Способ СВЧ-томографического исследования объекта Советский патент 1991 года по МПК G01N22/00 

О О

о

О5

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может использоваться для томографического исследования объектов. Цель изобретения - повышение точности. Способ СВЧ-томографичес- кого исследования объекта заключается в том, что осуществляют воздействие электромагнитной волной на исследуемый объект 3, помещенный в резонатор 1 При этом предварительно регистрируют спектр электромагнитных колебаний резонатора 1 без объекта 3, а затем - с помещенным в него объектом 3, т е. измеряют соответствующие резонансные частоты. Затем восстанавливают изображение объекта 3 и его характеристики по формуле e(r)(г где V - объем резонатора; Ј/я - выбранная скалярная функция; г - обобщенная координата; а - коэффициент, определяемый путем решения системы уравнений, в которое входят измеренные резонансные частоты и величина напряженности электрического поля, соответствующая частоте резонатора 1 без объекта 3. 3 ил (С

Фиг. 2

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля и может использоваться для исследования различных объектов, в том числе непрозрачных с малой плотностью, например объектов из полимеров, газодымовых потоков и т. д.

Цель изобретения - повышение точности способа.

На фиг. 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - схема устройства при автоматизированном проведении томографического исследования; на фиг. 3 - эпюры с детектора до помещения объекта в резонатор и после.

Устройство для реализации способа СВЧ- томографического исследования объекта содержит резонатор 1, элементы 2 связи, объект 3, характериограф 4, генератор 5 перестраиваемой частоты, детектор 6, измеритель 7 резонансных частот и вычислительное устройство 8.

Способ СВЧ-томографического исследования объекта реализуется следующим образом. Диапазон частот характериографа (или генератора) выбирается таким ображество уравнений (2) с различными значениями индекса п образуют систему линейных уравнений относительно коэффициентов %. Ее решение дает значения коэффициенс тов ак, а их последующая подстановка в формулу (1) восстанавливает искомую функцию е(г). Аналогичным образом для ферромагнетика может быть получена функция i(r). Таким образом, необходимая информация об исследуемом объекте получе1° на и может быть представлена в удобном виде, например по плоским сечениям. Временная последовательность действий над материальными объектами в данном способе не принципиальная, необходимо

15 лишь их выполнение. Для осуществления способа необходимо снять спектр колебаний пустого резонатора и резонатора с помещенным в него объектом, т. е. измерить соответствующие резонансные частоты шоп и (йп (фиг. 3). Для этого снимают сиг20 нал на детектор и отмечают частоты экстремумов сигнала с детектора 6. Величины напряженности полей Еоп(Ноп) являются известными или определяются расчетным путем для конкретного резонатора, использузом, чтобы в него входили несколько „с емого при реализации способа (например,

собственных частот резонатора (чем больше число собственных частот, тем выше точность восстановления объекта). В зависимости от резонатора это может быть ВЧ- или СВЧ-диапазон электромагнитных колебаний.

Способ СВЧ-томографического исследования объекта заключается в том, что осуществляют воздействие электромагнитной волной на исследуемый объект, помещенный в резонатор. При этом предварительно снимают спектр частот электромагнитных колебаний резонатора без объекта, а затем снимают спектр частот электромагнитных колебаний резонатора с помещенным в нем исследуемым объектом, и по измеренным спектрам восстанавливают изображение объекта в соответствии с выражением

е(г)Ъакик(г),(1)

где UK - скалярная функция;

г - обобщенная координата; ак - коэффициент, определяемый из решения системы уравнений (r)Eln(r) J UK (r)Etn(r)dV, (2)

где сооп, ш„ - частота соответственно резонатора без объекта и резонатора с объектом;

Еоп(г) - напряженность электрического поля, соответствующая частоте Ш0п ,

е0(г) - проницаемость среды резонатора без объекта;

е(г) - проницаемость среды резонатора с объектом; V - объем резонатора. Поскольку из неизвестных в формулу (1) входят только коэффициенты ак, то мнопо измеренным размерам резонатора с учетом его формы). После измерения обоих спектров резонатора (пустого и с объектом) решают систему уравнений (2) для выбранного вида функций UK (г) и определяют 30 величины коэффициентов ак. Зная коэффициенты ак, восстанавливают вид объекта и его характеристики по формуле е(г) 2а«Ј/„(г).

Указанные процессы могут быть автоматизированы, а с учетом производительности 35 современных средств вычислительной техники способ позволяет проводить исследования в реальном масштабе времени, т. е. давать информацию и об изменениях свойств объекта. Вычислительное устройство осуществляет решение системы уравнений (3), однако расчеты можно выполнять вручную.

