本发明提出一种非接触式热声成像方法与装置，该方法包括：脉宽为500ns、频率为6G的微波源作为激发源，短脉冲微波经波导输出后辐射到样品上，样品被电磁波照射吸收能量瞬间产生微小的温升，导致热膨胀效应，激发出属于超声波范围的热声信号，被激发的超声信号携带着被照射样品电磁波吸收特性的信息并透过样品向外传播，通过采集组织周围的超声信号，利用滤波反投影算法进行图像重建可实现重建样品内部的微波吸收分布图。传统的接收热声信号方法是利用超声换能器的压电原理，属于超声波范围的热声信号从样品中传出，经油耦合，再由超声换能器接收，而本发明中提出的是一种光学方法检测超声信号，是一种空气耦合的、非接触式的热声成像方法与装置。
1.一种非接触式热声成像装置，其特征在于：包括微波源、函数发生器、微波发射天线、非接触式超声探测器、信号放大器、高速数据采集卡、计算机及显示器、X‑Y扫描平台，直流电源，计算机分别与显示器、高速数据采集卡、X‑Y扫描平台连接；非接触式超声探测器、信号放大器、高速数据采集卡依次连接；微波源与函数发生器连接，函数发生器可以触发微波源反射脉冲信号，发射的脉冲信号经发射天线传输到样品下方，非接触式超声探测器放在样品的上方，非接触式超声探测器距离样品在7 cm以内,计算机中具有采集控制程序、步进电机控制程序和数据处理程序，非接触式超声探测器的检测部位是一个由两块不可移动的反射镜构成的法布里珀罗标准具，探测器内部发出的入射光进入法布里珀罗标准具内，发生干涉，当有超声波时，超声波改变法布里珀罗标准具中介质的密度，从而改变光程差，导致反射光比例改变，探测器内的光电二极管测得反射光的比例变化。
2.如权利要求1所述的非接触式热声成像装置，其特征在于：法布里珀罗标准具接收的反射光强度表示为： ，其中： ， ，I0为入射光的强度，R为镜面的反射率，n为法布里珀罗标准具内介质的折射率，λ为真空中入射光的波长，d为反射镜之间的距离。
3.如权利要求2所述的非接触式热声成像装置，其特征在于：非接触式超声探测器通过改变光程差探测声音信号，可在空气中耦合，所述非接触超声探头的有效探测窗口尺寸为
4.按照权利要求1所述的非接触式热声成像 装置，其特征在于：所述的微波源是脉宽为500 ns、频率为6 GHz的高功率微波发生器。
5.按照权利要求1所述的非接触式热声成像 装置，其特征在于：所述的信号放大器额定电压为15 V，50 dB增益，带宽为30 kH至600 MHz。
6.按照权利要求1所述的非接触式热声成像 装置，其特征在于：所述的X‑Y扫描平台由两个垂直相交、最小步距为5μm的电机组成。
7.按照权利要求1所述的非接触式热声成像 装置，其特征在于：所述的高速数据采集卡采样率为50 MS/s。
8.一种应用权利要求1‑7任一项所述的非接触式热声成像装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)利用3％的琼脂制成样品，置于微波发射天线的波导口；
(2)利用函数发生器发射的脉冲序列触发微波源产生脉冲微波；微波的发射频率6 GHz，脉宽为500 ns，发射脉冲峰值功率250 KW，重复频率10 Hz，脉冲微波经微波发射天线传输到样品池中，待测组织吸收微波能量引起瞬间膨胀和温升产生热声信号，信号由非接触式超声探测器接收，非接触式探测器距离样品在7 cm以内；
(3)热声信号由非接触式超声探头检测，经过信号放大器放大然后被高速数据采集卡采集并保存至计算机，完成一次采集后，X‑Y二维扫描平台移动一个点，进行下一次数据采集；
(4)运用数据处理程序，利用滤波反投影算法重建处样品的微波吸收分布图，即热声图像。
非接触式热声成像方法与装置
技术领域
[0001] 本发明属于微波热声成像技术领域，具体涉及一种非接触式热声成像方法与装置。
