基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)及采用 該系統(tǒng)的檢測方法，尤其是在無輻射、無損傷情況下方便快速地判斷復(fù)雜結(jié)構(gòu)體內(nèi)部是否 含有異物以及判斷異物的位置和大小。屬于微波檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波是電磁輻射的一種形式，其頻帶300MHz到300GHz之間，相應(yīng)的波長為1000 mm 到1_。微波波長長，能穿透到物體的內(nèi)部，且具有光的特性，無阻礙時沿直線傳播，但在物 體內(nèi)部，不同的材料體使其發(fā)生不同性質(zhì)的反射、折射、衍射或散射，使得通過探測穿過物 體的微波信號改變，從而把握物體內(nèi)部的特性成為可能。微波檢測尤其是對材料內(nèi)部的檢 測有很廣泛的應(yīng)用，包括：評定材料的性能和不連續(xù)性，非金屬基體上的薄金屬覆蓋層厚度 與介電常數(shù)厚板的厚度測量，塑料或陶瓷中分層氣孔疏松夾雜和其他缺陷的測定等。近年 來，生物領(lǐng)域的微波檢測也逐漸引起關(guān)注。人體微波檢測是一個具有發(fā)展前景的領(lǐng)域，例 如：人體組織中血塊、腫塊和腫瘤的探測。結(jié)構(gòu)體內(nèi)異物的介電性質(zhì)與它們周圍的正常組 織不同，基于微波的檢測方法利用不同組織中的介電性能差異引起的不同的電磁散射作為 判別基礎(chǔ)。微波檢測技術(shù)的優(yōu)勢在于：1)使用非電離輻射，系統(tǒng)安全性高，不對人體造成傷 害，可以經(jīng)常性使用；2)柔性天線和微型化檢測器件使得微波檢測設(shè)備的可穿戴設(shè)計具有 可行性，從而保證了易用性，便攜性，適合于移動醫(yī)療，家庭、社區(qū)等場合使用。
[0003] 基于微波信號的物體內(nèi)部異物檢測盡管有很多優(yōu)勢，但也面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)。對 于某些檢測應(yīng)用，物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異物與腦組織的介電常數(shù)差別雖然存在，但不一定顯著， 基于微波的檢測尤其困難。微波檢測主要的方法可以為兩類，其一是基于成像方法，其二基 于信號的分析進(jìn)而進(jìn)行模式識別和機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷方法。成像方法有可分為波束成形和逆 向重建方法，前者是合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Radar，SAR)方法的一種，通過計 算成像點到感測點距離從而得到信號時延，以此獲得成像點的能量，進(jìn)行異物定位的方法， 存在較大的誤差；逆向重建方法采用優(yōu)化方法重建被測區(qū)域的節(jié)點常數(shù)，對血塊等異物位 置和大小進(jìn)行判斷，存在算法復(fù)雜，易受干擾等缺點。成像算法由于物體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，異物區(qū) 域的介電特性，在復(fù)雜物體的探測方面面臨嚴(yán)峻的發(fā)展瓶頸。另一方面，基于微波信號分 析的腦部檢測方法，將高可靠性地異物有無判斷作為主要目的，盡管目前研宄團(tuán)隊不多，但 具有良好發(fā)展前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種利用微波信號相似度對復(fù)雜結(jié)構(gòu)體內(nèi)是否存在異物進(jìn) 行判定的裝置。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于模板信號相似度的復(fù)雜 體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括：
[0006] 微波測量裝置，包括固定在被測物體周圍的η個超寬帶天線Ant[i]，i = 1，2,…， n，通過射頻電路依次使η個超寬帶天線Ant [i]向被測物體發(fā)送超寬帶脈沖信號，或由相同 的超寬帶天線Ant[i]接收自被測物體返回的回波信號S[i]，或由其他超寬帶天線Ant[j] 接收散射信號S[i]，j = l，2, "·，η;
[0007] 基準(zhǔn)信號生成模塊，基于正?；鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)，利用與微波測量裝置匹配校準(zhǔn)后的電磁 場仿真系統(tǒng)，生成無異物模板微波信號SO [i]，其中，正?；鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)為被測物體的無異物結(jié) 構(gòu)數(shù)據(jù)；
[0008] 信號相似度比較模塊，基于信號差異性和互相關(guān)性計算回波信號S[i]與無異物 模板微波信號SO [i]的相似度Sim[i]，并利用信號的自相關(guān)對信號相似度進(jìn)行規(guī)范化；
[0009] 目標(biāo)異物判斷模塊，根據(jù)相似度度量Sim[i]和預(yù)先設(shè)定的閾值判斷被測物體內(nèi) 是否存在異物。
[0010] 優(yōu)選地，所述回波信號s[i]與無異物模板微波信號S0[i]的信號相似度Sim[i] =乙50[1].*5[1]/(^(|(^，式中，（^(|為和無異物模板微波信號50[1]相關(guān)的規(guī)范化系數(shù)， a s為和S[i]相關(guān)的規(guī)范化系數(shù)，運算.*表示信號向量的點乘運算。
[0011] 優(yōu)選地，所述回波信號S[i]與無異物模板微波信號S0[i]的信號相似度
