本發明專利技術公開了基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別方法及裝置，裝置包括設備控制模塊、信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊，其中信號收發模塊與信號處理模塊相連，信號處理模塊與曲線參數提取模塊相連，信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊均與設備控制模塊相連；識別方法利用測得的反射系數曲線測量值與固有的反射系數經驗曲線，可提取出各層材質的電磁參數，實現材質的識別。本發明專利技術的裝置結構簡單，具有識別精度高、安全、便攜式的特點。本發明專利技術能實現待測物多截面、多角度、多深度的材質識別，且可實現動態聚焦調節。本發明專利技術除用于工業材料的識別外，還可用于農產品的質量檢查。?
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及材質識別
，具體涉及基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別方法及裝置。
技術介紹
材質識別、質量鑒定是工業材質質量檢測領域的重要課題。對于由多種材質組成的物體，需分別鑒定出各材質的類別，從而對物體整體的材質組成和質量鑒定做出結論。例如，如何檢測物體的內部分層結構及各層的材質，如何識別木制品、金屬制品等的內部材質真假及質量優劣，如何辨別材質內部是否混有其他成分并識別其他成分的材質種類等。目前的材質識別的常見方法有光熱法識別、顏色識別、電磁識別、回波信號識別、電渦流識別等。光熱法識別和顏色識別無法對物體內部的材質進行識別和鑒定，電磁識別只適用于對電磁材料的識別。回波信號識別，如基于回波數據特征提取聯合神經網絡的材質識別(專利號CN1595195A)，其原理是向待測材質發射超寬帶信號，然后從接收的回波中提取回波典型數據的特征值并進行神經網絡的訓練和識別，完成材質的識別。電渦流識別的方法，如基于電渦流識別復合材料(專利號CN101413921A)，利用金屬導體電渦流特性，對金屬材質進行識別，并且通過調整探測深度，可實現上下兩層復合材料的材質識別，還可實現臨界面的定位。上述方法，不能對含多層材質的物體的各層材質進行識別，其具體不足體現在 1、不能有效實現多層材質的識別，不能對待測物內部材質的質量進行鑒定。光熱法識別和顏色識別只對表層材料進行識別，且精度不高。回波特征值提取將待測物視為一個整體識別，無法區分各層材質的信息。而電渦流法則只能對上下兩層金屬材質的物體進行材質識別。2、回波特征值提取的方法，對影響回波特性的因素沒有全面考慮，因此制約了其材質識別的精度。當材質不滿足半無限大條件時，反射系數曲線與材質厚度有關，材質厚度的變化會導致材質的錯誤識別。另外，當材質具有多層介質時，某些介質的改變也會使材質整體的等效電磁參數發生變化，進而使反射系數曲線發生變化。單一表層反射信號的特征值提取，無法發現這些變化，而是將材質整體識別為另一種材質。3、傳統的材質識別方法，測量點較少，不能全面反映被測物各位置各深度的材質種類。若對被測物多點進行測量，則需發射裝置的機械移動，增加設備的復雜度和制造成本。對于物體的材質識別，可以考慮其固有屬性，如電磁參數中的介電常數σ、電導率ε、磁導率μ。信號在物質中傳輸時，遇到電磁參數σ、ε、μ發生改變，會發生反射，即兩種材質的臨界面處會發生反射。由電磁理論可知，在滿足半無限大條件下，反射系數由信號頻率f、臨界面兩側材質的特征阻抗η和傳播常數Y共同決定。而η和Y則是由電磁參數σ、ε和μ決定的。因此，不同物質的反射系數隨信號頻率變化的曲線，因攜帶的電磁參數信息而具有獨特性，可通過反射系數曲線提取電磁參數信息，實現材質的識別。而對于含有多層材質的物體，臨界面兩側的介質不再滿足半無限大條件，反射系數曲線除了與臨界面兩側介質的電磁參數有關外，還與其他各層介質電磁參數及各層介質的厚度有關。因此可通過各層際反射系數曲線聯合提取各層材質的電磁參數σ、ε和μ。為了對含有多層材質的物 體精確識別各層的材質，需要足夠多的反射系數和頻率關系信息，所以可以利用攜帶著豐富頻帶信息的超寬帶信號對物體進行材質識別。為提高材質識別速度，用相控陣來發送和接收超寬帶信號。因為相控陣具有多個獨立的放射波束與接收波束，具有波束指向快速變化、波束形狀靈活變化的特點，可使掃描范圍全面覆蓋被測物體被檢部位，實現待測物各位置各深度材質的全面識別。由此，將超寬帶探測和相控陣相結合，可實現材質準確全面的掃描和檢測。該方法也可擴展應用于農產品及日常用品的質量檢查。
