基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置

1.基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于以磁波为载体信息，将磁波反射所经历的路径看作一个反射通路磁信道，利用收发信号求出磁波反射通路的传递函数及其各种变换形式，结合不同材料的磁性、电性参数特征，反演出被测物体的材质、空间分布特性，并将不同空间位置的磁波反射通路传递函数进行融合，快速、高效、精确地实现物体的三维无损检测与成像；
包括检测前端、信号处理后端，两者通过无线或者有线连接；其中，检测前端负责检测信号的产生、磁波信号的发射和磁波反射信号的接收；信号处理后端负责整个装置的控制参数信息的产生、接收信号的处理，实现磁反射通路的反演、融合和成像显示；
上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的检测前端是所述装置的传感器，具体由通信模块、检测信号发生模块、阵列探头、反射信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成；其中通信模块用于实现检测前端和信号处理后端的通信，将信号处理后端产生的控制参数信息传输到检测前端的检测信号发生模块，将阵列探头接收的经反射信号预处理模块处理的反射磁信号传输给信号处理后端，包含信号收发单元、数据传输接口单元，采用有线或无线的方式进行数据传输；检测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽参数可控的多通道宽频正交电信号以激励阵列探头，包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元、馈电网络单元；阵列探头将检测信号发生模块产生的宽频正交电信号转换成磁信号向被测物体发射并接收磁波反射信号，由多个金属线圈和磁敏元件组成，其中金属线圈排列成阵列组成,线圈中心根据应用需求放置不同的材料，至少包括空气、磁性材料中的一种，且根据检测对象实际情况选择绕制方式；各种磁敏元件，为霍尔元件或磁阻元件或磁致伸缩元件或磁敏二极管或磁敏三极管中的一种放置在线圈之间，每个线圈根据需要设置为发射、接收两种模式，每次检测期间，至少有一个线圈设置为发射模式，负责发射检测磁波信号，磁敏元件和设置为接收模式的线圈负责接收发射磁波信号；反射信号预处理模块对阵列探头接收到的各种类型的磁波反射信号进行去噪声、去除各个线圈之间及线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应预处理，然后通过通信模块发送到信号处理后端，包含滤波单元、低噪放大单元、模数转换单元；运动控制模块负责控制和感知阵列探头的运动，含运动电机单元、GPS定位单元；控制器负责控制各个功能模块的工作；存储器用于缓存各个功能模块的数据；电源负责向各个模块、器件的供电；
上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的信号处理后端一台计算机或者网络云处理终端，是所述装置的数据处理终端，具体由通信模块、磁反射通路特性反演模块、反射通路融合模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成；其中，通信模块用于实现信号处理后端和检测前端的通信，并将检测前端检测的磁波反射信号传输到磁反射通路特性反演模块，包含信号收发单元、数据传输接口单元，采用有线或无线的方式进行数据传输；磁反射通路特性反演模块是一个计算机软件模块，其作用在于对单个窄条空间的磁反射通路的空间传递函数及其参数特征进行辨识与反演，并将结果传递给反射通路融合模块；反射通路融合模块是一个计算机软件模块，其作用在于将阵列探头的各个窄条空间的磁反射通路进行多维融合，获得被测物体的内部参数特性，并将融合结果传输到成像显示模块；成像显示模块对阵列探头及其运动扫描的二维、三维磁反射通路特性进行成像并显示，包含计算机成像显示软件单元、显示单元；人机交互模块提供人机交互的界面及外设；处理器负责处理各个功能模块的数据；存储器用于缓存各个功能模块的数据；
电源负责向各个模块、器件的供电。
2.根据权利要求1所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于检测前端是所述装置的传感器，信号处理后端负责整个装置的控制参数设置、接收信号的处理与成像显示；检测前端与信号处理后端分离，采用无线或有线的方式相连接，能在小型化、便携化的基础上提升装置的软件处理能力，提高检测精度。
3.根据权利要求1所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置，其特征在于所述的检测前端的阵列探头是检测信号的发射与接收装置，由多个根据应用需要特殊绕制的线圈及磁敏元件排列组成；所述线圈设置为发射、接收两种状态；在增加磁波的有效检测深度和检测精度的应用场合，发射线圈采用如下结构：线圈为空心线圈，绕制方式采用匝数递减立体螺旋结构，产生磁聚焦效应，使磁场的聚焦在一个点上，以提高检测的精度；
线圈的匝数较少的那一面为线圈的正面，用于发射磁波；线圈匝数较多的那一面为背面，放置永磁体，其作用在于提供磁场直流分量并将磁场往外推送，而线圈通的交变电流提供磁场交流分量，该结构在系统总功率不增加的基础上提高阵列探头的有效检测深度。
