用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备以及制造该设备的方法与流程

1.本发明涉及对材料进行电磁表征，特别地涉及用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，以及用于制造该设备的方法。


背景技术：

2.术语“无损检测(non-destructive testing，ndt)”是指在不破坏材料或物体的情况下对材料或物体的特征进行评估的方法。ndt广泛地用于许多不同的行业，包括例如气体和油、航空航天、农业以及医疗保健。例如，ndt可以用于对玻璃纤维增强聚合物的内部材料进行成像、检测铁路车轮内部的缺陷，评估非金属管道的状态，诊断乳腺癌、脑损伤，或用于常规人体成像。特别地，通过对从物体的内部特征反射的(或穿过物体透射的)波的行为进行分析，这些方式能够诊断缺陷和/或评估物体的变化。用于ndt的设备通常由硬件部件和软件部件组成。硬件部件可以包括单个天线或天线的阵列(传感器)，单个天线或天线的阵列(传感器)朝向介质发射波(电磁波或声波)并捕获发射的波或反射的波。信号的振幅或相位的任何变化(例如共振频率的偏移)由软件部件测量并处理以对物体中的异常进行探测。
3.超声波检测(ultrasonic testing，ut)被认为是最广泛使用的无损检测方法，超声波检测包括高频波的散射。虽然ut是有效的，但是ut经受了多个缺点，包括：1)如果需要探测物体内更深的特征，则需要更换探头，这增加了ut设备的成本；2)ut需要匹配介质(例如水基凝胶)，以避免空气的透射特征与被检测的物体的透射特征之间的不匹配(匹配凝胶的不正确的或不充分的应用是ut系统性能差的主要原因之一)；以及3)ut操作者需要沿着检测方向保持恒定的波束，这限制了该方法对具有弯曲表面的物体进行评估的可行性。ut和其他工业ndt系统的这些挑战主要是由于缺乏针对被检测的物体的性质的考虑。例如，同样的超声波探头被用于检测木材的腐烂、陶瓷中的裂缝以及牙骨质癌(cement cancer)。然而，这些材料具有彼此非常不同的独特材料特征，导致探针与被研究的介质之间的可变的不匹配，这导致透射功率/穿透深度降低。为了缓解该问题，使用更高功率的信号，这增加了检测成本和噪声水平。
4.作为ndt行业的医疗保健分类的电磁医学成像试图通过使用天线与人体之间的定制匹配介质来缓解该问题，这是损耗非常大的。然而，匹配介质的添加在重量增加、流体泄漏以及天线的繁琐布置方面增加了系统的复杂性。因此，该方法的可行性限于成像物体直接位于匹配介质内、相对简单的非常少的应用，例如乳腺癌。作为替代解决方案，已经提出了身体耦合和生物匹配天线。与被设计在自由空间中的常规天线不同，这些天线被设计成用于与人体直接接触，以使天线与人体之间的不匹配最小化。虽然有效，但是这些天线具有紧凑的孔，因此这些天线能够辐射的能量是有限的。增大天线的尺寸以增大穿透深度也会增大辐射面积，导致信号传播到不期望的邻近区域。
5.鉴于以上情况，发明人已经确定了对于能够对天线与被检测的物体之间的间隙进行桥接而不会使检测装置复杂化或对检测装置的探测能力进行限制的结构的一般需求。因
此，希望克服或减轻现有技术的一个或多个困难，或者至少提供有用的替代方案。


技术实现要素：

6.根据本发明的一些实施例，提供了一种用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，该设备包括用于布置在电磁能量的源与物体之间的透镜，透镜由具有第一介电常数的第一材料构成，第一材料中具有开口，开口包含的一种或多种第二材料或被配置成接纳一种或多种第二材料，第二材料具有与第一介电常数不同的相应的第二介电常数，开口被配置成使得：所述透镜在开口包含一种或多种第二材料时具有渐变折射率，其中，由源产生并作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开透镜的第二表面，透镜的第二表面与物体的接收表面接触，并且透镜在透镜的第二表面处的折射率与物体在接收表面处的折射率大致匹配，以增加平面波对物体的穿透。
