一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置及方法，装置包括微波信号源、多通道扩频装置、多通道同步采集单元、太赫兹收发阵列、一维运动装置、主控计算机；可实现工业大尺寸材料的在线实时检测，采用多子阵偏移组合方式，解决太赫兹发射和接收模块体积大导致阵列布局无法满足一个波长间隔要求的问题；采用基于金属平板的空口校准测试方法代替传统金属球校准方法，有效改善平板材料的成像质量；采用基于电子扫描与多通道同步接收的太赫兹收发技术，采用线性调频信号体制与相干累积方式实现宽带信号高灵敏度接收，采用高速电子开关配合多通道同步接收实现毫秒量级高速数据采集，保障测试效率。保障测试效率。保障测试效率。

【技术实现步骤摘要】
一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置及方法


[0001]本专利技术涉及太赫兹成像
，尤其涉及一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置及方法。

技术介绍

[0002]太赫兹波通常是指频率在0.1～10THz之间的电磁辐射，波长3mm～30um，其波段在微波和红外之间。因其具有无电离辐射、高分辨率、穿透性强等特点，太赫兹技术特别适合于衣服、塑料、陶瓷、复合材料等非极性分子材料无损检测。对于高分子复合材料、泡沫、陶瓷、塑料等应用广泛的材料，可见光、红外线甚至是超声波都不能透过。而对于通常的射线检测方法而言，无论是上述材料本身，还是材料中可能出现的缺陷，如孔洞、错位、裂缝等，都是几近透明的，因此难以对材料内部的缺陷清晰成像，这就使得对这类材料的无损检测受到限制。太赫兹波对大部分非金属、非极性材料具有较好的穿透能力，可利用太赫兹波结合成像技术，对这类材料的内部缺陷进行无损探伤。
[0003]对于太赫兹成像，目前常用的方法是采用1个收发模块，依靠机械扫描实现对被测材料的成像检测，几十公分的被测件需要数十分钟甚至几个小时的测试时间，严重限制了大尺寸材料的在线检测。采用多发多收工作体制是解决上述问题的有效途径，典型代表是罗德施瓦茨研制了面向安检的毫米波成像仪，工作频率70GHz～80GHz，属于准太赫兹频段，采用先进的毫米波芯片设计技术，实现了发射和接收天线的高度集成，阵列中的相邻天线间隔可实现波长量级，满足阵列成像所需要的收发天线布局满足一个波长要求。然而，随着太赫兹频段的提高，太赫兹集成化难度增大，单个太赫兹发射或接收单元为厘米量级，相邻天线布置间隔达不到工作频率波长，影响后续成像性能。此外，在成像处理过程中，太赫兹信号非线性误差和多通道之间的幅相误差必须需要进行校准的，目前常规方法是采用金属球作为理想的校准体，但当对于平板材料时，校准后的成像结果欠佳。对于多发多收工作体制，目前通常采用的方法是步进频加电子扫描的方法，当所需要扫频点数和阵列通道数较少时，可以达到数十ms量级，但随着太赫兹工作频率的提高，成像带宽增大带来扫频点数的增加，此外波长越小对应的太赫兹发射和接收通道数增加，测试效率将会大幅度降低，影响大尺寸材料的在线检测。