4.基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，其特征在于所述磁波反射通路参数辨识的目标检测原理是：检测前端的阵列探头负责宽频正交检测磁波信号发射与接收，磁波从发射到反射接收所经历的路径看成是一个磁信道，根据麦克斯韦方程，其特性与被测物体的材质、空间分布参数有关；通过收发信号得到反射通路的传递函数，反演出窄条空间的被测物体的材质及空间分布特征；通过阵列或者运动扫描方式获得不同空间位置的磁反射通路的参数特征，将其融合获得物体的二维、三维的空间分布情况，实现物体内部材料识别检测与成像。
5.根据权利要求4所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，其特征在于在不影响被测物使用的前提下，在检测前在被测物内部加入磁导性物体以增加磁波反射强度。
6.根据权利要求5所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：装置控制参数设置：检测人员通过装置信号处理后端的人机交互外设，设置装置的控制参数；设置的控制参数包括：发射信号参数；通信模块参数；阵列探头的线圈状态参数，包括发射状态和接收状态，且设置为发射状态的线圈的发射信号参数；接收参数；磁信道传输特性反演模块参数；信道融合模块参数；成像显示模块参数；
步骤2：装置设备状态自动检测：该步骤所检测的状态包括：检测前端与信号处理后端的通信模块连接状态，检测前端内部各个模块的连接状态，信号处理后端内部各个模块的连接状态；
步骤3：检测前的增益校准：其中增益校准方式包括两种：手动增益与自动增益；手动增益校准方式由检测人员根据被测物的结构及性质特性设置各种增益参数；自动增益校准方式则是在被测物获得一定的样本后，信号处理后端自动估算被测物结构及性质特性的各种增益参数；其中增益参数包括磁波在各种介质材料中的各种磁性参数、电参数，各个时间点的增益大小，带通滤波频率带宽，对比度大小；
步骤4：装置检测初始校准：根据步骤1所设置的发射信号参数信息，信号处理后端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号的激励，向无检测物体空间发射磁波信号；阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收磁波反射信号，同时将磁波反射信号传输到反射信号预处理模块；反射信号预处理模块将各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收到的磁波反射信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据；本步骤的作用在于记录在无被测物时，阵列探头由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应所产生的磁波反射信号的参数信息；
步骤5：发射磁波信号：在经历了步骤4之后，将阵列探头对准被检测物体，同时根据步骤1所设置的发射信号参数信息、阵列探头的线圈状态参数、设置状态为发射的线圈发射信号的参数，信号处理后端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号的激励，向被测物体发射磁波信号；
步骤6：接收磁波反射信号：根据步骤1所设置的接收参数信息，阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏元件接收磁波反射信号，并传输到反射信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，以去除阵列探头在无被测物时，由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应所产生的磁波反射信号，获得被测物所产生的各个接收线圈及磁敏传感器的修正反射信号，通过通信模块，传输到信号处理后端的磁反射通路特性反演模块；
步骤7：磁反射通路反演：根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6接收的修正反射信号的信息，磁反射通路特性反演模块反演出磁反射通路的传递函数及其各种变换形式；又根据上文所述，从电场感生磁场，磁场经过被测物体，变化的磁场感生电场，被测物体的空间分布、内部结构、材料属性均在传递函数中有所反映，根据材料的磁性参数、电参数的特性，反演出该空间窄条反射通路上被测物体的特性；然后各个接收线圈及其附近的磁敏感单元的多个窄条磁反射通路特性反演结果传输到反射通路融合模块进行处理；
步骤8：磁反射通路融合：将步骤7反演的多个窄条磁反射通路特性及其空间信息，在反射通路融合模块进行融合，得到阵列探头所在位置上的检测物体的空间体传输函数，并将结果传输到成像显示模块；
步骤9：显示及成像：从以上步骤获得的空间体传输函数结合物体不同材料的磁性参数、电参数特性，对反射通路特征函数及其各种变换形式作图，作图结果在人机交互平台显示出来，并判断被测物体的不同角度的内部特征；
步骤10：阵列探头运动扫描成像，信号处理后端通过通信模块控制阵列探头的运动或感知阵列探头的运动情况,重复步骤5至步骤9,获阵列探头在各个方位扫描的图像并进行融合,获得物体的三维成像结果,并获得其多方位内部特征信息；
另外，上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，在步骤1之前，对检测物体样例进行样本数据采集；检测数据存储于信号处理后端的存储器中，作为检测过程中物体性质判断和内部缺陷识别的参考依据，以提高检测的速度；采集的样本数据应包括各种材质的标准样本数据，基本形状物体标准样本的数据，各种空间分布情况下的标准样本的数据以及样本内部各种缺陷类别的数据，并形成材质、形状、空间分布、缺陷类别特征库。