7.设备可以包括电磁能量的源。
8.开口可以包含一种或多种第二材料。
9.在一些实施例中，透镜的第二表面具有与物体的接收表面贴合的非平面形状。
10.在一些实施例中，一种或多种第二材料包括至少一种具有比第一介电常数更大的介电常数的材料。
11.在一些实施例中，一种或多种第二材料包括至少一种具有比第一介电常数更小的介电常数的材料。
12.在一些实施例中，第二材料被布置在开口中，使得平面波在物体的接收表面处从平面波的入射方向偏转，并且在物体内沿着不同的方向行进。
13.物体可以是人体部位。
14.在一些实施例中，第一材料是3d打印材料，并且一种或多种第二材料包括水。
15.在一些实施例中，在第一材料中的开口被布置成多层。
16.在一些实施例中，开口为圆柱形开口，并且每一层中的圆柱形开口具有相同的对应的半径，并且各个不同层中的圆柱形开口具有相应的不同的半径。
17.根据本发明的一些实施例，提供了一种制造用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备的方法，该方法包括形成由具有开口的第一材料构成的主体，第一材料具有第一介电常数，并且开口被配置成使得：当开口包含具有与第一介电常数不同的相应的第二介电常数的一种或多种预定的第二材料时，所得到的具有介电常数的空间构造形成渐变折射率透镜，其中，作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开透镜的第二表面，透镜的第二表面与物体的接收表面接触，并且透镜在透镜的第二表面处的折射率与物体在接收表面处的折射率大致匹配，使得不需要匹配介质。
18.该方法可以包括提供电磁能量的源。
19.该方法可以包括：将一种或多种预定的第二材料引入到在第一材料中的开口中。
20.该方法可以包括：将一种或多种预定的第二材料引入到第一材料中的开口中的所选择的对应的开口中，以在所述物体内沿着特定方向引导平面波。
21.在一些实施例中，该方法包括：对将一种或多种预定的第二材料引入到在第一材料中的开口中的所选择的对应的开口中、以及将一种或多种预定的第二材料从在第一材料中的开口中的所选择的对应的开口移除进行动态地控制，以在所述物体内沿着不同的方向
动态地引导平面波。
22.在一些实施例中，由第一材料构成的主体被形成为使得：透镜的第二表面具有与物体的接收表面贴合的非平面形状。
23.在一些实施例中，形成步骤包括对由具有开口的第一材料构成的主体进行3d打印。
24.在一些实施例中，该方法包括：应用使所述透镜的透射系数最大化并同时使所述透镜的反射系数最小化的优化方法来确定开口的构造。
25.在此还描述了一种用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，该设备包括：
26.(i)电磁能量的源；以及
27.(ii)用于布置在源与物体之间并且与物体接触的透镜，透镜由具有第一介电常数的第一材料构成，第一材料中具有开口，开口包含一种或多种第二材料或被配置成接纳一种或多种第二材料，第二材料具有与第一介电常数不同的相应的第二介电常数，开口被配置成使得：透镜在开口包含一种或多种第二材料时具有渐变折射率，其中，由源产生并作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波作为平面波离开透镜的第二表面，并且透镜的在透镜的第二表面处的对应折射率与物体的接收平面波的对应表面的对应折射率相匹配，以增加波对物体的穿透。
28.在此还描述了一种用于制造用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备的方法，该方法包括：
29.(i)提供电磁能量的源；以及
30.(ii)形成由具有开口的第一材料构成的主体，第一材料具有第一介电常数，并且开口被配置成使得：当开口包含具有与第一介电常数不同的相应的第二介电常数的一种或多种预定的第二材料时，所得到的具有介电常数的空间构造形成渐变折射率透镜，其中，作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波作为平面波离开透镜的第二表面，并且透镜的在透镜的第二表面处的对应折射率与物体的接收平面波的对应表面的对应折射率相匹配，使得不需要匹配介质。
