一种太赫兹连续波扫描成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种太赫兹连续波扫描成像系统及方法，包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接至扩频模块、扫描台及上位机，所述扫描台还连接至上位机；扩频模块防止在升降台上，所述升降台用于调节扩频模块距离测试样品的水平、垂直位置；扫描台上固定有测试样品；上位机通过配置测试样品扫描参数、发送扫描指令、控制扫描台的运动；所述上位机完成矢量网络分析仪的参数设置、S参数的读取及测试样品扫描成像显示。本发明专利技术上位机不需要和扫描台进行交互通信获取采样点的位置坐标，上位机通过行扫描点数控制、数据重排、灰度值动态拉伸等方法实现灰度图像，简化了通信环节，缩短了系统扫描时间，提高了成像效率。

A terahertz continuous wave scanning imaging system and method

The invention discloses a terahertz continuous wave scanning imaging system and a method, including a vector network analyzer. The vector network analyzer is connected to the spread spectrum module, the scanning table and the upper computer respectively. The scanning table is also connected to the upper computer. The spread spectrum module is prevented on the lifting platform. The lifting platform is used to adjust the spread spectrum module. Distance test the horizontal and vertical position of the sample; fixed the test sample on the scanning table; the host computer scanned the parameters by configuring the test sample, sending the scanning instruction and controlling the motion of the scanning table; the upper computer completed the parameter setting of the vector network analyzer, the reading of the S parameters and the scanning imaging display of the test sample. The host computer does not need to communicate with the scanner to obtain the position coordinates of the sampling point. The upper computer realizes the gray image through the number control of the line scanning point, the rearrangement of the data and the dynamic stretching of the gray value. It simplifies the communication link, shortens the scanning time of the system and improves the imaging efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹连续波扫描成像系统及方法
本专利技术涉及太赫兹波成像
，特别是涉及一种太赫兹连续波扫描成像系统及方法。
技术介绍
太赫兹波(TerahertzWave，简称THz)通常指的是频率在0.1～10THz(波长在0.03mm～3mm)之间的电磁波，它可以穿透绝大多数的非极性材料，对不透明的非极性物质成像，检测其内部结构和缺陷。太赫兹连续波扫描成像系统，多是采用固态电子倍频的方法来产生太赫兹源。将信号源、锁相源、驱动器、倍频器、耦合器、混频器、检波器等光电子器件集成到一起实现太赫兹波的收、发功能。该系统集成度高、但输出的太赫兹波束带宽较窄，多用于点频成像，无法获取测试样品的频谱特性。使用微波矢量网络分析仪和扩频模块可以实现太赫兹波的发射及回波信号的接收，但在S参数(S11、S21、S12、S22)的测量过程中，一般需要手动设置矢量网络分析仪的各种参数；若要实现成像算法，还需要通过移动存储设备将信号数据拷贝到计算机上进行分析和计算，操作效率比较较低。同时，反复对矢量网络分析仪进行人工操作、数据拷贝容易造成仪器的磨损，不利用仪器的保护。