基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及信息技术、无损检测等领域，具体涉及一种可应用于地下水油气管道检测、公路桥梁检测、工业制造检测、生物及人体检测等的缺陷目标识别、成像的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置。\n背景技术\n[0002] 检测是指利用各种物理化学效应，选择适合的方式和装置，对各类物体的属性、结构、缺陷等进行准确的定性和分析，可用于改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及服役设备的可靠性和安全性分析，还可用于临床诊断，在社会建设和经济发展中发挥重要作用。检测技术主要为两大类：无损检测和有损检测。其中有损检测即对被测物体有伤害，现代技术在向无损检测发展。\n[0003] 无损检测是指在不损害或者不影响被被测物使用性能，不伤害被被测物内部组织的前提下，利用材料内部结构的异常或者缺陷存在引起的热、声、光、电、磁等的变化，借助相关技术和设备对物体的结构、性质、形状、位置、分布及其变化进行检测和测试的方法。现有的无损检测方法很多，在实际应用中能达到成像效果的主要有以下4种：X光检测技术、超声波检测技术、微波检测技术和核磁共振检测技术。总结以上4种技术及设备，主要存在以下问题：\n[0004] 1）X光检测采用X射线信号（频率范围：30 PHz到30EHz）作为信息载体，需要较高的成本且X射线存在放射性，对人体、环境有害，且体积大、造价昂贵，因而不适合大范围使用。\n[0005] 2）超声波检测通过超声波信号（频率范围：20KHz以上）作为信息载体，具有灵敏度高，对人体无害、成本低等优点，但需要紧贴物体表和耦合剂，不适合复杂形状物体的检测。\n[0006] 3）雷达技术采用微波信号(频率范围：300MHz-300GHz)作为信息载体，利用电磁波的远场散射、反射实现成像，具有成像精度高、人体无害、非接触式等优点，但遇到金属物质会产生电磁屏蔽而无法窥探被测物体的内部构造。同时雷达技术采用脉冲式电磁波作为检测信号，定时精度高、探测时间短、瞬时功率高，硬件动态范围大，且工作于射频波段，因此硬件成本高，价格昂贵。4）核磁共振检测将被测物体置于强大偏置磁场中，用电磁波（频率范围400MHz-800MHz）照射，以改变氢原子的旋转排列方向，使之共振，然后分析它释放的电磁波从而获取物体内部的立体成像，具有成像精度高，对人体无辐射损害等优点，但不适用于被测物体内部有铁磁性物质（如：金属）的情况，同时由于射频致热效应、产生强噪声等使其不适合长时间检测，且体积大、价格昂贵，且需要专门的工作场地和环境。\n[0007] 然而根据电磁学理论，电磁波的本质是在空间中相互转化且周期性变化的电场和磁场，是电波和磁波的总称。根据麦克斯韦方程，运动的电荷或电场的变化能产生磁场即磁波，而被检测物由于材质、空间分布的差异会影响磁场的分布及强度，可用于无损检测及成像应用。有鉴于此，本发明提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，相对于现有的无损检测与成像系统，以宽频磁波为信息载体，采用通电线圈作为磁波发射单元可实现低频信号（例如：20KHz-25KHz）的小口径发射；故本发明具有非接触式、精度高、对人无害、环境逸散小、探头口径小、体积小、低功耗、硬件简单且成本低等优点，适用于分布式检测、在线检测、移动式检测、远程检测等应用场合，在地下水油气管道检测、公路桥梁检测、工业制造检测、生物及人体检测等领域有广泛的应用前景。\n发明内容\n[0008] 本发明目的在于克服现有无损检测系统的诸多不足，将信息理论、计算电磁学有机地结合一起，提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，具体原理如下：\n[0009] 根据麦克斯韦方程的安培定理，变化的电场产生磁场，磁场在某曲面产生磁通量，单位面积的磁通量即磁感应强度。其中，磁性材料的磁感应强度和磁场的关系可用磁滞曲线表示，该曲线在部分区域内是线性变化的。同时磁感应强度跟被测物的空间参数、材料的磁性参数、电参数等密切相关。又由法拉第感应定理，变化的磁场可感生电场，产生感应电动势，其大小与磁通量对时间的变化率成正比。因此，根据发射线圈的电流和反射的磁信号在接收线圈、磁敏元件（如：霍尔元件、磁阻元件、磁致伸缩元件、磁敏二极管、磁敏三极管等）产生感应电动势、感应电流、感应阻抗等信息可对被测物体的特性进行估计。整个系统可以看作一个以磁波为无线传输载体的传输系统，传输的路径可以看作是一个反射通路磁信道。如果适当地控制发射线圈的电流及其物理构造，可以使得磁场位于磁滞曲线的线性部分，整个系统工作在线性区域，等效为高阶的FIR滤波器，可以用线性传递函数表示该磁信道的特性。因此通过分析该磁信道的传递函数及其各种变化形式，辨识其各种参数，获取被测物体的材质、空间分布等信息，并可按照某个或多个参数的变化情况以二维或三维显示成像。\n[0010] 根据以上原理并结合反射通路磁信道传递函数的反演原理，本发明提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置。不同材料的磁导率、介电常数等是不相同的，具有各向异性，故不同材料在同一磁场中呈现的磁阻不同。因此，在同样的磁场中，利用接收线圈或各种磁敏元件作为磁波反射信号的接收器，将经过磁波反射通路的磁波信号转换成电信号，根据发射信号和反射信号可反演出该探头（含发射线圈、接收线圈及各种磁敏元件）所在的窄条空间的反射通路磁信道传输特性。