附图说明
31.以下参照附图仅以示例的方式对本发明的一些实施例进行了描述，在附图中：
32.图1是根据本发明的实施例的渐变折射率(graded index，grin)透镜的示意图，该渐变折射率透镜被布置在辐射天线与待评估或待成像的物体或介质之间；
33.图2是说明了图1的grin透镜将电磁波从球面波转变为平面波的工作原理的示意图；
34.图3是示出最初形成(右侧)为具有半径不同的空的(即，空气填充的)圆柱形开口的层的由基体材料构成的主体的grin透镜、以及(左侧)在用具有与基体材料的介电常数不同的介电常数的液体(例如，水)填充开口之后的grin透镜的示意图；
35.图4是具有n个不同的层的多层grin透镜的示意性横截面侧视图，n个不同的层具有相应的厚度(对应于距透镜表面的距离di)和介电常数εi；
36.图5和图6是分别在不具有布置在天线与板材之间的双层grin透镜和具有布置在天线与板材之间的双层grin透镜(被配置成与混凝土的介电常数匹配)的情况下，被从天线
发射的1ghz的电磁波辐射的、厚度为250mm的混凝土板材的模拟模型的相应横截面侧视图，其中，混凝土板材内的电场强度以灰度等级表示；
37.图7是在具有图6的grin透镜和不具有图6的grin透镜的情况下反射波系数(s
11
)根据电磁波频率的曲线图；
38.图8是在具有图6的grin透镜和不具有图6的grin透镜的情况下混凝土板材内的电场强度根据板材距天线的距离的曲线图；
39.图9和图10是被从天线发射的穿过三层grin透镜的1ghz的电磁波辐射的、沙土的主体的模拟模型的相应横截面侧视图，其中，透镜基体材料中的开口中的大部分开口是空的，并且仅分别位于透镜的左侧端部和右侧端部处的开口填充有水，以将波引导朝向透镜的该侧；
40.图11和图12分别是被从人体匹配天线和多层grin透镜发射的1ghz的电磁波辐射的、人体躯干的模拟模型的相应横截面侧视图，说明了grin透镜如何能够形成相对均匀地穿过人体传播的平面波，这与来自人体匹配天线的快速衰减的球面波形成对比；
41.图13是人体躯干的模型的示意性横截面侧视图，其中，弯曲的“人体匹配”grin透镜共形地布置在人体躯干上并且位于躯干与天线之间；
42.图14是图13的布置的对应模拟，示出了在躯干的直接按照天线的部分内相对恒定的电场强度；
43.图15是在具有图13和图14的弯曲的grin透镜以及对应折射率匹配的但平坦的grin透镜的情况下反射波系数(s
11
)根据电磁波频率的曲线图；以及
44.图16是根据本发明的描述的实施例的用于对物体的内部特征进行电磁表征的方法的流程图，该方法包括用于制造用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备的方法的步骤。
具体实施方式
45.本发明的实施例包括用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，以及用于制造这种设备的方法。该设备包括由第一材料构成的透镜，在第一材料中具有包含第二材料(在一些实施例中包含多种第二材料)的开口。这些材料具有不同的介电常数，并且开口和介电常数被配置成使得透镜具有渐变折射率，其中，作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开透镜的第二表面，并且透镜的在透镜的第二表面处的对应折射率与物体的接收平面波的对应表面(“接收表面”)的对应折射率相匹配，以增加平面波对物体的穿透。
46.在一些实施例中，透镜呈由第一材料构成的平板或“板材”的形式，在第一材料中具有布置成多层的圆柱形开口。然而，通常，透镜及透镜内的开口可以具有任意形状。透镜的每一层的介电性质通过用一种或多种选择的材料(通常是流体)来填充开口来控制和/或通过选择开口的尺寸和/或空间布置(例如，通过选择圆柱形开口的半径)来控制，以实现电磁波从空气到非空气介质的逐渐过渡，同时沿着期望的方向对波进行校准。通常，透镜的层(或其他区域)的有效介电常数可以通过适当地选择第一材料的介电常数、第二材料的介电常数(或在使用多种第二材料的情况下，多个介电常数)以及一种或多种第二材料在第一材料内的空间构造来控制。典型地，第一材料的介电常数和第二材料的介电常数被选择成完