背景技术
[0002] 热声成像技术是一种利用脉冲微波照射生物组织来激发热声信号的断层成像技术，具有高对比度、高分辨率和深成像深度，是一种具有良好应用前景的新型无损检测技术。
[0003] 传统的热声成像技术在样品与探测器之间需要耦合介质，通常为矿物油，这就需要将被测物体完全浸入矿物油中，不仅限制了实验条件，导致装置结构复杂大型，还可能对生物组织造成二次伤害，极大地阻碍了热声成像技术面向临床应用的发展。
发明内容
[0004] 本发明的首要目的在于克服现有方法的不足，提出一种新的检测超声波的方法，该方法是用法布里珀罗标准具作为超声探头、利用光学的方法检测超声波；该超声探头探测部位由两块反射镜组成；该超声探头的有效探测窗口尺寸为5mm*3.5mm；该超声探头属于无膜超声探测器；该超声探头与被测样品间不需要耦合介质，即该探头达到了非接触检测超声波的效果。
[0005] 本发明的另一方面在于提供了一种非接触式热声成像装置。
[0006] （1）脉冲序列发生器触发微波源发出短脉冲微波，重复频率为10Hz；
[0007] （2）微波照射到样品上，样品受热膨胀，产生热声信号；
[0008] （3）热声信号由非接触式超声探头检测，经过信号放大器放大然后被高速数字采集卡采集并保存至计算机。完成一次采集后，Labview程序控制X‑Y二维扫描平台移动一个点，进行下一次数据采集。
[0009] （4）运用数据处理程序，重建处样品的微波吸收分布图，即热声图像。
[0010] 本发明提供了一种非接触式的具有高成像对比度、成像深度的成像方法。脉宽为500ns、频率为6G的微波源作为激发源，短脉冲微波经波导输出后辐射到样品上，样品被电磁波照射吸收能量瞬间产生微小的温升，导致热膨胀效应，激发出属于超声波范围的热声信号，被激发的超声信号携带着被照射样品电磁波吸收特性的信息并透过样品向外传播，两块不可移动的反射镜构成的法布里珀罗标准具作为超声探测器，来检测超声波，通过采集组织周围的超声信号，高速数字采集卡采集存储超声信号，每采集到一个信号后，X‑Y二维扫描平台带动超声探测器移动到下一个点进行采集，直到完成所有区域的信号采集，利用滤波反投影算法进行数据处理，可实现重建样品内部的微波吸收分布图，即完成了非接触式热声成像。
[0011] 所述装置还包括仪器固定/支撑器械组件，所述仪器固定/支撑器械组件用于固定步进电机X‑Y二维扫描平台、超声探头。
[0012] 所述的信号放大器额定电压为15V，50dB增益，频率使用范围为30kH至600MHz。
[0013] 所述微波发生器发出的微波主频为6GHz，脉冲宽度为500ns,重复频率为10HZ。
[0014] 所述的高速数字采集卡采样率为50MS/s
[0015] 所述计算机上的采集控制程序、步进电机控制程序和是基于Labview软件控制的实时采集系统，并且能够将被激发区域与其数据一一对应，数据处理程序是由Matlab软件运行。
[0016] 所述高速数字采集卡的采样率为50MS/s。
[0017] 所述计算机上安装的采集控制程序级信号处理的过程是由Labview和Matlab程序编写而成。
[0018] 所述的X‑Y扫描平台由两个垂直相交、最小步距为5 m的电机组成。
附图说明
[0019] 图1为非接触式热声成像的装置图。
[0020] 图2为非接触式超声探测器的结构图
[0021] 图3为样品热声信号图。
[0022] 图4为非接触式热声成像图。
具体实施方式
[0023] 图1为本实施例非接触式热声成像的主要装置，包括函数发生器2‑1、微波源2‑2、微波发射天线2‑3、样品2‑4、非接触式超声探测器2‑5、放大器2‑6、数据采集卡2‑7、计算机及显示器2‑8、X‑Y扫描平台2‑9，直流电源2‑10。计算机分别与显示器、函数发生器、数据采集卡、X‑Y扫描平台连接；非接触式超声探测器、直流电源、放大器、数据采集卡依次连接；微波源与函数发生器连接，函数发生器可以触发微波源反射脉冲信号，发射的脉冲信号经发射天线传输到样品下方，非接触式超声探测器放在样品的上方。