通过收发阵列化或运动扫描等方式，对收发单元所处的窄条空间反演的传递函数实现三维融合，可以得到一个面传递函数或体传递函数，并根据磁波反射通路的信道特性进行空间成像，成像结果反映出被测物的形状、材质、结构、空间分布及其运动情况等。\n[0011] 为了达到以上目的，本发明所述的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置包括检测前端、信号处理后端两部分，其各自的结构如下：\n[0012] 所述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的检测前端是所述装置的传感器，具体由通信模块、检测信号发生模块、阵列探头、反射信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源组成，各个模块的功能和结构如下所述：\n[0013] 上述检测前端的通信模块用于实现检测前端和信号处理后端的通信，将信号处理后端产生的控制信息等接收，且传输到检测前端的检测信号发生模块；将阵列探头接收的经反射信号预处理模块处理的磁波反射信号传输给信号处理后端。包含信号收发单元、数据传输接口单元。可采用有线或者无线的方式进行数据传输。\n[0014] 上述检测前端的检测信号发生模块将从通信模块获得的控制参数信息，生成功率、中心频率、相位、带宽等参数可控的多通道宽频正交电信号以激励阵列探头，包含数模转换单元、相位控制单元、功率放大单元、滤波单元、馈电网络单元。\n[0015] 上述检测前端的阵列探头将检测信号发生模块产生的宽频正交电信号转换成磁信号向被测物体发射并接收磁波反射信号。由多个金属线圈和磁敏元件组成，其中金属线圈（线圈中心可根据应用需求放置不同的材料，如空气、磁性材料，且根据检测对象实际情况选择绕制方式）按照某种方式排列成阵列组成, 各种磁敏元件(霍尔元件、磁阻元件、磁致伸缩元件、磁敏二极管、磁敏三极管等）放置在线圈之间，每个线圈可以根据需要设置为发射、接收两种模式，每次检测至少有一个线圈设置为发射模式，负责发射检测磁波信号，磁敏元件和设置为接收模式的线圈负责接收磁波反射信号。\n[0016] 上述检测前端的反射信号预处理模块对阵列探头接收到的各种类型的磁波反射信号进行去噪、去除线圈之间及线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应等预处理，然后通过通信模块发送到信号处理后端，包含滤波单元、低噪放大单元和模数转换单元。\n[0017] 上述检测前端的运动控制模块负责控制和感知阵列探头的运动，含运动电机单元、GPS定位单元。\n[0018] 上述检测前端的控制器负责控制检测前端各个功能模块的工作。\n[0019] 上述检测前端的存储器用于缓存检测前端各个功能模块的数据。\n[0020] 上述检测前端的电源负责向检测前端各个模块、器件的供电。\n[0021] 所述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的信号处理后端可以是一台计算机或者网络云处理终端，是所述装置的数据处理终端，具体由通信模块、磁反射通路特性反演模块、反射通路融合模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成，各个模块的功能和结构如下所述：\n[0022] 上述信号处理后端的通信模块用于实现信号处理后端和检测前端的通信，并将检测前端检测的磁波反射信号传输到磁反射通路特性反演模块。包含信号收发单元、数据传输接口单元。可采用有线或者无线的方式进行数据传输。\n[0023] 上述信号处理后端的磁反射通路特性反演模块是一个计算机软件模块,其作用在于对单个窄条空间的磁反射通路的空间传递函数及其参数特征进行辨识与反演，并将结果传递给反射通路融合模块。\n[0024] 上述信号处理后端的反射通路融合模块是一个计算机软件模块，其作用在于将阵列探头的各个窄条空间的磁反射通路进行多维融合，获得被测物体的内部参数特性，并将融合结果传输到成像显示模块。\n[0025] 上述信号处理后端的成像显示模块对阵列探头及其运动扫描的二维、三维磁反射通路特性进行成像并显示，包含计算机成像显示软件单元、显示单元。\n[0026] 上述信号处理后端的人机交互模块提供人机交互的界面及外设。\n[0027] 上述信号处理后端的处理器负责处理信号处理后端各个功能模块的数据。\n[0028] 上述信号处理后端的存储器用于缓存信号处理后端各个功能模块的数据。\n[0029] 上述信号处理后端的电源负责向信号处理后端各个模块、器件的供电。\n[0030] 本发明的另一目的在于提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，具体实现步骤包括：\n[0031] 步骤1：装置控制参数设置。检测人员通过装置信号处理后端的人机交互外设，设置装置的控制参数。设置的控制参数包括：发射信号参数；通信模块参数；阵列探头的线圈状态参数（如：发射、接收），且设置为发射状态的线圈的发射信号参数；接收参数设置；磁信道传输特性反演模块参数；信道融合模块参数；成像显示模块参数。\n[0032] 步骤2：装置设备状态自动检测。该步骤所检测的状态包括：检测前端与信号处理后端的通信模块连接状态，检测前端内部各个模块的连接状态,信号处理后端内部各个模块的连接状态。\n[0033] 步骤3：检测前的增益校准。