全不同。例如，第一材料可以是高介电常数材料，第二材料是低介电常数材料，或者第一材料是低介电常数材料，第二材料是高介电常数材料。根据本公开，对于本领域技术人员而言，第一材料和第二材料的合适的选择将是明显的。
47.梯度折射率(gradient index，grin)透镜是通过在透镜内设计折射率梯度而形成的。与常规透镜不同，梯度折射率透镜可以被设计成平坦的形状，并且被定制成将入射波转换成在期望的方向上移动的平面波。之前，grin透镜通常使用基于辐射要求选择的具有不同介电常数值的介电材料的堆叠来构建。然而，由于多种原因，grin透镜之前未被用于针对ndt(包括电磁医学诊断应用)的介质匹配构造。特别地，ndt应用通常在低微波频率下运行，需要物理上大的透镜，这对于紧凑的系统或工作空间有限的情况是不切实际的。因此，ndt应用在10ghz以下的频率下被认为是无用的，并且为了补偿在高频下产生的高吸收率，电磁源在增大的功率下运行，以实现电磁波对被分析的物体的期望穿透。然而，高功率不能被用于需要屏蔽且符合安全法规的一些ndt应用，例如医学诊断应用。此外，透镜结构通常被认为是聚焦结构，并且被认为仅对于k波段及以上(即，18ghz以上)的频率有意义。
48.本发明的描述的实施例包括具有透镜层的grin透镜，grin透镜被配置成通过使球面波从空气穿过梯度介电常数层逐渐转变为在物体处的平面波来使从天线到被研究的物体中的信号透射最大化，如在图1和图2中示意性地示出。
49.如在图16中示出，用于对物体的内部特征进行电磁表征的方法包括针对给定电磁波频率和物体来制造特定透镜结构/构造的步骤，以及使用所得到的设备来分析这些特征或对这些特征进行成像的步骤。在描述的实施例中，透镜结构使用3d打印技术制造，并采用平面板材的形式，该平面板材在一个端部处具有呈圆柱体开口的形式的多个开口，如在图3中示出。为了降低大规模生产应用的制造成本，透镜可以由3d打印材料形成。对于本领域技术人员而言，明显地，透镜结构可以由低介电常数材料或高介电常数材料形成。所得到的“穿孔”结构使得能够通过用高介电常数填充材料(例如水)对孔进行填充以增加介电常数、或者用低介电常数材料(例如甘油)对孔进行填充以降低介电常数(相对于透镜材料)或通过使孔空置(即，使得孔填充有空气)，来对透镜的介电常数进行分级和控制。此外，穿孔结构还通过对透镜的不同层的介电性质独立地进行梯度设计来帮助grin透镜的形成。这可以通过改变开口的尺寸(在该示例中通过改变圆柱形开口的半径)和/或填充材料来容易地实现，填充材料可以是固体、液体或气体。
50.为了设计介质匹配的grin透镜，必须理解具有不同介电性质的多层介质内的波传播行为。在chew，weng cho的“非均匀介质中的波和场(waves and fields in inhomogeneous media)”，ieee出版社，1995(“chew”)中详细说明了一般形式的多层波传播理论，并且使用广义反射系数和广义透射系数进行了分析。为了利用该理论并开发设计方法，考虑了多层结构，如在图4中示出。该结构由n层构成，其中每一层的介电常数为εi，di是从结构的表面到层i与层i+1之间交界面的距离。在图4中，区域1表示空气，区域n表示被检测的物体或介质。为了简化对波行为的分析，假设入射波具有te偏振和法向入射角。
51.广义反射系数被限定为在距表面距离d1处反射波振幅与入射波振幅的比值，而广义透射系数是在区域n中透射波振幅与在区域1处入射波的比值。如在chew中描述的，广义反射系数使用以下公式获得：
[0052][0053]
其中，r
i，i+1
和r
i+1，i
是层i与层i+1之间交界面的菲涅耳反射系数，反之亦然，r
i，i+1
和r
i+1，i
可以被限定为：
[0054][0055][0056]