技术实现思路

[0004]为解决上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置及方法，本专利技术采用多子阵偏移组合的方式，解决了太赫兹发射和接收模块体积大导致阵列布局无法满足一个波长间隔要求的问题；采用金属平板的空口校准测试方法，有效解决了传统金属球作为校准体存在的平板材料校准效果欠佳的问题；采用了一种基于电子扫描与多通道同步接收的太赫兹收发技术，通过采用线性调频信号体制与相干累积方式实现了宽带信号的高灵敏度接收；采用高速电子开关配合多通道同步接收实现了毫秒量级的高速数据采集，大幅度提高测试效率，满足工业在线无损检测需求。
[0005]第一方面，本公开提供了一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，包括：该装置包括：微波信号源、多通道扩频装置、多通道同步采集单元、太赫兹收发阵列、一维运动装置、主控计算机；
[0006]所述一维运动装置到位一个位置后，发出硬件触发脉冲信号1给所述多通道扩频装置；所述多通道扩频装置通过内部FPGA检测到来自所述一维运动装置发出的硬件触发脉冲信号后，控制1选N电子开关完成测试通道的切换，并发出一路硬件脉冲触发信号2给所述微波信号源；所述微波信号源接收到所述多通道扩频装置的硬件脉冲触发信号2后，进行宽带射频和本振微波信号的发生，同时由微波信号源产生一路硬件脉冲触发信号3给所述多通道同步采集单元；所述多通道同步采集单元接收到所述微波信号源发出的硬件脉冲触发信号3后，进行连接的各接收通道同步采集，将采集的数据缓存到多通道同步采集单元中。
[0007]所述多通道扩频装置，用于将微波信号源产生的射频微波信号和本振微波信号分别扩展成N路和M路；
[0008]所述太赫兹收发阵列，通过阵列设计确定N路太赫兹发射通道和M路太赫兹接收通道，N路太赫兹发射通道将宽带射频微波信号倍频产生N路太赫兹信号，M路太赫兹接收通道通过将接收的被测材料反射信号与经过宽带本振微波信号倍频产生的太赫兹本振信号混频接收，产生M路测试中频信号。
[0009]进一步的技术方案，所述主控计算机用于实现装置的测量控制与数据采集，以及数据的后处理。
[0010]进一步的技术方案，所述微波信号源，用于产生宽带射频微波信号和宽带本振微波信号，同时具备触发输入、触发输出和时钟同步接口。
[0011]所述微波信号源一般通过步进频与线性调频两种方式产生宽带微波扫频信号，通过采用FPGA和直接数字频率合成技术相结合的方法，实现步进频、线性调频两种体制信号的动态可重构，在步进频满足不了测试效率的时候，动态切换为线性调频体制。
[0012]进一步的技术方案，所述多通道扩频装置包括1选N电子开关、1分M功分器、功率放大器、低噪声放大器和时序控制板；
[0013]所述1选N电子开关，用于实现将微波信号源产生的宽带射频微波信号扩展成N路宽带射频微波信号，通道间的切换时间达到百纳秒量级；
[0014]所述1分M功分器，用于将微波信号源产生的宽带本振微波信号扩展成M路宽带本振微波信号同步输出。
[0015]进一步的技术方案，所述功率放大器和低噪声放大器，用于放大宽带射频微波信号和宽带本振微波信号，保证1选N电子开关和1分M功分器输出的各路信号输出功率能够满足太赫兹发射模块和太赫兹接收模块所需要的功率要求；
[0016]所述时序控制板，用于实现微波信号源、一维运动装置和1选N电子开关的逻辑控制；为了提高测试效率，采用硬件脉冲触发的方式实现各装置间的执行响应。
[0017]进一步的技术方案，所述一维运动装置，用于实现被测材料沿着阵列垂直方向进行一维平动；
[0018]一维运动携带被测材料进行运动过程中，当光学传感器感应到被测材料时，启动装置进行数据采集；当光学传感器感应到被测材料远离时，发送命令给装置执行停止数据采集操作。
[0019]进一步的技术方案，所述多通道同步采集单元包含多通道同步采集卡和信号处理板。
[0020]进一步的技术方案，所述多通道同步采集卡用于实现M路测试中频信号的采集，所述信号处理板用于采集数据的下变频、滤波、抽取操作。
[0021]第二方面，本公开提供了一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像方法，基于第一方面所述的面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置实现，包括：
[0022]步骤1：由所述主控计算机进行参数设置，包括工作频率、频率点数、所述多通道扩频装置中的1选N电子开关切换通道数目、所述多通道同步采集单元的中频采集通道数目以及所述一维运动置的扫描范围、扫描速度和扫描步进；
[0023]步骤2：参数设置完毕，启动数据采集，所述一维运动装置到位一个位置后，发出硬件触发脉冲信号1给所述多通道扩频装置的时序控制板；
[0024]步骤3：所述多通道扩频装置时序控制板本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，包括：该装置包括：多通道扩频装置、多通道同步采集单元、太赫兹收发阵列、一维运动装置；所述一维运动装置到位一个位置后，发出硬件触发脉冲信号1给所述多通道扩频装置；所述多通道扩频装置通过内部FPGA检测到来自所述一维运动装置发出的硬件触发脉冲信号后，控制1选N电子开关完成测试通道的切换，并发出一路硬件脉冲触发信号2给所述微波信号源；所述微波信号源接收到所述多通道扩频装置的硬件脉冲触发信号2后，进行宽带射频和本振微波信号的发生，同时由微波信号源产生一路硬件脉冲触发信号3给所述多通道同步采集单元；所述多通道同步采集单元接收到所述微波信号源发出的硬件脉冲触发信号3后，进行连接的各接收通道同步采集，将采集的数据缓存到多通道同步采集单元中；所述多通道扩频装置，用于将微波信号源产生的射频微波信号和本振微波信号分别扩展成N路和M路；所述太赫兹收发阵列，通过阵列设计确定N路太赫兹发射通道和M路太赫兹接收通道，N路太赫兹发射通道将宽带射频微波信号倍频产生N路太赫兹信号，M路太赫兹接收通道通过将接收的被测材料反射信号与经过宽带本振微波信号倍频产生的太赫兹本振信号混频接收，产生M路测试中频信号；所述太赫兹发射和接收阵列的组合方法是按照等效相位中心原理，采用多个子阵偏移的方法，实现等效中心采样点的增加，实现太赫兹阵列布局间隔满足一个波长。2.如权利要求1所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，还包括：主控计算机，所述主控计算机用于实现装置的测量控制与数据采集，以及数据的后处理。3.如权利要求1所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，还包括：微波信号源，所述微波信号源，用于产生宽带射频微波信号和宽带本振微波信号，同时具备触发输入、触发输出和时钟同步接口。4.如权利要求1所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，所述一维运动装置，用于实现被测材料沿着阵列垂直方向进行一维平动；一维运动携带被测材料进行运动过程中，当光学传感器感应到被测材料时，启动装置进行数据采集；当光学传感器感应到被测材料远离时，发送命令给装置执行停止数据采集操作。5.如权利要求1所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，所述多通道扩频装置包括1选N电子开关、1分M功分器、功率放大器、低噪声放大器和时序控制板；所述1选N电子开关，用于实现将微波信号源产生的宽带射频微波信号扩展成N路宽带射频微波信号，通道间的切换时间达到百纳秒量级；所述1分M功分器，用于将微波信号源产生的宽带本振微波信号扩展成M路宽带本振微波信号同步输出。6.如权利要求5所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，所述功率放大器和低噪声放大器，用于放大宽带射频微波信号和宽带本振微波信号，保证1选N电子开关和1分M功分器输出的各路信号输出功率能够满足太赫兹发射模块和太赫兹接收模块所需要的功率要求；
所述时序控制板，用于实现微波信号源、一维运动装置和1选N电子开关的逻辑控制；为了提高测试效率，采用硬件脉冲触发的方式实现各装置间的执行响应。7.如权利要求1所述的一种面向在线无损检测的太赫兹阵列成像装置，其特征是，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，陈伟，高媛，胡大海，颜振，曹桂财，耿祖琨，常庆功，董继刚，王亚海，年夫顺，
申请(专利权)人：中电科思仪科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：