Пример. Резонатор-коаксиальный с разомкнутыми концами, длина см, объект - диэлектрическое кольцо, установленное в резонатор по его нижней кромке.

Напряженности полей

40

45

(x,y), (x,y),

функции Ј/ выбраны в виде ..,„. Ю; CM {/a(ZH-tfilZ, 50 30 см.

В спектрах измеряются по два значения частот. Соответствующие частоты равны (Оо, 1 ГГц; ГГц; ,788 ГГц; (,576 ГГц.

55 Уравнения имеют вид

l,61046 ai 0,610464 + э2 0,389535; 1,61044 а, 0,610441 + а2 0,389558, откуда и( 2, , т. е. тело высотой

жество уравнений (2) с различными значениями индекса п образуют систему линейных уравнений относительно коэффициентов %. Ее решение дает значения коэффициентов ак, а их последующая подстановка в формулу (1) восстанавливает искомую функцию е(г). Аналогичным образом для ферромагнетика может быть получена функция i(r). Таким образом, необходимая информация об исследуемом объекте получе° на и может быть представлена в удобном виде, например по плоским сечениям. Временная последовательность действий над материальными объектами в данном способе не принципиальная, необходимо

лишь их выполнение. Для осуществления способа необходимо снять спектр колебаний пустого резонатора и резонатора с помещенным в него объектом, т. е. измерить соответствующие резонансные частоты шоп и (йп (фиг. 3). Для этого снимают сиг0 нал на детектор и отмечают частоты экстремумов сигнала с детектора 6. Величины напряженности полей Еоп(Ноп) являются известными или определяются расчетным путем для конкретного резонатора, использус емого при реализации способа (например,

по измеренным размерам резонатора с учетом его формы). После измерения обоих спектров резонатора (пустого и с объектом) решают систему уравнений (2) для выбранного вида функций UK (г) и определяют 0 величины коэффициентов ак. Зная коэффициенты ак, восстанавливают вид объекта и его характеристики по формуле е(г) 2а«Ј/„(г).

Указанные процессы могут быть автоматизированы, а с учетом производительности 5 современных средств вычислительной техники способ позволяет проводить исследования в реальном масштабе времени, т. е. давать информацию и об изменениях свойств объекта. Вычислительное устройство осуществляет решение системы уравнений (3), однако расчеты можно выполнять вручную.

Пример. Резонатор-коаксиальный с разомкнутыми концами, длина см, объект - диэлектрическое кольцо, установленное в резонатор по его нижней кромке.

Напряженности полей

0

5

(x,y), (x,y),

функции Ј/ выбраны в виде ..,„. Ю; CM {/a(ZH-tfilZ, 30 см.

В спектрах измеряются по два значения частот. Соответствующие частоты равны (Оо, 1 ГГц; ГГц; ,788 ГГц; (,576 ГГц.

Уравнения имеют вид

l,61046 ai 0,610464 + э2 0,389535; 1,61044 а, 0,610441 + а2 0,389558, откуда и( 2, , т. е. тело высотой

18 см имеет относительную диэлектрическую проницаемость, равную двум.

Рассмотренный пример имеет тестовый характер, в нем использованы всего две собственные частоты и получены два значения положение верхней границы кольца и значение диэлектрической проницаемости. При увеличении числа измеряемых частот и измерения спектра резонатора в большем диапазоне можно определить несколько границ и распределение диэлектрической проницаемости внутри этих границ, а следовательно, определить характеристики объекта.

Формула изобретения

Способ СВЧ-томографического исследования объекта, заключающийся в воздействии на исследуемый объект электромагнитной волной и восстановлении изображения объекта по расчетным соотношениям, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, воздействие электромагнитной волной на исследуемый объект осуществляют в реи

зонаторе, регистрируют спектр частот электромагнитных колебаний резонатора без объекта, регистрируют спектр частот электромагнитных колебаний резонатора с исследу- емым объектом, восстанавливают изображение объекта по соотношению e(r)(r), где 1/ц - скалярная функция;

г - обобщенная координата; а - коэффициент, определяемый из решения системы уравнений (r)Јn(r)(r)(r)dV,

где «on, ton - частота соответственно резонатора без объекта и резонатора с объектом;

Еоп(г) - напряженность электрического поля, соответствующая частоте о)оп;

ЕО(Г)-проницаемость среды резонатора без объекта;

е(г) - проницаемость среды резонатора с объектом; V - объем резонатора.

5

0

К

t

/

4

Фие.1

t-,b)

t;u)