其中
[0057][0058]
在方程(1)中，t
i，i+1
和t
i+1，i
是层i与层i+1之间交界面的菲涅耳透射系数，反之亦然，t
i，i+1
和t
i+1，i
可以被限定为：
[0059][0060][0061]
广义透射系数被限定为：
[0062][0063]
其中，s由以下方程给出：
[0064][0065]
设计方法：
[0066]
对透镜结构进行理论分析的最终目的是确定di和εi的最佳值，以使在空气-透镜交界面处的广义反射系数最小化，并且使从空气到目标介质(第n层)的广义透射系数最大化。设计方法中的第一步骤是设置形成grin透镜的层的数量，因为增加层数提供了更平滑的转变，因此这涉及在透镜的复杂性与用于对匹配透镜进行设计的自由度的数量之间的权衡。接下来的步骤是确定每一层的介电常数和厚度的初始值。在该阶段，介电常数(ε)值被设置成具有从空气的介电常数(ε0＝ε1＝1)增大到目标介质的介电常数(即ε1《ε2《
……
《εn)的值。通过使用标准优化方法以优化广义反射系数和广义透射系数来确定最佳理论厚度和介电常数值。尽管在描述的实施例中使用了遗传算法，但是对于本领域技术人员而言，替代的合适的优化方法也将是显而易见的。由于通过天线的激励馈电所发射的场等效于具有不同入射角的平面波(参见图2)，因此法向入射情况下的值被用作初始设计参数。在接下来的步骤中，通过使天线的回波损耗最小化以及使对目标物体或介质的穿透最大化来优化介电常数
和层的厚度的最终值；例如，使用诸如cst微波工作室(cst microwave studio)或ansys电子桌面(ansys electronic desktop)的模拟器。
[0067]
制造具有所得到的介电常数值的层的常规方法是使用现有的陶瓷或高介电常数电介质。然而，这将介电常数值限制为可得到的预制陶瓷/电介质的介电常数值。此外，这将透镜的可行性和灵活性限制于某些形状，例如平坦的表面。为了缓和该问题，可通过在其他均匀介质中提供开口或孔来获得介电常数值，如在图3中示出。这些孔被填充有水或其他合适的材料(最方便的是流体)以提供期望的介电常数值。例如，如在mei，zhong lei，jing bai以及tie jun cui的“通过钻孔阵列实现的梯度指数超材料”，物理学期刊d：应用物理学(journal of physics d:applied physics)43.5(2010)：055404中描述的，在图3中示出的结构的每一层的有效介电常数可以近似为：
[0068]
ε
eff
＝εmf1+εhf2ꢀꢀꢀ
(9)
[0069]
其中，εm为基体介质(例如聚乳酸)的介电常数，εh为第二(引入)材料(例如水)的介电常数，f1和f2分别为基体材料和第二材料的体积分数。
[0070]
所得到的透镜可以用于：1)增大穿透深度，2)在期望的方向上改变电场的强度，3)将能量集中在目标物体/介质内的特定区域中。此外，由于层的介电常数可以使用流体填充物来容易地控制，因此透镜的出射表面可以是非平面的，以使得透镜与被检测的物体的对应的互补非平面(例如，弯曲的)接收表面贴合，从而避免对透镜/天线与物体之间的匹配介质的任何需要。
[0071]
示例i-工业应用
[0072]
ndt中的最简单的情况是被研究的物体被天线/传感器辐射且不需要任何匹配介质。如果物体的介电性质与空气的介电性质相同，这通常不成问题。然而，如果介质具有较高的介电常数(例如，混凝土在1ghz下具有εr＝4.7)，则这种差异会产生匹配问题。为了证明该现象，使用了cst微波工作室模拟被微带馈电缝隙天线辐射的、具有250mm厚度的混凝土板材，该微带馈电缝隙天线在0.75ghz至1ghz下运行，并且位于距混凝土板材50mm的距离处。如在图5中示出，辐射的波的大部分在空气-混凝土边界502处被反射，并且波的仅小部分穿透到混凝土中。从天线的反射系数也可以看出该不匹配，如在图7中示出的。不使用外部匹配介质，而是将在两个层中的每一个层中具有11个开口的匹配的grin透镜直接布置在检测物体上并且被天线辐射。