其中增益校准方式包括两种：手动增益与自动增益；手动增益校准方式由检测人员根据被测物的结构及性质等特性设置各种增益参数；自动增益校准方式则是在被测物获得一定的样本后，信号处理后端自动估算被测物结构及性质等特性的各种增益参数；其中增益参数包括磁波在各种介质材料中的各种磁性参数、电参数等，各个时间点的增益大小，带通滤波频率带宽，对比度大小。\n[0034] 步骤4：装置检测初始校准。根据步骤1所设置的发射信号参数信息，信号处理后端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号的激励，向无检测物空间发射磁波信号。阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收磁波反射信号，同时将磁波反射信号传输到反射信号预处理模块。反射信号预处理模块将各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收到的磁波反射信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据。本步骤的作用在于记录在无被测物时，阵列探头由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应等所产生的磁波反射信号的参数信息。\n[0035] 步骤5：发射磁波信号。在经历了步骤4之后，将阵列探头对准被检测物体，同时根据步骤1所设置的发射信号参数信息、阵列探头的线圈状态参数、设置状态为发射的线圈发射信号的参数，信号处理后端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号的激励，向被测物体发射磁波信号。\n[0036] 步骤6：接收磁波反射信号。根据步骤1所设置的接收参数信息，阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏元件接收磁波反射信号，并传输到反射信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，以去除阵列探头在无被测物时，由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应等所产生的磁波反射信号，获得被测物所产生的各个接收线圈及磁敏传感器的修正反射信号，通过通信模块，传输到信号处理后端的磁反射通路特性反演模块。\n[0037] 步骤7：磁反射通路反演。根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6接收的修正反射信号的信息，磁反射通路特性反演模块反演出磁反射通路的传递函数及其各种变换形式（如： 时域变换、频域变换等）。又根据上文所述，从电场感生磁场，磁场经过被测物体，变化的磁场感生电场，被测物体的空间分布、内部结构、材料属性等均可以在传递函数中有所反映，根据材料的磁性参数（如：磁导率）、电参数（如：介电常数、电导率）的特性，可反演出该空间窄条反射通路上被测物体的特性。然后各个接收线圈及其附近的磁敏感单元的多个窄条磁反射通路特性反演结果传输到反射通路融合模块进行处理。\n[0038] 步骤8：磁反射通路融合。将步骤7反演的多个窄条磁反射通路特性及其空间信息，在反射通路融合模块进行融合，得到阵列探头所在位置上的检测物体的空间体传输函数，并将结果传输到成像显示模块。\n[0039] 步骤9：显示及成像。从以上步骤获得的空间体传输函数结合物体不同材料的磁性参数、电参数特性，对反射通路特征函数及其各种变换形式作图，作图结果在人机交互平台显示出来，并判断被测物体的某个角度内部特征。\n[0040] 步骤10：阵列探头运动扫描成像。信号处理后端通过通信模块控制阵列探头的运动或感知阵列探头的运动情况,重复步骤5至步骤9,获阵列探头在各个方位扫描的图像并进行融合,获得物体的三维成像结果,并获得其多方位内部特征信息。\n[0041] 另外，上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，可在步骤1之前，对检测物体样例进行样本数据采集；检测数据存储于信号处理后端的存储器中，作为检测过程中物体性质判断和内部缺陷识别的参考依据，以提高检测的速度。采集的样本数据应包括各种材质的标准样本数据，基本形状物体标准样本的数据，各种空间分布情况下的标准样本的数据以及样本内部各种缺陷类别的数据等，并形成材质、形状、空间分布、缺陷类别等特征库。\n[0042] 此外，上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，在不影响被测物使用的前提下，在检测前可在被测物内部加入磁导性物体（如：铁粉）以增加磁波反射强度。\n[0043] 本发明所提出的一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置，结合电磁场理论，以宽频磁波为信息载体，采用信息系统的传递函数及其各种变化反演空间的被测物体的各种特征参数及成像，具有以下优点：\n[0044] (1)本发明以磁波为载体，通过对被测物所处磁反射通路的传递函数的参数辨识结果进行三维成像，进而对被测物的材质、空间分布等特征进行识别，实现无损检测。\n[0045] (2)本发明采用磁波作为检测信息载体，可以实现非接触式检测，相对于超声检测技术，不需要耦合剂，可适用于高温、复杂形状物体的检测；同时磁波信号在空间衰减快，相对于X光、核磁共振等检测技术，具有空间逸散小的优点，且对人无害。