阅读说明：本技术 一种基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置 (Snowflake beef imaging device based on microwave thermoacoustic technology ) 是由 陈泓江 夏添 胡哲江 黄林 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于微波热声检测技术领域,具体涉及一种基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置。本发明包括微波发生器和热声信号采集及成像装置；所述微波发生器包括微波源和天线；所述热声信号采集及成像装置包括超声换能器、放大器、数据采集卡和计算机,所述计算机内置有图像重构软件；通过将微波信号辐照至样品产生热声信号,再采集热声信号从而实现成像。本发明能实现非接触式的、无损的雪花牛肉成像,同时不仅可以对雪花牛肉进行无损分级,还可以为牛肉养殖企业提供参考建议。(The invention belongs to the technical field of microwave thermoacoustic detection, and particularly relates to a snowflake beef imaging device based on a microwave thermoacoustic technology. The invention comprises a microwave generator and a thermoacoustic signal acquisition and imaging device; the microwave generator comprises a microwave source and an antenna; the thermoacoustic signal acquisition and imaging device comprises an ultrasonic transducer, an amplifier, a data acquisition card and a computer, wherein image reconstruction software is arranged in the computer; the microwave signal is irradiated to the sample to generate a thermoacoustic signal, and the thermoacoustic signal is collected to realize imaging. The invention can realize non-contact and lossless imaging of the snowflake beef, and simultaneously not only can carry out lossless classification on the snowflake beef, but also can provide reference suggestions for beef breeding enterprises.)

一种基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置

技术领域

本发明属于微波热声检测技术领域，具体涉及一种基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置。

背景技术

微波热声技术是在二十世纪六七十年代开始发展起来的一项新技术，目前已在化学、新材料、微电子等领域得到广泛应用，其主要应用领域包括微波消融，微波热成像等。当用高频脉冲信号激励被测物体时，由于吸收了高能量的微波会使得该物体发热，由于激励频率较高，物体呈现一定周期性的温度变化，并且物体会受热膨胀，导致空间压力产生周期性变化规律，即产生声波。这种温度变化转换为超声波形式的过程，称为热声效应。

热声效应可以广泛利用于微波热声成像。微波加热成像样品时，样品受热产生超声波，产生的热声信号携带了目标的介质特性等相关信息。通过超声换能器对平面各个坐标点进行探测，就可以获得相应位置的热声信号。获得的热声信号经过放大器放大后传输至数据采集卡，再通过计算机中的图像重构软件对信号进行处理分析，就可得到成像样品所携带的能量信息，进行图像重建。

发明内容

本发明是针对目前采用传统直接观察法对雪花牛肉进行分级时，需将肉牛屠宰后观测的弊端，提出基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置，其特征在于，包括微波发生器和热声信号采集及成像装置；所述微波发生器包括微波源和天线；所述热声信号采集及成像装置包括超声换能器、放大器、数据采集卡和计算机，所述计算机内置有图像重构软件；

所述微波源用于产生微波信号；所述天线将微波信号辐照至成像样品，激发成像样品产生热声信号；所述超声换能器用于接收和采集热声信号；所述放大器将热声信号进行放大处理；所述数据采集卡用于对放大后的热声信号进行数据处理分析，通过计算机的图像重构软件显示样品图像。

进一步的，所述超声换能器为线性超声探头、凸面超声探头、相控阵超声探头、脉冲回波式探头、多元线性阵列超声探测器和多元环形阵列超声探测器中的一种。

进一步的，所述微波源的工频频率为0.001～300GHz，功率为1～1000kW，脉冲宽度为 0.1～1000ns，脉冲重复频率为1～1000Hz。

进一步的，所述天线为偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线、贴片天线、开口波导天线、 Vivaldi天线和介质填充天线中的一种。

本发明的有益效果为：能实现非接触式的、无损的雪花牛肉成像，同时不仅可以对雪花牛肉进行无损分级，还可以为牛肉养殖企业提供参考建议(如延长放牧实验提高体脂率，或者喂养精饲料提高瘦肉率等)，有助于提高雪花牛肉产出率，促进市场良性发展。

附图说明

图1为本发明提供的基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置结构图；

图2为本发明提供的基于微波热声技术的雪花牛肉成像方法流程图；

图3为对美国prime级红标肥牛第一位置进行微波热声成像示意图；

图4为对美国prime级红标肥牛第二位置进行微波热声成像示意图；

图5为对美国prime级红标肥牛第三位置进行微波热声成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细描述：

实施例

如图1所示，本例的基于微波热声技术的雪花牛肉成像装置，包括微波发生器和热声信号采集及成像装置；所述微波发生器包括微波源1和天线2；所述热声信号采集及成像装置包括超声换能器3、放大器4、数据采集卡5和计算机(包含图像重构软件)6；

所述微波源1用于产生微波信号；所述天线2将微波信号辐照至成像样品，激发成像样品产生热声信号；所述超声换能器3用于接收和采集热声信号；所述放大器4将热声信号进行放大处理；所述数据采集卡5用于对放大后的热声信号进行数据处理分析，通过计算机6 的图像重构软件显示样品图像。

本发明实施例中热声信号采集及成像装置的工作原理为：微波源1产生微波信号，微波信号经由天线2传播至雪花牛肉，雪花牛肉中脂肪和肌肉组织对微波吸收存在差异，且通过微波热声效应产生相应热声信号，热声信号反映了脂肪和肌肉组织对微波吸收差异的特性，雪花牛肉发出的热声信号被超声换能器3接收，再经过放大器4放大后，将得到的热声信号传输至数据采集卡5，计算机6利用图像重构软件分析成像样品吸收天线辐照后产生的热声信号，重建出成像样品的高分辨率图像。

本实施例中的微波发生器和热声信号采集及成像装置：微波源1提供激发产生微波热声信号的微波，脉冲电源和微波电子管是微波源1的主要组成部分，微波源1工频频率为 0.001～300GHz，功率为1～1000kW，脉冲宽度为0.1～1000ns，脉冲重复频率为1～1000Hz；天线2用于辐射出微波信号，天线2为偶极子天线、喇叭天线、螺旋天线、贴片天线、开口波导天线、Vivaldi天线或介质填充天线等，以提供更加均匀的场分布，实现对成像样品的均匀加热，优选为一种形状为正方形的偶极子天线，工作频率为3.0GHz，口径64*64mm²，增益7dB；本实例中将成像样品放置于天线2能量分布为3dB波瓣内的最佳加热区域内，以实现对成像样品的均匀加热；超声换能器3为线性超声探头、凸面超声探头、相控阵超声探头、脉冲回波式探头、多元线性阵列超声探测器或多元环形阵列超声探测器，本实例中优选为线性超声探头以探测热声信号；放大器4用于对热声信号的放大处理；数据采集卡5的作用是接收超声换能器采集的信号，计算机6分析成像样品的能量信息，重建高分辨率图像。

本例的装置使用，包括以下步骤：

1、确定采集区域，成像样品位于表皮之下；

2、启动微波源，通过天线将微波信号辐照至成像样品；

3、通过超声换能器采集成像样品的热声信号，经过放大器的放大处理，传输至数据采集卡；

4、通过计算机的图像重构软件对热声信号进行处理，得到成像样品的热声图像。

利用本发明的方法对一份美国prime级红标肥牛进行了微波热声成像。试验取面积为 34*28mm²的雪花牛肉样品，并划分了三个位置不同的面积为1*1mm²的成像区域，成像结果如图1～3所示。根据热声成像结果，可以发现与成像样品的实际图像符合度较高，并且具有较高的分辨率，满足发明目的。