大功率太赫兹连续波二维成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，包括收发共用天线、二维扫描平台、太赫兹连续波发射模块、太赫兹连续波接收模块、TPX透镜、数据采集和处理模块、图像处理模块和图像显示单元。本实用新型专利技术具有频率在太赫兹波段，发射模块发射功率高，系统结构简单、体积小，分辨率高等优势。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及太赫兹无损检测
，特别涉及一种大功率主动式太赫兹连续波二维高分辨率成像的系统和方法。
技术介绍
一般称谓的太赫兹波段，其频率范围为0.1THz到10THz(波长从0.03mm到3mm)；在有些场合特指0.3THz到3THz，还有些时候被赋予一种广义的定义，其频率范围可包含高达100THz的波，这包括整个中、远红外波段。在电磁波谱中，太赫兹波位于微波和远红外波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。在电子学领域里，这一波段的电磁波又被称为毫米波或亚毫米波；在光谱学领域，它也被称为远红外射线。自然界中拥有大量的太赫兹辐射源，比如我们身边绝大多数物体的热辐射都在太赫兹波段。但是，由于缺乏太赫兹波段的高效率的发射源和灵敏的探测器，太赫兹波段的电磁辐射没有得到像微波和远红外波一样深入的研究。太赫兹波之所以引起我们浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在但还不为人所熟知的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质。具体来说，太赫兹波主要具有以下几个特点：1、太赫兹波对于很多介电材料和非极性的液体有良好的穿透性。太赫兹辐射的一个很有吸引力的应用前景就是作为X射线成像和超声波成像技术的补充，用于安全检查或者在质量控制中进行无损探伤。2、太赫兹技术具有高安全性，相比于X射线具有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的光子能量只有毫电子伏的数量级。太赫兹波的光子能量低于各种化学键的键能，因此它不会引起有害的电离反应。3、太赫兹波段包含了丰富的光谱信息。大量的分子，尤其是有机分子，由于其转动和振动(包括集体震动)的跃迁，在这一频段表现出强烈的吸收和色散特性。4、太赫兹波与微波相比，频率更高，在作为通信载体时，单位时间内可以承载更多的信息。5、由于太赫兹波的波长更短，他的发射方向性要好于微波。6、在成像应用中，太赫兹波具有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时具有更长的景深。目前世界上只有美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute，RPI)、美国国家航空航天管理局(NASA)和我国首都师范大学物理系的太赫兹波普和成像实验室拥有并将太赫兹连续波二维成像系统投入使用。他们实现太赫兹连续波二维成像采用的方法成本较高、结构复杂且成像分辨率受限制条件较多。目前利用矢量网络分析仪和太赫兹时域光谱分析系统都可以实现太赫兹波的二维成像，但是太赫兹时域光谱分析系统探测被测物体的发射模块的发射功率只有几毫瓦，矢量网络分析仪探测被测物体的发射模块的发射功率也只有几十毫瓦，这就会限制太赫兹波二维成像的分辨率。因此，需要一种发射模块发射功率较高、价格较低、结构简单和分辨率更高的太赫兹连续波二维成像系统。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种以大功率太赫兹连续波发射模块为核心的结构简单、分辨率高、成本较低的太赫兹连续波二维成像系统。本技术包括有：收发共用天线，用于向被测对象的被测表面发送太赫兹连续波发射信号并接收从被测对象的被测表面返回的回波信号；二维扫描平台，用于在二维平面上固定并移动被测对象；太赫兹连续波发射模块，用于生成发送给被测对象的太赫兹连续波发射信号；太赫兹连续波接收模块，用于接收和处理来自收发共用天线的太赫兹连续波回波信号；TPX透镜，包括TPX透镜Ⅰ和TPX透镜Ⅱ，用于将太赫兹连续波发射模块发射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅰ变成平行的，再经过TPX透镜Ⅱ会聚至被测对象的被测表面；或者用于将被测对象的被测表面反射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅱ变成平行的，再经过TPX透镜Ⅰ会聚至所述收发共用天线；数据采集和处理模块，用于采集和处理从太赫兹连续波接收模块输出的回波信号以生成被测对象的被测表面的二维图像；图像处理模块，用于进一步处理数据采集和处理模块生成的二维图像以使图像更加清晰；图像显示单元，用于显示由图像处理模块生成的二维图像。