[0024] 图2示意了非接触式超声探测器的结构，其是由两块反射镜构成的法布里珀罗标准具是检测部件，探测光入射到法布里珀罗标准具内，光束在镜面间发生干涉，而辐照在样品表面的超声波改变了镜面之间介质的密度，进而引起折射率的变化，从而改变探测光的光程差，导致反射光的比例变化，而这一变化由光电二极管测得。该超声探测器的有效探测窗口尺寸为5mm*3.5mm。
[0025] 本实施例的微波源选用陕西北微机电科技有限公司的微波发生器(BW6000HPT)，其发射频率6GHz，脉宽为500ns，发射脉冲峰值功率250KW，重复频率10Hz。
[0026] 函数发生器，设置频率范围为1‑1000Hz，幅值为1‑50vpp，脉宽为0.001‑100μs。发射天线用于辐射高功率微波，形状为圆喇叭，增益范围为1‑100dB，用于辐射高功率微波，本实施例中发射天线的口径优选为110mm，增益优选为3dB。
[0027] 直流电源分别为放大器和X‑Y扫描平台提供直流电压，放大器额定电压为15V，50dB增益，频率使用范围为30kH至600MHz；X‑Y扫描平台是由两个垂直相交、最小步距为5μm的电机组成，电机的电压范围是15V到36V.
[0028] 数据采集卡和计算机可进行数据采集和成像。数据采集卡用于采集热声时域信号，本实施例中数据采集卡采样率为50MS/s，采样率满足采集要求。计算机的中央处理器CPU型号为4GHz Intel Core 2 i7‑4790K双核处理器，满足计算速度要求；利用MATLAB实现反投影算法进行图像重建处理，得到微波热声图像。
[0029] 本发明装置的工作原理为：函数发生器发射脉冲序列，触发微波发生器发出脉冲微波，而脉冲微波经发射天线均匀的辐照到待测组织上，待测组织吸收微波能量引起瞬间温升，此时微波的脉宽比较窄，吸收的能量不能在微波脉冲持续时间内发生热扩散，发生绝热膨胀，产生热声效应，即热能转化为机械能以超声波形式辐射出去。超声波改变非接触式超声探测器中法布里珀罗标准具镜面之间介质的密度，引起折射率的变化，从而改变光程差，导致反射光的比例变化，这一变化由光电二极管测得，由此测得了热声信号。法布里珀罗标准具接收的反射光强度表示为：I_r=[1‑1/(1+F*〖sin〗^2〖δ/2〗 )]*I_0，其中I_0为入射光的强度，F=4R/〖(1‑R)〗^2 ，R为镜面的反射率， ，n为法布里珀罗标准具内介质的折射率，λ为真空中入射光的波长，d为反射镜之间的距离。
[0030] 实验发现，非接触式超声探测器在距离样品7cm内都能成像，与样品距离越近，图像质量越好，实例中最优的探测器与样品距离为2.5cm。
[0031] 本发明成像方法基于上述非接触式热声成像装置，包括以下步骤：
[0032] 利用3%的琼脂制成样品，置于波导口。
[0033] 设置仪器相关参数，连接并打开微波发生器、高速数据采集卡、计算机、函数发生器、直流电源、放大器 等设备。
[0034] 利用函数发生器发射的脉冲序列触发微波发生器产生脉冲微波；脉冲微波经发射天线传输到样品池中，待测组织吸收微波能量引起瞬间温升产生热声信号，信号由非接触式超声探测器接收。
[0035] 高速数字采集卡将信号保存至计算机中，X‑Y扫描平台带动非接触式超声探测器移动到下一个位置进行采集；在计算机上利用MATLAB软件处理数据，用滤波反投影算法重建出图像。
[0036] 以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