\n[0046] (3)本发明采用宽频信号为发射信号，根据香农信息论，可增加信息量，相对于现有的以脉冲信号为发射信号的探测技术，可大幅提高检测精度和成像清晰度。\n[0047] (4)本发明以通电线圈作为磁波信号的发射单元，相对于雷达，可在口径小的情况下发射低频信号，装置具有体积小、成本低的特点。\n[0048] (5)本发明可以采用超声频段磁信号作为载体信号，相对于核磁共振检测技术，发射信号的功率和频率大幅减少，无射频致热效应且无噪声，对生物体无害，适合长时间在线检测。\n[0049] (6)本发明可采用分体式结构，检测前端和信号处理后端通过有线或者无线连接，信号处理后端可通过高性能计算机或网络处理终端实现。相对于现有的成像检测系统，可减少前端装置的体积，实现便携式检测，且可保证甚至提高检测精度。可适用于大范围分布式检测、在线检测、移动式检测、远程检测等应用场合。\n[0050] (7)本发明的信号处理后端具有丰富的特征库，可实现自动识别，因此对检测人员的要求降低，操作简单方便，且可在检测过程结束后即完成检测报告，提高检测的效率。\n附图说明\n[0051] 图1是本发明的系统框图；\n[0052] 图2是本发明的基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测示意图；\n[0053] 图3是磁滞曲线及其线性区域；\n[0054] 图4是本发明的阵列探头的平面示意图；\n[0055] 图5是本发明的阵列探头的发射线圈的剖面示意图；\n[0056] 图6是本发明的工作流程图。\n具体实施方式\n[0057] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。\n实施例\n[0058] 本发明将信息理论和计算电磁学有机地结合一起，以宽频磁波信号作为信息载体，用信息系统的传递函数及其各种变化，结合麦克斯韦方程和材料的磁性和电参数特征，通过对磁反射通路的参数辨识，实现对被测物体的无损检测与三维成像。本发明具有非接触式、精度高、对人无害、环境逸散小、探头口径小、体积小、低功耗、硬件简单且成本低等优点，在地下水油气管道检测、公路桥梁检测、工业制造检测、生物及人体检测等领域有广泛的应用前景。\n[0059] 以地下水油气管道检测为例，现有的检测方法包括：内窥镜检测法，X光检测和雷达检测法。其中，内窥镜检测法需要在管道内设置摄像头，通过有线或者无线传输光学图像进行识别，检测速度慢，且对管道有一定损害。X光检测和雷达检测属于无损成像检测方法，但X光检测法需要放射源，对人体有害，不适合大范围使用，且检测速度慢。雷达检测可实现无损非接触检测，但遇到金属物质会产生电磁屏蔽而无法窥探被测物体的内部构造，且采用脉冲式电磁波作为检测信号，定时精度高、探测时间短、瞬时功率高，硬件动态范围大，且工作在射频频段，因此硬件成本高，价格昂贵。此外检测不同深度地下管道时时候需更换不同的天线，不适合普及使用。综上所述，现有的地下水油气管道检测方法存在各种问题，急需解决。\n[0060] 本发明的所述的一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法及装置可有效解决此问题。本发明采用宽频磁波信号作为检测信号，可在非接触的条件下实现对地下不同材质管道的无损检测，包括：PVC等非金属材料以及金属材料。下文将以地下排污管道的堵塞检测为例，说明本发明的具体实施方式，即是检测地下排污管道的堵塞位置。\n[0061] 如图1所示，是本发明所述的一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像装置的系统框图。该装置主要由检测前端和信号处理后端两大部分组成，相互之间可以通过无线或者有线相连接。\n[0062] 该实施例检测前端的主要功能是收发宽频正交磁波信号，频率范围在：20KHz-\n25KHz（其中具体的信号发射中心频率可根据检测的深度和分辨率要求综合考虑选择），相当于整个装置的传感器，主要由通信模块、检测信号发生模块、阵列探头、反射信号预处理模块、运动扫描模块、控制器、存储器及电源构成。其中，通信模块，负责信号处理后端与检测前端之间控制信息、接收信号的传输；检测信号发生模块，按照信号处理后端产生的控制参数信息，生成多通道宽频正交电信号；阵列探头，用于对地下管道、管线、缺陷及堵塞的检测定位，其中发射线圈受到检测信号发生模块产生的电信号的激励，发射磁波信号，接收线圈及磁敏元件接收磁波反射信号；反射信号预处理模块，用于对接收发射信号的校准、预处理等；运动扫描模块负责控制或感知阵列探头的运动；控制器负责控制各个功能模块的工作；存储器用于缓存各个功能模块的数据；电源负责向各个模块、器件的供电。\n[0063] 该实施例信号处理后端的主要功能是对检测前端接收的磁反射信号进行磁反射通路参数辨识、反演、融合和成像现实，可以是一个计算机或者网络处理云终端，由通信模块、磁反射通路特性反演模块、反射通路融合模块、成像显示模块、人机交互模块、处理器、存储器及电源组成。其中，通信模块负责与检测前端进行通信，发送控制信息和接收阵列探头接收的反射信号；磁反射通路特性反演模块负责单个窄条空间的磁信道的空间传递函数进行参数辨识及反演；反射通路融合模块复杂融合多个窄条空间磁反射通路；成像显示模块对三维磁反射通路特性进行反射成像并显示；人机交互模块用于外部控制信息输入与检测结果的输出处理，实现人机交互；处理器负责处理各个功能模块的数据；存储器用于缓存各个功能模块的数据；电源负责向各个模块、器件的供电。