收发共用天线将来自太赫兹连续波发射模块的发射信号发射至TPX透镜Ⅰ，将太赫兹连续波变成平行的；进一步地，太赫兹波通过TPX透镜Ⅱ，将太赫兹连续波会聚至带有裂隙的被测对象的被测表面。所述的TPX透镜Ⅰ与TPX透镜Ⅱ之间的距离小于TPX透镜的焦距。TPX透镜Ⅰ与TPX透镜Ⅱ相同，TPX透镜Ⅰ与TPX透镜Ⅱ相对放置。太赫兹连续波发射模块包括第一信号源、第一功率放大器、第一二倍频器、第二二倍频器、可调衰减器、隔离器和定向耦合器，太赫兹连续波发射模块用于生成发送给被测对象的太赫兹连续波发射信号。具体来说，第一信号源是工作频率为27.5GHz的点频信号源，可以表示为：其中，A1表示为初始幅值，f1为频率27.5GHz，t为时间，为第一信号源的初始相位值。第二功率放大器对第一信号源的功率进行放大以达到第一二倍频器的安全功率输入范围，经过第一二倍频器后信号的频率达到55GHz，进一步经过第二二倍频器后信号的频率达到110GHz。第一二倍频器和第二二倍频器都是有源器件，发射信号的大功率主要是由这两个二倍频器的转化效率高决定的(选用第一二倍频器为VDI公司型号为D60的高功率窄带倍频器，在55GHz频点处的转换效率为30％以上；第二二倍频器为VDI公司型号为D110的高功率窄带倍频器，在110GHz频点处的转换效率为25％)。第二二倍频器将二倍频后的信号输出至可调衰减器；可调衰减器将第二二倍频器的输出功率通过调节可调衰减器的旋钮实现不同程度的降低，并将可调衰减器的输出信号输出至隔离器；隔离器将定向耦合器的直通端返回的回波信号隔离以防止回波信号输入至所述可调衰减器，可调衰减器的输出端连接至隔离器的输入端，隔离器的输出端连接至定向耦合器的输入端；定向耦合器将可调衰减器的直通端连接至定向耦合器的输入端，将定向耦合器的 直通端连接至收发共用天线；最终经收发共用天线发送出去。收发共用天线的发射信号可表示为：其中，A1′是发射信号的幅值。太赫兹连续波接收模块包括第二信号源、第二功率放大器、衰减器、第三二倍频器、次谐波混频器、带通滤波器、低噪声放大器和检波器，太赫兹连续波接收模块用于接收和处理来自收发共用天线的太赫兹连续波回波信号。具体来说，第二信号源是工作频率为27.475GHz的点频信号源，可以表示为：其中，A2表示为初始幅值，f2为频率27.475GHz，t为时间，为第二信号源的初始相位值。第二功率放大器对第二信号源的功率进行放大，进一步地衰减器将第二功率放大器的输出信号的功率略衰减以达到第三二倍频器的安全功率输入范围；第三二倍频器将衰减器输出的信号进行二倍频至54.95GHz，并将二倍频后的信号输出至次谐波混频器本振端；次谐波混频器将定向耦合器的耦合端连接至次谐波混频器的射频端，此时本振端的信号频率为109.9GHz，射频端的信号频率为110GHz。次谐波混频器本振端的信号可表示为其中，A2′是本振端信号的幅值。次谐波混频器射频端的信号可表示为：其中，A1″是射频端信号的幅值，是射频端信号的初始相位值。次谐 波混频器的中频输出信号可表示为：次谐波混频器的中频输出端连接至带通滤波器的输入端；带通滤波器的中心频率为100MHz，将次谐波混频器的中频输出信号中100MHz以外的杂波滤除，带通滤波器314的输出信号可表示为：带通滤波器的输出端连接至低噪声放本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：包括有：收发共用天线(11)，用于向被测对象(17)的被测表面发送太赫兹连续波发射信号并接收从被测对象(17)的被测表面返回的回波信号；二维扫描平台(18)，用于在二维平面上固定并移动被测对象(17)；太赫兹连续波发射模块(10)，用于生成发送给被测对象(17)的太赫兹连续波发射信号；太赫兹连续波接收模块(12)，用于接收和处理来自收发共用天线(11)的太赫兹连续波回波信号；TPX透镜(16)，包括TPX透镜Ⅰ(25)和TPX透镜Ⅱ(26)，用于将太赫兹连续波发射模块(10)发射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅰ(25)变成平行的，再经过TPX透镜Ⅱ(26)会聚至被测对象(17)的被测表面；或者用于将被测对象(17)的被测表面反射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅱ(26)变成平行的，再经过TPX透镜Ⅰ(25)会聚至所述收发共用天线(11)；数据采集和处理模块(13)，用于采集和处理从太赫兹连续波接收模块输出的回波信号以生成被测对象(17)的被测表面(23)的二维图像；图像处理模块(14)，用于进一步处理数据采集和处理模块(13)生成的二维图像以使图像更加清晰；图像显示单元(15)，用于显示由图像处理模块(14)生成的二维图像。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：包括有：收发共用天线(11)，用于向被测对象(17)的被测表面发送太赫兹连续波发射信号并接收从被测对象(17)的被测表面返回的回波信号；二维扫描平台(18)，用于在二维平面上固定并移动被测对象(17)；太赫兹连续波发射模块(10)，用于生成发送给被测对象(17)的太赫兹连续波发射信号；太赫兹连续波接收模块(12)，用于接收和处理来自收发共用天线(11)的太赫兹连续波回波信号；TPX透镜(16)，包括TPX透镜Ⅰ(25)和TPX透镜Ⅱ(26)，用于将太赫兹连续波发射模块(10)发射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅰ(25)变成平行的，再经过TPX透镜Ⅱ(26)会聚至被测对象(17)的被测表面；或者用于将被测对象(17)的被测表面反射的太赫兹连续波先经过TPX透镜Ⅱ(26)变成平行的，再经过TPX透镜Ⅰ(25)会聚至所述收发共用天线(11)；数据采集和处理模块(13)，用于采集和处理从太赫兹连续波接收模块输出的回波信号以生成被测对象(17)的被测表面(23)的二维图像；图像处理模块(14)，用于进一步处理数据采集和处理模块(13)生成的二维图像以使图像更加清晰；图像显示单元(15)，用于显示由图像处理模块(14)生成的二维图像。2.根据权利要求1所述的一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：所述收发共用天线(11)将来自太赫兹连续波发射模块(10)的发射信号发射至TPX透镜Ⅰ(25)，将太赫兹连续波变成平行的；太赫兹波通过TPX透镜Ⅱ(26)，将太赫兹连续波会聚至带有裂隙(24)的被测对象(17) 的被测表面(23)。3.根据权利要求1所述的一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：所述的TPX透镜Ⅰ(25)与TPX透镜Ⅱ(26)之间的距离小于TPX透镜(16)的焦距；所述TPX透镜Ⅰ(25)与TPX透镜Ⅱ(26)相对放置。4.根据权利要求1所述的一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：所述的太赫兹连续波发射模块(10)包括第一信号源(301)、第一功率放大器(302)、第一二倍频器(303)、第二二倍频器(304)、可调衰减器(305)、隔离器(306)和定向耦合器(307)，太赫兹连续波发射模块(10)用于生成发送给被测对象的太赫兹连续波发射信号。5.根据权利要求4所述的一种大功率太赫兹连续波二维成像系统，其特征在于：第一信号源(301)是工作频率为27.5GHz的点频信号源，可以表示为：其中，A1表示为初始幅值，f1为频率27.5GHz，t为时间，为第一信号源(301)的初始相位值；第二功率放大器(302)对第一信号源(301)的功率进行放大以达到第一二倍频器(303)的安全功率输入范围，经过第一二倍频器(303)后信号的频率达到55GHz，进一步经过第二二倍频器(304)后信号的频率达到110GHz；第一二倍频器(303)和第二二倍频器(304)都是有源器件，发射信号的大功率主要是由这两个二倍频器的转化效率高决定的；第二二倍频器(304)将二倍频后的信号输出至可调衰减器(305)；可调衰减器(305)将第二二倍频器(304)的输出功率通过调节可调衰减器(305)的旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓璇，崔洪亮，常天英，贾成艳，樊伟，耿国帅，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22