过不连续特征对浅层缺陷进行检测;
8)参考信号模块(8)把无缺陷区域的瞬态温度信号(20)作为参考信号(19);
9)时域处理模块(9)提取瞬态温度信号(20)的最大值(24)、最大值时间(25)等作为特征值;对瞬态温度信号(20)和参考信号(19)进行减法处理,获得时域差分信号(23),从时域差分信号中提取分离时间(28)、峰值时间(30)等作为特征值;
10)时域导数模块(10)计算瞬态温度信号(20)的一阶导数和二阶导数,从一阶导数和二阶导数曲线上提取上升阶段的峰值时间(26)和下降阶段的峰值时间(27)作为特征值;
11)频域处理模块(11)把瞬态温度信号(20)和参考信号(19)进行傅里叶变换,获得频域的幅值谱和相位谱(34),提取特定频率的幅值和相位作为特征值,提取幅值谱和相位谱的峰值频率作为特征值;通过差分处理获得差分幅值谱和差分相位谱,提取特定频率的差分幅值和差分相位作为特征值,提取峰值频率(37)、分离频率(38)等作为特征值;
12)缺陷检测模块(12)对所有像素点的瞬态温度信号(20)重复步骤8)-11),获得所有像素点的特征值,把特征值进行成像显示,判断是否存在缺陷(17);
13)定量关系模块(13)建立特征值和缺陷深度的定量对应关系;通过试验确定缺陷深度与特征值的函数关系,制作含有不同深度缺陷的标准试件(16),对标准试件进行试验,对不同深度的人工缺陷(18)的瞬态温度信号(20)重复步骤8)-11),获得不同深度人工缺陷(18)的特征值;根据试验结果建立特征值和缺陷深度的定量对应关系;
14)缺陷定量模块(14)通过步骤13)获得的定量对应关系把缺陷区域的特征值转化为缺陷深度;
15)层析成像模块(15)实现被检对象(4)特定深度范围属性分布的成像,即层析成像;
根据热传导理论,得到深度和时间的对应关系,把待成像的深度范围转化为时间范围;计算所有像素点的瞬态温度信号在该时间范围内的温度变化率;采用该时间范围的温度变化率进行成像,即实现了该深度范围的层析成像。
4. 根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于:太赫兹镜片组(3)调整太赫兹光束的光路、照射面积、照射位置等参数,并把太赫兹光束发射到被检对象(4);太赫兹镜片组(3)由透镜、反射镜、滤光镜等组成;透镜(31)用于调整太赫兹光束的照射面积,由于太赫兹光束的照射面积不能全部覆盖被检对象(4)或标准试件(16),需要移动被检对象(4)或标准试件(16)和照射面积的相对位置,以实现大面积检测;
抛物面反射镜(32)用于调整太赫兹光束的照射面积,可旋转的平面反射镜(33)用于调整太赫兹光束的照射位置,以实现大面积检测。
5.根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于:太赫兹光束对被检对象(4)进行加热,加热功率密度可近似表示为:
上式中,a为吸收系数,P为太赫兹光束的功率,z为深度,r为太赫兹光束的半径;加热产生的热传导可表示为:
式中,ρ为密度,C为热容量,k为热传导系数;在加热阶段,被检对象(4)表面的温度随时间逐渐上升;在结束加热后,被检对象(4)表面的温度开始下降;如果被检对象(4)内部存在缺陷(17),缺陷(例如水分)会产生多余的热量或者影响热量的传导过程,导致表面的温度在上升或下降阶段出现异常变化。
6.根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于,参考信号模块(8)设置无缺陷区域的瞬态温度信号(20)为参考信号(19);时域处理模块(9)提取瞬态温度信号(20)的最大值(24)、最大值时间(25)等作为特征值;时域处理模块(9)对瞬态温度信号(20)和参考信号(19)进行减法处理,获得时域差分信号(23);从时域差分信号(23)上提取分离时间(28)、峰值(29)、峰值时间(30)等作为特征值。
7. 根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于,时域导数模块(10)计算瞬态温度信号(20)的一阶导数,计算方法为:
提取一阶导数在上升阶段的峰值时间(26)(通常为最大值时间)和下降阶段的峰值时间(27) (通常为最小值时间)作为特征值;计算瞬态温度信号(20)的二阶导数,计算方法为:
提取二阶导数在上升阶段的峰值时间(26)(通常为最大值时间)和下降阶段的峰值时间(27) (通常为最大值时间)作为特征值。
8.根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于,频域处理模块(11)的实现步骤为:第一步,对瞬态温度信号(20)进行快速傅里叶变换,得到频域的幅值谱和相位谱(34),提取特定频率的幅值和相位作为特征值,提取幅值谱和相位谱的峰值频率等作为特征值;第二步,对参考信号(19)进行快速傅里叶变换,得到频域的参考幅值谱和参考相位谱(35);第三步,对频域的幅值谱和参考幅值谱进行减法运算,得到频域的差分幅值谱,提取特定频率的差分幅值、差分幅值谱的峰值频率(37)、分离频率(38)作为特征值;第四步,对频域的相位谱和参考相位谱进行减法运算,得到频域的差分相位谱(36),提取差分相位谱(36)在特定频率的差分相位、峰值频率(37)、分离频率(38)等作为特征值。
9. 根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于,定量关系模块(13)建立特征值和缺陷深度的定量对应关系;通过仿真或试验确定缺陷深度与特征值之间的定量关系;按照被检对象(4)的材料制作标准试件(16),标准试件(16)中含有数个不同深度、不同属性的人工缺陷(18);对标准试件(16)进行试验,获得不同深度人工缺陷(18)的瞬态温度信号(20),重复步骤8)-11),获得不同深度的人工缺陷(18)的特征值,建立特征值和缺陷深度的定量对应关系:
上式中,z为缺陷深度,ts为特征值,f是缺陷深度与特征值之间的函数关系;缺陷定量模块(14)通过步骤13)获得的定量对应关系,把缺陷区域的特征值转化为缺陷深度。
10.根据权利要求3所述的太赫兹瞬态热成像检测和层析成像方法,其特征在于,层析成像模块(15)实现被检对象(4)特定深度范围的成像,即层析成像;根据热传导公式,可以得到深度和时间的对应关系:
把待成像的深度范围z1-z2转化为时间范围 t1-t2;计算所有像素点的瞬态温度信号(20)在该时间范围(t1-t2)内的温度变化率:
采用该时间范围的温度变化率进行成像,即实现了深度范围(z1-z2)的层析成像。
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