技術實現思路
為了實現對材質的鑒定，包括被測物表層及內部各層材質種類的識別及質量檢查，本專利技術提供了基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別方法及裝置。本專利技術以不同材質具有不同的介電常數O、電導率ε、磁導率μ為依據，通過提取各層際反射回波，建立各反射系數曲線與各層材質的電磁參數(σ、ε、μ )的關系函數，通過各層際反射系數與電磁參數關系函數的聯合求解，實現材質的鑒定。具體來說，利用測得的反射系數曲線測量值與固有的反射系數經驗曲線，可提取出各層材質的電磁參數，實現材質的識別。本專利技術的各個技術方案如下。基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別裝置，其包括設備控制模塊、信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊，其中信號收發模塊與信號處理模塊相連，信號處理模塊與曲線參數提取模塊相連，信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊均與設備控制模塊相連；所述的設備控制模塊實現對與其連接的所述模塊的控制并輸出處理結果，設備控制模塊包括中央控制單元、數據存儲器和顯示設備，其中，數據存儲器、顯示設備分別與中央控制單元相連接，中央控制單元用于控制信號收發模塊、信號處理模塊、曲線參數提取模塊的工作以及模塊之間的數據傳輸；數據存儲器用于存儲各模塊的處理結果，并提供信號處理模塊所需的輸入數據；顯示設備對處理進程及結果進行顯示；所述信號收發模塊為全雙工信號收發器，其向待測物發射超寬帶信號，并接收待測物各層際的反射回波；所述的信號處理模塊用于采集回波信號，并對其進行時域、頻域處理，提取反射系數曲線測量值；所述的曲線參數提取模塊用于求解各層材質的電磁參數信息，并將求解結果傳遞給設備控制模塊。進一步優化的，所述信號收發模塊包括超寬帶發射器、功率分配器、波束控制器、P個波束子陣收發機和波束形成器；超寬帶發射器、功率分配器、波束控制器、P個波束子陣收發機、波束形成器順次相連接；功率分配器將超寬帶發射器功率進行耦合，平均分配給各波束子陣；波束控制器用于實現不同角度不同深度的波束偏轉和聚焦，并通過逐層聚焦的深度變化，獲得各位置下各層材質的厚度信息；ρ個波束子陣收發機構成相控陣收發器，對聚焦點發射超寬帶信號，并接收反射點的回波信號；波束形成器將各子陣接收到的回波信號進行相位補償并合成為接收波束，P ^ 2。進一步優化的，所述的信號處理模塊包括數據采樣器、信號預處理器、導波信號處理器和信號處理器，其中信號處理器包括了波段提取裝置、功率估計器、幅頻分析裝置和除法器；數據采樣器、信號預處理器和信號處理器順次相連接；信號預處理器與導波信號處理器相連接，導波信號處理器與設備控制模塊中的數據存儲器相連接；波段提取裝置、功率估計器、幅頻分析裝置和除法器順次相連接，除法器的除數由設備控制模塊中的數據存儲器提供；數據采樣器，實現發射信號和回波信號的模數轉換，信號預處理器分別實現對同一聚焦點的多次發射信號和回波信號的時間平均，并分別得到平均發射信號和平均回波信號；導波信號處理器通過記錄導波的回波時延和波峰數，獲得被測物類別、外形、層數的初步信息，并將結果傳遞給數據存儲器；信號處理器對平均回波信號進行時域和頻域的處理，提取反射系數曲線測量值，其中，波段提取裝置在時域上提取出平均回波信號在聚焦點處的反射波段，避免后續處理中其他位置的反射波對聚焦位置反射系數曲線測量值造成誤差，功率估計器對平均發射信號和平均回波信號分別進行功率譜估計，幅頻分析裝置用于獲取平均發射信號和平均回波信號頻域上的幅度譜，進而得到幅頻特性曲線；但此時得到的傳遞函數的幅頻特性曲線并不是信號的反射系數曲線，幅頻特性曲線是反射面和反射面之上各層材質透射的聯合結本文檔來自技高網...