【主權(quán)項】
1. 一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括： 微波測量裝置，包括固定在被測物體周圍的η個超寬帶天線Ant[i]，i = 1，2,…，n， 通過射頻電路依次使η個超寬帶天線Ant [i]向被測物體發(fā)送超寬帶脈沖信號，或由相同的 超寬帶天線Ant[i]接收自被測物體返回的回波信號S[i]，或由其他超寬帶天線Ant[j]接 收散射信號 S [i]，j = 1，2，···，!!； 基準(zhǔn)信號生成模塊，基于正?；鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)，利用與微波測量裝置匹配校準(zhǔn)后的電磁場仿 真系統(tǒng)，生成無異物模板微波信號SO[i]，其中，正?；鶞?zhǔn)結(jié)構(gòu)為被測物體的無異物結(jié)構(gòu)數(shù) 據(jù)； 信號相似度比較模塊，基于信號差異性和互相關(guān)性計算回波信號S[i]與無異物模板 微波信號SO [i]的相似度Sim[i]，并利用信號的自相關(guān)對信號相似度進(jìn)行規(guī)范化； 目標(biāo)異物判斷模塊，根據(jù)相似度度量Sim[i]和預(yù)先設(shè)定的閾值判斷被測物體內(nèi)是否 存在異物。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)， 其特征在于，所述回波信號S[i]與無異物模板微波信號S0[i]的信號相似度Sim[i]= 乙50[1].*5[1]/% (|^，式中，％為和無異物模板微波信號50[1]相關(guān)的規(guī)范化系數(shù)，^ 為和S[i]相關(guān)的規(guī)范化系數(shù)，運算.*表示信號向量的點乘運算。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測 系統(tǒng)，其特征在于，所述回波信號S[i]與無異物模板微波信號S0[i]的信號相似度
式中，a S(1為和無異物模板微波信號SO [i]相關(guān)的規(guī)范 化系數(shù)，as為和S[i]相關(guān)的規(guī)范化系數(shù)。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)， 其特征在于，所述基準(zhǔn)信號生成模塊或從資料數(shù)據(jù)庫中讀入被測物體的正常斷層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù) 作為基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，或根據(jù)被測物體的基本屬性搜索系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的正常匹配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為基 準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)， 其特征在于，還包括目標(biāo)異物定位判斷模塊，用于判斷異物的大小及位置，步驟包括： 步驟1、由目標(biāo)異物定位判斷模塊從所有相似度度量Sim[i]中選取最小的m個值所對 應(yīng)的超寬帶天線作為目標(biāo)天線，目標(biāo)天線和被測物體中心所圍成的區(qū)域稱為目標(biāo)區(qū)域，可 得到m個目標(biāo)區(qū)域； 步驟2、由基準(zhǔn)信號生成生成假設(shè)異物微波基準(zhǔn)信號S' [k]，k=l，2, ···，!!!，該假設(shè) 異物微波基準(zhǔn)信號S' [k]包括假設(shè)異物大小及假設(shè)異物位置，其中，假設(shè)異物大小初始化 為經(jīng)驗值，假設(shè)異物位置初始化為每個目標(biāo)區(qū)域的中間區(qū)域； 步驟3、再由信號相似度比較模塊計算假設(shè)異物微波基準(zhǔn)信號S' [k]與m個目標(biāo)天線 的回波信號的相似度度量Sin^ [j]，若相似度度量Sin^ [i] <精度閾值A(chǔ)ccuracy，則進(jìn) 一步縮小假設(shè)異物位置及假設(shè)異物大小，得到新的假設(shè)異物微波基準(zhǔn)信號S' [k]，返回步 驟3重復(fù)執(zhí)行，直至相似度度量Sim' [i]多精度閾值A(chǔ)ccuracy，從而確定異物的位置和大 小。
【專利摘要】微波檢測尤其是對材料內(nèi)部的檢測有很廣泛的應(yīng)用，優(yōu)勢在于使用安全，便攜性好，可以經(jīng)常性使用。但對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測的目標(biāo)異物與正常結(jié)構(gòu)體的介電常數(shù)差別不顯著的檢測對象，尤其是生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域，微波檢測技術(shù)尚處于探索階段。本發(fā)明涉及一種基于模板信號相似度的復(fù)雜體內(nèi)部異物的微波檢測系統(tǒng)，尤其是基于微波測量信號與經(jīng)校正后的仿真模板信號進(jìn)行信號相似度對比，從而判斷物體內(nèi)部是否具有異物以及判斷目標(biāo)異物的位置和大小的系統(tǒng)。
【IPC分類】A61B5-06
【公開號】CN104856678
【申請?zhí)枴緾N201510093515
【發(fā)明人】吳怡之, 王一帆
【申請人】東華大學(xué), 昆士蘭大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年3月2日