按照以上描述的设计和制造方法，得到的优化的双层grin透镜具有r1＝2.2mm和r2＝3.45mm的孔直径，其中，相邻开口之间的间距分别为6.9mm和4.4mm。在该示例中，设计的最终目标是使混凝土板材的中心处的电场强度最大化，以使得能够通过将grin透镜应用于板材的相对的表面来对板材内的最深目标特征(例如，裂缝)进行表征或成像。对于由穿孔的聚乳酸构成的每一层的介电常数值进行计算，在每一层中，开口被填充有水(参见图6的插图)。然后使用cst软件中的遗传算法来对开口直径和开口的层之间的间距进行优化。通常，开口的数量应该足够大，以至少覆盖激励天线的孔，例如缝隙天线的宽度。如在图8中示出，透镜将在板材的中心(z＝175mm)处的电场的强度提高了8db(v/m)。此外，图8还表明，在板材内部、z＝75mm的深度处的电场的强度可以提高高达15db。由于在梯度透镜的层中，介电常数从εr＝1逐渐转变到εr＝4.7，因此在0.65ghz至1.4ghz的宽的工作频率范围内天线的反射系数也得到提高。
[0073]
示例ii-波束/电场(e-field)引导
[0074]
在任何无损检测场景中，都会出现如下的情况：天线/传感器的波束需要被引导以沿着瞄准方向以外的方向辐射。在超声波探头中，这是通过由操作者进行机械移动/手动移动来完成的，从而导致与操作者和匹配介质相关的误差，与操作者相关的误差由自然的人体移动引起，与匹配介质相关的误差由匹配介质的变化的厚度引起。为了使匹配介质有效，匹配介质需要在交界面的所有部分处具有一致的厚度。由于在弯曲的表面上的平面状传感器在平面状传感器与被研究的物体的表面之间的接触部分和非接触部分处产生不均匀的间隙，因此这对于在弯曲的表面上的平面状传感器是无法实现的。
[0075]
在此描述的grin透镜结构可以被配置成通过用水仅填充每一层中的开口中的一些开口并使其他开口空置(即，包含空气)或填充有具有选定介电常数的不同材料来改变透镜的在透镜的小部分中的梯度，从而改变波束方向，并使得波能够被静态地或动态地引导到期望方向。在静态模式下，介电性质被选择成针对每个方向特定的。相反地，在动态模式或可重构模式中，泵送结构被用于动态地控制水(或其他流体或非流体材料)的流。例如，在图9和图10中示出了用于分析沙土的具有两种扫描模式的静态透镜构造。在该示例中，透镜具有拥有11个开口的三个层，各个层中的开口的半径分别为3.2mm、2.65mm、2mm，各个层中的相邻的开口之间的间距分别为5.1mm、6.2mm以及7.5mm。对于平面波束的动态引导，在微流体工业和生物技术工业中通常使用的标准流体泵可以被用于对开口中的所选择的多个开口进行动态填充和清空。
[0076]
示例iii-生物医学应用
[0077]
用于生物医学应用的电磁成像/诊断系统是无损检测的子类别之一，由于检测介质是人体，因此用于生物医学应用的电磁成像/诊断系统与工业应用明显不同。生物医学应用受到严格监管，以确保安全预防措施。因此，对最大可传输功率水平、用于介质混合物的化学物质以及金属部件与人体的任何直接接触都施加有限制。为了在会导致损耗的人体内获得有意义的穿透，天线需要在约1ghz的较低微波频率下运行，这需要能够对人体的大部分进行覆盖的大型天线。这对于如下的成像算法/信号处理技术产生了困难，这些成像算法/信号处理技术使用差分比较方法，并且需要仅对人体的较小的目标区域(例如，肝脏的左叶和右叶)进行覆盖的两个不同的聚焦波束以及对散射波行为进行比较。此外，人体的不同部位的形状和介电性质存在显著差异，这需要调节天线构造以实现最佳运行。考虑到对介电性质进行调节的简单性以及波传播设计的灵活性，在此描述的透镜结构可以适应所有这些要求。
[0078]
为了证明透镜结构的有效性，使用以上描述的方法设计并制造了躯干匹配式的四层的grin透镜。得到的层各自具有11个圆柱形开口，其中，在各个层中的圆柱形开口的直径分别为r1＝1.95mm、r2＝2.55mm、r3＝2.9mm以及r4＝3.8mm，在各个层中圆柱形开口的间距分别为4.2mm、5.9mm、6.6mm以及7.8mm。
[0079]
