基于反射阵列聚焦的微波热破裂多源可视化监测系统

本发明属于硬岩微波破裂监测，尤其涉及一种基于反射阵列聚焦的微波热破裂多源可视化监测系统。

背景技术：

1、传统机械破岩方法在开挖高强度硬岩时，存在刀具磨损严重、施工效率低、能耗高等问题。近年来，利用微波辐射诱导岩石内部矿物选择性吸收能量，使矿物间产生热应力并诱发裂纹萌生，从而降低岩石强度、改善机械破碎性能的微波破岩技术受到广泛关注。研究微波作用过程中岩石裂纹萌生、扩展及温度场演化规律，对于揭示微波破岩机理、优化微波照射参数及推动微波破岩装备发展具有重要意义。

2、目前，微波破岩试验普遍采用矩形波导或喇叭馈源对岩石进行直接辐射。为了保证微波能量能够有效耦合至岩石表面，馈源通常需要布置在距离岩石较近的位置，因此高速摄像机、红外热像仪等光学监测设备只能布置于馈源侧方或后方进行观测。由于馈源及波导结构位于岩石辐射面前方，容易遮挡裂纹萌生与扩展区域，导致裂纹演化全过程难以获得连续、完整的动态图像信息，限制了微波破岩动态可视化监测的发展。

3、随着反射阵列聚焦技术的发展，通过优化阵列单元相位分布，可实现微波能量在空间指定区域内聚焦，并将馈源布置于观测区域之外，从而为岩石辐射面提供无遮挡的观测条件。目前，反射阵列在微波破岩领域主要用于微波能量聚焦及空间分布调控方面的研究，而基于其无遮挡辐射特性，将其应用于岩石裂纹全过程动态可视化监测的相关研究尚未见报道，尚未形成集微波定向照射、裂纹可视化观测及多源同步监测于一体的实验装置。

4、另一方面，高功率微波实验过程中，高速摄像机、红外热像仪等精密光学设备需长期工作于强电磁环境中，观察窗口及设备接口容易成为电磁泄漏区域。现有实验装置通常缺乏针对监测设备的专用电磁屏蔽结构，难以兼顾光学观测需求与高功率微波屏蔽性能，长期运行易导致监测设备受到电磁干扰，影响监测精度，甚至造成设备损坏。此外，现有微波破岩研究多采用单一或分离式监测方式，高速摄像、红外热像及声发射等监测技术通常分别开展，尚未集成于同一试验装置，难以在同一岩石试样上综合获取裂纹扩展、温度场演化及内部损伤等多源信息，不利于全面揭示微波破岩过程中各物理场之间的相互关系。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于反射阵列聚焦的微波破岩全过程多源可视化监测装置及其使用方法。该装置利用反射阵列实现微波近场聚焦照射，将传统位于岩石辐射面前方的馈源移至观测区域之外，实现岩石辐射面的全过程无遮挡可视化监测；同时结合截止波导及屏蔽箱体，提高高速摄像机和红外热像仪在高功率微波环境下工作的稳定性，并将高速摄像、红外热像及声发射监测集成于同一试验平台，实现岩石裂纹扩展、温度演化及内部损伤信息的全过程、多源可视化监测。

2、技术方案：本发明的基于反射阵列聚焦的微波热破裂多源可视化监测系统，包括微波发射系统、多源监测系统和监测设备电磁屏蔽结构；

3、所述多源监测系统包括岩石试样、高速摄像机、红外热像仪、声发射监测系统和数据采集终端；其中，岩石试样位于微波作用区域中，高速摄像机用于拍摄岩石试样在微波作用下的裂纹扩展过程，红外热像仪用于获取岩石试样表面温度场演化过程，声发射监测系统用于采集岩石试样内部裂纹扩展产生的声发射信号；高速摄像机、红外热像仪和声发射监测系统分别与数据采集终端连接，并通过同步触发或统一时间基准实现裂纹图像、温度场及声发射信号的同步采集；

4、所述监测设备电磁屏蔽结构为两套，分别对高速摄像机和红外热像仪进行设置；每套监测设备电磁屏蔽结构包括屏蔽箱体和截止圆波导，用于对高速摄像机和红外热像仪进行电磁屏蔽，并提供光学观测通道，使其在高功率微波辐照环境下稳定工作；