现有的采用S参数的太赫兹连续波连续扫描成像系统，在测试样品采样点瞬间，计算机读取S参数通常采用软件触发模式、随机读取，每个扫描点数据采集时序都滞后于位置时序，不能有效保证采样点采集时序与样品扫描步进时序的同步性。现有的机械式扫描方式实现太赫兹连续波成像系统，为了提高图像分辨率，无论连续扫描模式或者逐点扫描模式，上位机都需要和扫描台进行双向通信获取采样点的位置坐标，增加了上位机任务进程，延长了系统扫描时间，导致扫成像效率降低。总之，现有的太赫兹连续波扫描成像系统存在诸多问题，无法满足现有的需求，亟需一种新型的太赫兹连续波扫描成像系统。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的之一是提供了一种太赫兹连续波扫描成像系统，实现了采样点S参数外部触发控制、自动采集，测试样品连续扫描扫频成像功能，它具有系统扩展灵活、性能稳定，减少仪器磨损，自动化程度高，成像效率高的优点。一种太赫兹连续波扫描成像系统，包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接至扩频模块、扫描台及上位机，所述扫描台还连接至上位机；所述扩频模块放置在升降台上，所述升降台用于调节扩频模块距离测试样品的水平、垂直位置；所述扫描台上固定有测试样品，由扫描台驱动实现测试样品二维平面内连续运动；在测试样品扫描过程中，每扫过一个设定的步距，扫描台输出一个电平脉冲信号，该脉冲信号传输到矢量网络分析仪的触发信号输入端口；所述上位机通过配置测试样品扫描参数、发送扫描指令、控制扫描台的运动；所述上位机完成矢量网络分析仪的参数设置、S参数的读取及测试样品扫描成像显示。进一步的，所述矢量网络分析仪提供射频信号源和本振信号源，包含至少两个信号输出端口、一个参考信号接收机端口、一个测量信号接收机端口、一个触发信号输入端口。进一步的，所述扩频模块将矢量网络分析仪提供的射频信号进行功放、倍频处理，倍频到太赫兹波段，并通过收发共用喇叭天线发射至测试样品，收发共用喇叭天线接收测试样品反射回来的太赫兹波回波信号；所述扩频模块将部分太赫兹源信号与本振信号进行混频后获取中频信号作为参考信号输出至微波矢量网络分析仪参考中频接收机端；所述扩频模块将接收的回波信号与本振信号进行混频后获取中频信号作为测量信号传输至微波矢量网络分析仪测量信号接收机端口；矢量网络分析仪将测量信号与参考信号对比后测得S参数。本专利技术的目的之二是公开了一种太赫兹连续波扫描成像方法，包括以下步骤：步骤(1)：确认扩频模块收发共用喇叭天线与测试样品水平距离，确认LAN口连接了上位机与矢量网络分析仪，确认串口线连接了上位机与扫描台；步骤(2)：运行上位机界面程序，确认上位机查找到矢量网络分析仪，确认上位机和扫描台进行串口握手通信；步骤(3)：设置相关参数，所述相关参数包括矢量网络分析仪参数：起始频率Fs、终止频率Ft、频率点数Fn、触发模式、S参数变量，测试样品扫描参数：样品长度L、宽度W、扫描步距S、扫描速度档位；步骤(4)：判断参数是否设置成功，如果设置成功，上位机程序界面中会显示设置的数值，如果设置失败，则不显示设置数值，解决通信故障后返回步骤(3)；步骤(5)：扫描台零点校准，校准完成将样品定位至扫描区起点，所述扫描区起点坐标：(L/2,W/2)；步骤(6)：微调升降台，将扩频模块收发共用喇叭天线垂直方向对齐样品扫描起点，水平方向距离测试样品在设定的距离内；步骤(7)：上位机发送扫描开始指令、样品逐行连续扫描开始；步骤(8)：在步骤(7)的同时，上位机开始读取矢量网络分析仪测试的每个扫描步距点的S参数，S参数具体为S11；步骤(9)：上位机对接收的数据进行处理，截取S11幅值，计算与每个S11对应的Fn个频率数值，绘制S11频谱曲线、保存数据；步骤(10)：扫描结束，对比测试样品缺陷在不同频段下灰度图像，确定图像分辨率最高的频率数值。进一步的，所述步骤(5)的具体步骤：步骤(5-1)：设置回零方向参数：X轴回零方向、Y轴回零方向；步骤(5-2)：按照设定的回零方向，扫描台X轴、Y轴向零点方向运动，所述零点为扫描台X轴中心点与Y轴中心点的交点；步骤(5-3)：到达零点后，扫描台X、Y轴坐标清零；步骤(5-4)：继续运动至样品扫描区起点(L/2,W/2)处，扫描台停止运动。进一步的，所述步骤(7)的具体步骤：步骤(7-1)：扫描台X轴带动样品从L/2处向左运动；步骤(7-2)：X轴每扫过一个步距S输出一个脉冲信号；步骤(7-3)：样品运动至-L/2处，X轴停止运动；步骤(7-4)：扫描台带动样品沿Y轴向下运动一个步距S，Y轴停止运动；步骤(7-5)：X轴带动样品从-L/2处向右运动，运动至L/2处，X轴停止运动；步骤(7-6)：扫描台带动样品沿Y轴向下运动一个步距S，Y轴停止运动；步骤(7-7)：重复步骤(7-1)～步骤(7-6)，样品做逐行扫描，当∑S＞W时，循环停止，扫描台停止运动，样品扫描完成。进一步的，所述步骤(8)的具体步骤：步骤(8-1)：上位机发送读取数据的指令；步骤(8-2)：矢量网络分析仪判断触发信号输入端口是否有脉冲信号，如果有进行下一步，如果没有则继续等待；步骤(8-3)：矢量网络分析仪采集S参数数据，然后上传上位机；步骤(8-4)：上位机接收矢量网络分析仪上传数据，重复步骤(8-2)～步骤(8-3)，直至样品扫描结束时，循环停止。