为了突出传播的波的行为的差异，在图11和图12中将grin透镜的性能与在同一频带下运行的人体匹配/耦合天线的性能进行比较。人体匹配天线被设计在印刷电路板(在该示例中由fr4构成)上，并且在与人体类似的材料附近进行模拟。两个天线都在两层结构上进行模拟，其中，第一层代表人体皮肤，第二层代表人体躯干内的普通人体组织性质。观察到两个明显的差异；首先，穿透深度明显更大，并且grin透镜天线在结构的中心、在z＝175mm处的强度比人体匹配设计的强度强35db(v/m)。此外，与在图11中示出的通过人体匹
配天线产生的球面辐射相比，在图12中使用透镜结构产生的波传播以平面波的方式发生。这些因素共同提高了设备对人体内的组织中的任何变化的灵敏度和准确性。
[0080]
为了增强在此描述的透镜结构的性能，具有弯曲的出射表面的透镜被制造成与对象的躯干区域的形状贴合，如在图13中示出。这样做是为了避免由平坦的透镜出射表面与人体的曲率之间的任何间隙所导致的反射。弯曲结构的电场的强度(如在图14中示出)和反射系数(如在图15中示出)保持强烈且连续。
[0081]
通过以上描述，明显地，在此描述的介质匹配grin透镜实现了ndt检测的以下重要要求：
[0082]
(i)通过仅改变透镜的介电性质来针对任何应用对无损系统进行优化和定制。这可以通过改变开口的层的数量、在透镜介质中的开口的尺寸和开口的空间布置、以及每个开口中的空气/水(或其他材料)的体积比来简单地实现。
[0083]
(ii)镜片能够使用3d打印技术廉价地且容易地制造，这显著降低了维护和更换成本。
[0084]
(iii)由于球面波逐渐转变为平面波，因此在空气/介质界面处的反射减少或消除。因此，穿透深度增大，而不需要任何折射率匹配介质。
[0085]
(iv)由于由透镜对电磁波进行的校准以及逐渐增大的折射率(匹配透镜)，目标介质内的电场的强度增大。因此，来自介质的散射信号以改进的信噪比(signal to noise ratio，snr)接收。
[0086]
(v)与常规的ndt检测装置不同，透镜的介电常数可以被调节，以保持透镜对于非平坦表面的性能并且与目标介质的形状贴合。
[0087]
(vi)通过在不同方向上简单地改变材料(例如，水与空气间隙)比，目标介质内的电场的强度能够在不同的方向上被控制。
[0088]
在不背离本发明的范围的情况下，许多修改对于本领域技术人员将是明显的。

技术特征：
1.一种用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，包括用于布置在电磁能量的源与所述物体之间的透镜，所述透镜由具有第一介电常数的第一材料构成，所述第一材料中具有开口，所述开口包含一种或多种第二材料或配置成接纳一种或多种第二材料，所述第二材料具有与所述第一介电常数不同的相应的第二介电常数，所述开口被配置成使得：所述透镜在所述开口包含所述一种或多种第二材料时具有渐变折射率，其中，由所述源产生并作为球面波入射到所述透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开所述透镜的第二表面，所述透镜的第二表面与所述物体的接收表面接触，并且所述透镜在所述透镜的第二表面处的折射率与所述物体在所述接收表面处的折射率大致匹配，以增加所述平面波对所述物体的穿透。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述开口包含所述一种或多种第二材料。3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述透镜的第二表面具有与所述物体的接收表面贴合的非平面形状。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述一种或多种第二材料包括至少一种具有比所述第一介电常数更大的介电常数的材料。5.根据权利要求3所述的设备，其中，所述一种或多种第二材料包括至少一种具有比所述第一介电常数更小的介电常数的材料。6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中，所述第二材料被布置在所述开口中，使得所述平面波在所述物体的接收表面处从所述平面波的入射方向偏转，并且在所述物体内沿着不同的方向行进。