【技術保護點】
基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別裝置，其特征在于包括設備控制模塊、信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊，其中信號收發模塊與信號處理模塊相連，信號處理模塊與曲線參數提取模塊相連，信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊均與設備控制模塊相連；所述的設備控制模塊實現對與其連接的所述模塊的控制并輸出處理結果，設備控制模塊包括中央控制單元、數據存儲器和顯示設備，其中，數據存儲器、顯示設備分別與中央控制單元相連接，中央控制單元用于控制信號收發模塊、信號處理模塊、曲線參數提取模塊的工作以及模塊之間的數據傳輸；數據存儲器用于存儲各模塊的處理結果，并提供信號處理模塊所需的輸入數據；顯示設備對處理進程及結果進行顯示；所述信號收發模塊為全雙工信號收發器，其向待測物發射超寬帶信號，并接收待測物各層際的反射回波；所述的信號處理模塊用于采集回波信號，并對其進行時域、頻域處理，提取反射系數曲線測量值；所述的曲線參數提取模塊用于求解各層材質的電磁參數信息，并將求解結果傳遞給設備控制模塊。
【技術特征摘要】
1.基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別裝置，其特征在于包括設備控制模塊、信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊，其中信號收發模塊與信號處理模塊相連，信號處理模塊與曲線參數提取模塊相連，信號收發模塊、信號處理模塊和曲線參數提取模塊均與設備控制模塊相連；所述的設備控制模塊實現對與其連接的所述模塊的控制并輸出處理結果，設備控制模塊包括中央控制單元、數據存儲器和顯示設備，其中，數據存儲器、顯示設備分別與中央控制單元相連接，中央控制單元用于控制信號收發模塊、信號處理模塊、曲線參數提取模塊的工作以及模塊之間的數據傳輸；數據存儲器用于存儲各模塊的處理結果，并提供信號處理模塊所需的輸入數據；顯示設備對處理進程及結果進行顯示；所述信號收發模塊為全雙工信號收發器，其向待測物發射超寬帶信號，并接收待測物各層際的反射回波；所述的信號處理模塊用于采集回波信號，并對其進行時域、頻域處理，提取反射系數曲線測量值；所述的曲線參數提取模塊用于求解各層材質的電磁參數信息，并將求解結果傳遞給設備控制模塊。2.根據權利要求1所述的基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別裝置，其特征在于所述信號收發模塊包括超寬帶發射器、功率分配器、波束控制器、P個波束子陣收發機和波束形成器；超寬帶發射器、功率分配器、波束控制器、P個波束子陣收發機、波束形成器順次相連接；功率分配器將超寬帶發射器功率進行耦合，平均分配給各波束子陣；波束控制器用于實現不同角度不同深度的波束偏轉和聚焦，并通過逐層聚焦的深度變化，獲得各層材質的厚度信息；P個波束子陣收發機構成相控陣收發器，對聚焦點發射超寬帶信號，并接收反射點的回波信號；波束形成器將各子陣接收到的回波信號進行相位補償并合成為接收波束，P > 2。3.根據權利要求1所述的基于超寬帶相控陣逐層聚焦的多材質聯合識別裝置，其特征在于所述的信號處理模塊包括數據采樣器、信號預處理器、導波信號處理器和信號處理器，其中信號處理器包括了波段提取裝置、功率估計器、幅頻分析裝置和除法器；數據采樣器、信號預處理器和信號處理器順次相連接；信號預處理器與導波信號處理器相連接，導波信號處理器與設備控制模塊中的數據存儲器相連接；波段提取裝置、功率估計器、幅頻分析裝置和除法器順次相連接，除法器的除數由設備控制模塊中的數據存儲器提供；數據采樣器，實現發射信號和回波信號的模數轉換，信號預處理器分別實現對同一聚焦點的多次發射信號和回波信號的時間平均，并分別得到平均發射信號和平均回波信號；導波信號處理器通過記錄導波的回波時延和波峰數，獲得被測物類別、外形、層數的初步信息，并將結果傳遞給數據存儲器；信號處理器對平均回波信號進行時域和頻域的處理，提取反射系數曲線測量值，其中，波段提取裝置在時域上提取出平均回波信號在聚焦點處的反射波段，功率估計器對平均發射信號和平均回...
【專利技術屬性】
技術研發人員：韋崗，陳玉婷，曹燕，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：
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