进一步的，所述步骤(9)的具体步骤：步骤(9-1)：上位机将接收S11数据保存为字符串；步骤(9-2)：在字符串中从首字符位置查找分隔符”,”，记录第一个分隔符在字符串中位置存储在数组Pose[0]中，记录第二个分隔符在字符串中位置存储在数组Pose[1]中，依次查找，记录第i+1个分隔符位置存储在数组Pose[i]中，直至查找到字符串结束符，查找结束；步骤(9-3)：根据首字符位置和字符长度截取每个频点的S11幅值；步骤(9-4)：计算每个S11对应的频率FK，公式为：步骤(9-5)：绘制S11频谱曲线；步骤(9-6)：将FK、S11以二进制格式保存到N.bin文件中，所述N为文件序号，和扫描点数一一对应，N初始化数值为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接至扩频模块、扫描台及上位机，所述扫描台还连接至上位机；所述扩频模块放置在升降台上，所述升降台用于调节扩频模块距离测试样品的水平、垂直位置；所述扫描台上固定有测试样品，由扫描台驱动实现测试样品二维平面内连续运动；在测试样品扫描过程中，每扫过一个设定的步距，扫描台输出一个电平脉冲信号，该脉冲信号传输到矢量网络分析仪的触发信号输入端口；所述上位机通过配置测试样品扫描参数、发送扫描指令、控制扫描台的运动；所述上位机完成矢量网络分析仪的参数设置、S参数的读取及测试样品扫描成像显示。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，包括矢量网络分析仪，所述矢量网络分析仪分别连接至扩频模块、扫描台及上位机，所述扫描台还连接至上位机；所述扩频模块放置在升降台上，所述升降台用于调节扩频模块距离测试样品的水平、垂直位置；所述扫描台上固定有测试样品，由扫描台驱动实现测试样品二维平面内连续运动；在测试样品扫描过程中，每扫过一个设定的步距，扫描台输出一个电平脉冲信号，该脉冲信号传输到矢量网络分析仪的触发信号输入端口；所述上位机通过配置测试样品扫描参数、发送扫描指令、控制扫描台的运动；所述上位机完成矢量网络分析仪的参数设置、S参数的读取及测试样品扫描成像显示。2.如权利要求1所述的一种太赫兹连续波扫描成像系统，其特征是，所述矢量网络分析仪提供射频信号源和本振信号源，包含至少两个信号输出端口、一个参考信号接收机端口、一个测量信号接收机端口、一个触发信号输入端口；所述扩频模块将矢量网络分析仪提供的射频信号进行功放、倍频处理，倍频到太赫兹波段，并通过收发共用喇叭天线发射至测试样品，收发共用喇叭天线接收测试样品反射回来的太赫兹波回波信号；所述扩频模块将部分太赫兹源信号与本振信号进行混频后获取中频信号作为参考信号输出至微波矢量网络分析仪参考中频接收机端；所述扩频模块将接收的回波信号与本振信号进行混频后获取中频信号作为测量信号传输至微波矢量网络分析仪测量信号接收机端口；矢量网络分析仪将测量信号与参考信号对比后测得S参数。3.一种太赫兹连续波扫描成像方法，其特征是，包括以下步骤：步骤(1)：确认扩频模块收发共用喇叭天线与测试样品水平距离，确认LAN口连接了上位机与矢量网络分析仪，确认串口线连接了上位机与扫描台；步骤(2)：运行上位机界面程序，确认上位机查找到矢量网络分析仪，确认上位机和扫描台进行串口握手通信；步骤(3)：设置相关参数，所述相关参数包括矢量网络分析仪参数、测试样品扫描参数；步骤(4)：判断参数是否设置成功，如果设置成功，上位机程序界面中会显示设置的数值，如果设置失败，则不显示设置数值，解决通信故障后返回步骤(3)；步骤(5)：扫描台零点校准，校准完成将样品定位至扫描区起点，所述扫描区起点坐标：(L/2,W/2)；步骤(6)：微调升降台，将扩频模块收发共用喇叭天线垂直方向对齐样品扫描起点，水平方向距离测试样品在设定的距离内；步骤(7)：上位机发送扫描开始指令、样品逐行连续扫描开始；步骤(8)：在步骤(7)的同时，上位机开始读取矢量网络分析仪测试的每个扫描步距点的S参数，S参数具体为S11；步骤(9)：上位机对接收的数据进行处理，截取S11幅值，计算与每个S11对应的Fn个频率数值，绘制S11频谱曲线、保存数据；步骤(10)：扫描结束，对比测试样品缺陷在不同频段下灰度图像，确定图像分辨率最高的频率数值。4.如权利要求3所述的一种太赫兹连续波扫描成像方法，其特征是，所述步骤(5)的具体步骤：步骤(5-1)：设置回零方向参数：X轴回零方向、Y轴回零方向；步骤(5-2)：按照设定的回零方向，扫描台X轴、Y轴向零点方向运动，所述零点为扫描台X轴中心点与Y轴中心点的交点；步骤(5-3)：到达零点后，扫描台X、Y轴坐标清零；步骤(5-4)：继续运动至样品扫描区起点(L/2,W/2)处，扫描台停止运动。5.如权利要求3所述的一种太赫兹连续波扫描成像方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延波，常天英，张献生，徐文青，刘陵玉，崔洪亮，
申请(专利权)人：山东省科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37