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述物体是人体部位。8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中，所述第一材料是3d打印材料，并且所述一种或多种第二材料包括水。9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中，所述第一材料中的开口被布置成多层。10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述开口为圆柱形开口，并且每一层中的圆柱形开口具有相同的对应的半径，并且各个不同层中的圆柱形开口具有相应的不同的半径。11.一种制造用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备的方法，所述方法包括形成由具有开口的第一材料构成的主体，所述第一材料具有第一介电常数，并且所述开口被配置成使得：当所述开口包含具有与所述第一介电常数不同的相应的第二介电常数的一种或多种预定的第二材料时，所得到的具有介电常数的空间构造形成渐变折射率透镜，其中，作为球面波入射到所述透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开所述透镜的第二表面，所述透镜的第二表面与所述物体的接收表面接触，并且所述透镜在所述透镜的第二表面处的折射率与所述物体在所述接收表面处的折射率大致匹配，使得不需要匹配介质。12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括：将所述一种或多种预定的第二材料引入到在所述第一材料中的所述开口中。13.根据权利要求11或12所述的方法，所述方法包括：将所述一种或多种预定的第二材料引入到所述第一材料中的所述开口中的所选择的对应的开口中，以在所述物体内沿着特定方向引导所述平面波。14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，所述方法包括：对将所述一种或多种预
定的第二材料引入到所述第一材料中的所述开口中的所选择的对应的开口中、以及将所述一种或多种预定的第二材料从所述第一材料中的所述开口中的所选择的对应的开口移除进行动态地控制，以在所述物体内沿着不同的方向动态地引导所述平面波。15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其中，由所述第一材料构成的所述主体被形成为使得：所述透镜的第二表面具有与所述物体的接收表面贴合的非平面形状。16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，其中，形成步骤包括对由具有开口的所述第一材料构成的所述主体进行3d打印。17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，所述方法包括：应用使所述透镜的透射系数最大化并同时使所述透镜的反射系数最小化的优化方法来确定所述开口的构造。

技术总结
一种用于对物体的内部特征进行电磁表征的设备，该设备包括用于布置在电磁能量的源与物体之间的透镜，透镜由具有第一介电常数的第一材料构成，第一材料中具有开口，开口包含或被配置成接纳具有与第一介电常数不同的相应的第二介电常数的一种或多种第二材料，开口被配置成使得：透镜在开口包含一种或多种第二材料时具有渐变折射率，其中，由源产生并作为球面波入射到透镜的第一表面上的电磁波大致作为平面波离开透镜的第二表面，透镜的第二表面与物体的接收表面接触，并且透镜在透镜的第二表面处的折射率与物体在接收表面处的折射率大致匹配，以增加平面波对物体的穿透。以增加平面波对物体的穿透。以增加平面波对物体的穿透。


技术研发人员：萨桑
受保护的技术使用者：伊爱慕威讯医疗设备有限公司
技术研发日：2021.07.23
技术公布日：2023/8/9