\n[0064] 该实施例的数据处理过程如下：信号处理后端通过通信模块，控制检测前端的阵列探头收发磁波信号，阵列探头接收的反射磁波信号先经过反射信号预处理模块进行预处理，再通过通信模块发送回信号处理后端，磁波反射信号经过信号处理后端的磁反射通路特性反演模块、反射通路融合模型和成像模块的处理，成像显示于显示设备上。另外信号处理后端有人机交互模块，可以实现检测的控制参数信息的设置、控制信息的设置以及输出结果的输出设置等。\n[0065] 此外，装置的反射信号处理方式包括两种：离线数据采集与实时处理。其中离线数据采集用于在通信环境恶劣的情况下，检测前端按照预设的参数，控制磁波信号的收发，并将接收发射信号存储在检测前端的存储器中，待到通信条件改善的时候，通过通信模块发射到信号处理后端处理；实时处理用于实时检测地下排污管道时的检测接收反射信号的处理与成像显示。\n[0066] 本发明基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测示意如图2所示。本实施例的阵列探头放置在待检测的地下排污管道的上面，阵列探头含有阵列排列的发射线圈、阵列排列的接收线圈和分布在线圈周围的磁敏元件。发射电流Is(t)流经发射线圈激发发射磁波信号，磁波经过地下排污管道反射后被不同接收线圈和磁敏元件接收，产生感应电动势、感应电流Ir(t)、感应阻抗等信息。另外发射线圈背部放置永磁体，将磁场向外推送，以增加检测深度。\n[0067] 根据麦克斯韦方程的安培定理,变化的电场产生磁场，磁场在某曲面产生磁通量，单位面积的磁通量即磁感应强度。其中，磁性材料的磁感应强度和磁场强度的关系是非线性的，在技术应用方面常用磁滞曲线对磁化过程进行描述，具体可见图3，在部分区域内二者具有线性关系。同时磁感应强度跟被测物的空间参数、材料的磁性参数、电参数等密切相关。又由法拉第感应定理，变化的磁场可感生电场，产生感应电动势，其大小与磁通量对时间的变化率成正比。因此，根据发射线圈的电流和反射磁信号在接收线圈、磁敏元件等的感生的感应电动势、感应电流、感应阻抗等信息可对被测物体的特性进行估计。整个系统可以看作一个以磁波为无线传输载体的传输系统，传输的路径可以看作是一个反射通路磁信道。如果适当地控制发射线圈的电流及其物理构造，可以使得磁场位于磁滞曲线的线性部分，整个系统工作在线性区域，等效为高阶的FIR滤波器，可以用线性传递函数表示该磁信道的特性。因此通过分析该反射通路磁信道的传递函数及其各种变化形式，辨识其各种参数，获取被测物体的材质、空间分布等信息，并可按照某个或多个参数的变化情况以二维或三维显示成像。根据以上原理并结合反射通路磁信道传递函数的反演原理，本发明提出一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法。不同材料的磁导率、介电常数等是不相同的，具有各向异性，故不同材料在同一磁场中呈现的磁阻不同。因此，在同样的磁场中，探头通过接收线圈和各种磁敏元件将经过磁波反射通路的磁信号转换成电信号，根据发射信号和接收信号可反演出该探头所在的窄条空间的反射通路磁信道传输特性，这个传递函数以时间、空间等为参数。通过探头阵列化或运动扫描等方式，对单个探头的窄条空间反演的传递函数实现三维融合，可以得到一个面传递函数或体传递函数，并根据反射通路的信道特性进行空间成像，成像结果反映出被测物的形状、材质、结构、空间分布及其运动情况等。\n[0068] 如图4所示，是本发明所述阵列探头的平面示意图。阵列探头由多个金属线圈和磁敏元件组成，其中金属线圈按照某种方式排列成阵列组成, 各种磁敏元件(霍尔元件、磁阻元件、磁致伸缩元件、磁敏二极管、磁敏三极管等）放置在线圈之间。每个线圈可以根据需要设置为发射、接收两种模式。每次检测至少有一个线圈设置为发射模式，负责发射检测磁波信号。磁敏元件和设置为接收模式的线圈负责接收磁波反射信号。\n[0069] 同时,本实施案例的检测对象是地下目标,为了尽可能增加磁波的有效检测深度和检测精度，图4所述的发射线圈可采用立体螺旋结构，其剖面图如图5所示。发射线圈为空心线圈，绕制方式采用匝数递减立体螺旋结构。该结构具有磁聚焦效应，使得磁场尽可能聚焦在一个点上，以提高检测的精度。线圈的匝数较少的那一面为线圈的正面，用于发射磁波。线圈匝数较多的那一面为背面，放置永磁体，其作用在于提供磁场直流分量并将磁场往外推送，而线圈通的交变电流提供磁场交流分量。由于永磁体是无源的，故可在系统总功率不增加的基础上提高阵列探头的有效检测深度。\n[0070] 本发明同时实现一种基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，其工作流程图如图6，包括以下步骤：\n[0071] 步骤1：检测装置控制参数设置。检测过程中，检测人员通过装置信号处理后端的人际交互外设，设置装置的控制参数。需要设置的控制参数包括：\n[0072] (1) 发射参数设置，包括：阵列探头发射线圈单元选择，发射驱动方式选择，发射信号波形，信号强度，发射中心频率，发射带宽，发射角度与发射信号的初始相位。\n[0073] (2) 接收参数设置，包括：阵列探头接收线圈单元选择，接收信号带宽，接收频率偏移值，接收角度，采样频率，采样点数目，接收时窗大小，提前接收时间大小，磁波在被测物体介质中的预设速度。\n[0074] (3) 通信与位置参数的选择，通信模块的参数设置，包括：通信的连接方式与网络地址，阵列探头的位置参数及运动扫描方式的设置。\n[0075] (4) 检测结果显示参数设置，包括：显示模式(包括三维立体模型、二维图像或一维波形形式显示)，坐标轴显示坐标与范围，图像显示对比度，对比度大小；如果检测过程采用的是三维扫描方式，还要设置检测的每条测线的位置参数，包括测线之间的间隔，起始点位置，扫描偏移，横纵方向测线选择等。