5、所述微波发射系统包括磁控管、水冷机、电源、控制系统、隔离器、阻抗调谐器、矩形波导、喇叭馈源及反射阵列；其中，磁控管产生高功率微波，经隔离器与阻抗调谐器调节后，通过矩形波导输送至喇叭馈源，喇叭馈源向反射阵列辐射微波，反射阵列对入射微波进行空间相位分布调控，实现波前重构与能量汇聚，使微波在岩石试样表面形成聚焦区域，并将喇叭馈源布置于监测区域外侧，以形成无遮挡光学观测空间。

6、进一步的，所述屏蔽箱体采用6061铝合金材料制成，屏蔽箱体的板材厚度为2.5-3.5 mm，屏蔽箱体为长方体箱式结构，外形尺寸优选为320 mm×220 mm×240 mm，用于安装高速摄像机和红外热像仪；屏蔽箱体设有散热结构、电源及信号接口、安装结构、镜头观察通道和截止圆波导安装孔。

7、进一步的，所述截止圆波导为圆形金属波导结构，设置于屏蔽箱体的镜头观察通道处，其截止频率满足：

8、

9、其中，为截止频率，为光速，为截止波导内径。微波工作频率优选为2.45ghz，高速摄像机镜头外径约67 mm，因此截止圆波导内径优选为70 mm，以兼顾光学成像通道与电磁截止性能。

10、进一步的，所述截止圆波导长度依据电磁波衰减规律设计，其屏蔽效能满足：

11、

12、其中，为屏蔽效能，为截止波导传播衰减常数，为截止波导长度；截止圆波导与屏蔽箱体共同构成电磁隔离观测通道，其整体屏蔽效能优选大于40db。

13、进一步的，所述声发射监测系统包括声发射传感器，声发射传感器设置于岩石试样表面，通过耦合剂与岩石试样保持良好接触，用于采集岩石内部裂纹扩展过程中的声发射信号。

14、进一步的，所述高速摄像机、红外热像仪及声发射监测系统通过数据采集终端采用同步触发或统一时间基准方式实现同步采集，用于建立裂纹图像、温度场变化及声发射信号之间的一一对应关系，构建裂纹演化、温度场演化及内部损伤的多源耦合分析体系。

15、一种基于反射阵列聚焦的微波热破裂多源可视化监测系统的使用方法，包括以下步骤：

16、s1、将岩石试样放置于反射阵列聚焦区域中心，并调整位置；

17、s2、调整喇叭馈源与反射阵列之间的距离，使微波聚焦区域作用于岩石试样表面；

18、s3、将高速摄像机和红外热像仪安装于屏蔽箱体内，并调整截止圆波导的观察方向；

19、s4、连接高速摄像机、红外热像仪及声发射监测系统至数据采集终端，设置各监测设备采集参数；

20、s5、高速摄像机、红外热像仪及声发射监测系统与微波发射系统同步启动；其中，监测系统用于对岩石试样破裂全过程进行数据采集；微波发射系统经喇叭馈源将微波辐射至反射阵列，并由反射阵列聚焦后作用于岩石试样表面。

21、s6、试验过程中同步记录岩石裂纹图像、温度场演化过程及声发射信号；

22、s7、达到设定时间或试验终止条件后，关闭各设备并保存监测数据，用于后续分析。

23、本发明还公开一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现本发明方法的步骤。

24、本发明还公开一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明方法的步骤。

25、本发明还公开一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现本发明方法的步骤。

26、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

27、本发明利用反射阵列对喇叭馈源发射的微波进行空间相位调控，将传统位于岩石辐射面前方的馈源移至监测区域之外，在实现微波近场聚焦照射的同时，为高速摄像机和红外热像仪提供全过程无遮挡观测视场。高速摄像机连续记录岩石表面裂纹萌生、扩展及贯通过程，拍摄帧率最高可达1000 fps；红外热像仪实时获取岩石表面温度场演化信息，测温范围为−40 ℃～2000 ℃；声发射装置同步采集岩石内部裂纹扩展产生的弹性波信号，实现微波破岩过程中裂纹、温度及内部损伤信息的全过程、多源可视化监测。

28、本发明在高速摄像机和红外热像仪前端分别设置截止波导，并配套铝合金屏蔽箱体，各接缝及线缆出口采用导电铝箔密封，形成连续电磁屏蔽结构，在满足光学观测要求的同时，有效抑制高功率微波泄漏及电磁干扰，使整体电磁屏蔽效能大于40 db，可实现12 kw微波连续420 s条件下监测设备的稳定运行。最终获得微波功率、照射时间、温度场演化、裂纹扩展及内部损伤之间的对应关系，为揭示微波破岩机理及装备优化提供可靠的实验平台。