\n[0076] 步骤2：装置设备状态检测。该步骤所检测的状态包括：检测前端与信号处理后端连接状态，检测前端各个模块的连接状态，信号处理后端各个装置的连接状态，装置的电源容量状态。其中只有在上述装置设备状态均为正常运行的情况下，才能够进行下一步的操作；如有设备出现故障错误状态，则在人机交互平台提示错误信息，并结束当前检测工作流程。\n[0077] 步骤3：检测前的增益校准。其中可以选择的增益校准方式包括以下两种：手动增益与自动增益；如果选择手动增益校准方式，则由检测人员根据被测物的结构及性质等特性设置各种增益参数；如果选择自动增益校准方式，则由在被测物获得一定的样本后，信号处理后端自动估算被测物结构及性质等特性的各种增益参数；其中增益参数包括磁波在各种介质材料中的各种磁性参数、电参数等，各个时间点的增益大小，带通滤波频率带宽，对比度大小。\n[0078] 步骤4：装置检测初始校准。根据步骤1所设置的发射信号参数信息，信号处理后端生成控制参数信息,并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号的激励，向无检测物空间发射磁波信号。阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收磁波反射信号，同时将磁波反射信号传输到反射信号预处理模块。反射信号预处理模块将各个接收线圈及线圈周边的磁敏传感器接收到的磁波反射信号及其参数特征存储下来，并记录为装置的初始校准数据。本步骤的作用在于记录在无被测物时，阵列探头由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应等所产生的磁波反射信号的参数信息。然后判断装置是否需要结束工作，如收到结束指令，则结束当前检测工作流程；否则继续进行下一步的操作。\n[0079] 步骤5：发射磁波信号。在经历了步骤4之后，将阵列探头对准被检测物体，同时根据步骤1所设置的发射信号参数信息、阵列探头的线圈状态参数、设置状态为发射的线圈发射信号的参数，信号处理后端生成控制参数信息，并经由通信模块传输到检测前端的检测信号发生模块生成多通道宽频正交电信号，阵列探头的各个发射线圈受电信号激励，向被测物体发射磁波信号。\n[0080] 步骤6：接收磁波反射信号。根据步骤1所设置的接收参数信息，阵列探头的各个接收线圈及线圈周边的磁敏元件接收磁波反射信号，并传输到反射信号预处理模块，并与步骤4所记录的装置初始校准数据一起处理，以去除阵列探头在无被测物时，由金属线圈之间以及金属线圈与磁敏元件之间的互感与自感效应等的产生的磁波反射信号，获得被测物所产生的各个接收线圈及磁敏传感器的修正反射信号，通过通信模块，传输到信号处理后端的磁反射通路特性反演模块。\n[0081] 步骤7：磁反射通路反演。根据步骤1配置的发射检测信号的信息,步骤6接收的修正反射信号的信息，磁反射通路特性反演模块反演出磁反射通路的传递函数及其各种变换形式（如： 时域变换、频域变换等）。又根据上文所述，从电场感生磁场，磁场经过被测物体，变化的磁场感生电场，被测物体的空间分布、内部结构、材料属性等均可以在传递函数中有所反映，根据材料的磁性参数（如：磁导率）、电参数（如：介电常数、电导率）的特性，可反演出该空间窄条反射通路上被测物体的特性。然后判断各个接收线圈及其附近的磁敏单元的多个窄条磁反射通路的反演是否均完成，如果尚未完成，继续重复步骤5到步骤7；如果反演完成，则将进行下一步操作。\n[0082] 步骤8：磁反射通路融合。将步骤7辨识和反演的多个窄条磁反射通路参数特征及其空间信息，通过反射通路融合模块进行融合，得到阵列探头所在位置上的检测物体的空间体传输函数，并将结果传输到成像显示模块。\n[0083] 步骤9：显示及成像。从以上步骤获得的空间体传输函数，根据其幅度、相位、延时等信息，结合物体不同材料的磁性参数、电参数特性，对传输函数及其各种变换形式作图，作图结果在人机交互平台显示出来，并判断被测物体的某个角度内部特征。然后根据显示成像的结果判断阵列探头是否需要运动扫描以改变探测的角度从而获知被测物体的其他角度的特征信息，如果需要运动扫描，则进行下一步操作，如果不需要运动扫描，则结束当前检测工作流程。\n[0084] 步骤10：阵列探头运动扫描成像。信号处理后端通过通信模块控制或感知阵列探头的运动,重复步骤5至步骤9,获阵列探头在各个方位扫描的图像并进行融合,获得物体的多维成像结果,并获得其多方位内部特征信息。\n[0085] 另外，上述基于宽频磁波反射通路参数辨识的检测与成像方法，可在步骤1之前，对检测物体样例进行样本数据采集；检测数据存储于信号处理后端的存储器中，作为检测过程中物体性质判断和内部缺陷识别的参考依据，以提高检测的速度。采集的样本数据应包括各种材质的标准样本数据，基本形状物体标准样本的数据，各种空间分布情况下的标准样本的数据以及样本内部各种缺陷类别的数据等，并形成材质、形状、空间分布、缺陷类别等特征库。\n[0086] 对于本实施例，由于造成地下排污管道堵塞的物体具有多样性，按照上述方法成像可实现排污管道的内部成像，但有些堵塞位置的目标识别可能不够明显。因此，在检测前可在排污管加入铁粉之类的磁导性粉状物以增强磁波反射强度。由于排污管内水流的原因，没有堵塞的位置铁粉不会有较多的沉淀，分布比较均匀；而在堵塞位置，由于水流缓慢铁粉会大量沉淀下来，在成像显示时候可以看到明显的反射区域，可快速地定位堵塞的位置，并能清晰地放映内部堵塞的程度和堵塞物的成分、空间分布等。\n[0087] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。