大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，包括收發(fā)共用天線，二維掃描平臺(tái)、太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊、太赫茲連續(xù)波接收模塊、TPX透鏡、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、圖像處理模塊和圖像顯示單元。本發(fā)明具有頻率在太赫茲波段，發(fā)射模塊發(fā)射功率高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，分辨率高等優(yōu)勢(shì)。
【專利說明】
大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及太赫茲無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種大功率主動(dòng)式太赫茲連續(xù)波 二維高分辨率成像的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 一般稱謂的太赫茲波段，其頻率范圍為0.1 THz到10THZ(波長(zhǎng)從0.03mm到3mm);在 有些場(chǎng)合特指〇.3THz到3THz，還有些時(shí)候被賦予一種廣義的定義，其頻率范圍可包含高達(dá) 1 OOTHz的波，這包括整個(gè)中、遠(yuǎn)紅外波段。在電磁波譜中，太赫茲波位于微波和遠(yuǎn)紅外波之 間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。在電子學(xué)領(lǐng)域里，這一波段的電磁波又被稱 為毫米波或亞毫米波;在光譜學(xué)領(lǐng)域，它也被稱為遠(yuǎn)紅外射線。
[0003] 自然界中擁有大量的太赫茲輻射源，比如我們身邊絕大多數(shù)物體的熱輻射都在太 赫茲波段。但是，由于缺乏太赫茲波段的高效率的發(fā)射源和靈敏的探測(cè)器，太赫茲波段的電 磁輻射沒有得到像微波和遠(yuǎn)紅外波一樣深入的研究。太赫茲波之所以引起我們濃厚的研究 興趣，并不僅僅因?yàn)樗且活悘V泛存在但還不為人所熟知的電磁輻射，更重要的原因是它 具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。具體來說，太赫茲波主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
[0004] 1、太赫茲波對(duì)于很多介電材料和非極性的液體有良好的穿透性。太赫茲輻射的一 個(gè)很有吸引力的應(yīng)用前景就是作為X射線成像和超聲波成像技術(shù)的補(bǔ)充，用于安全檢查或 者在質(zhì)量控制中進(jìn)行無損探傷。
[0005] 2、太赫茲技術(shù)具有高安全性，相比于X射線具有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射 的光子能量只有毫電子伏的數(shù)量級(jí)。太赫茲波的光子能量低于各種化學(xué)鍵的鍵能，因此它 不會(huì)引起有害的電離反應(yīng)。
[0006] 3、太赫茲波段包含了豐富的光譜信息。大量的分子，尤其是有機(jī)分子，由于其轉(zhuǎn)動(dòng) 和振動(dòng)(包括集體震動(dòng)）的躍迀，在這一頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性。
[0007] 4、太赫茲波與微波相比，頻率更高，在作為通信載體時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)可以承載更多 的信息。
[0008] 5、由于太赫茲波的波長(zhǎng)更短，他的發(fā)射方向性要好于微波。
[0009] 6、在成像應(yīng)用中，太赫茲波具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率 時(shí)具有更長(zhǎng)的景深。
[0010] 目前世界上只有美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute， RPI)、美國(guó)國(guó)家航空航天管理局(NASA)和我國(guó)首都師范大學(xué)物理系的太赫茲波普和成像實(shí) 驗(yàn)室擁有并將太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)投入使用。他們實(shí)現(xiàn)太赫茲連續(xù)波二維成像采用 的方法成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成像分辨率受限制條件較多。
[0011]目前利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和太赫茲時(shí)域光譜分析系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的二 維成像，但是太赫茲時(shí)域光譜分析系統(tǒng)探測(cè)被測(cè)物體的發(fā)射模塊的發(fā)射功率只有幾毫瓦， 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀探測(cè)被測(cè)物體的發(fā)射模塊的發(fā)射功率也只有幾十毫瓦，這就會(huì)限制太赫茲 波二維成像的分辨率。
[0012] 因此，需要一種發(fā)射模塊發(fā)射功率較高、價(jià)格較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和分辨率更高的太赫 茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種以大功率太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊為核心的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 分辨率高、成本較低的太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)。
[0014] 本發(fā)明包括有：
[0015] 收發(fā)共用天線，用于向被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)并接收從 被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面返回的回波信號(hào)；
[0016] 二維掃描平臺(tái)，用于在二維平面上固定并移動(dòng)被測(cè)對(duì)象；
[0017]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊，用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì)象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)；
[0018] 太赫茲連續(xù)波接收模塊，用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波 信號(hào)；
[0019] TPX透鏡，包括TPX透鏡I和TPX透鏡Π ，用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊發(fā)射的太赫 茲連續(xù)波先經(jīng)過TPX透鏡I變成平行的，再經(jīng)過TPX透鏡Π會(huì)聚至被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面;或者 用于將被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面反射的太赫茲連續(xù)波先經(jīng)過TPX透鏡Π變成平行的，再經(jīng)過TPX 透鏡I會(huì)聚至所述收發(fā)共用天線；
[0020] 數(shù)據(jù)采集和處理模塊，用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信號(hào) 以生成被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面的二維圖像；
[0021] 圖像處理模塊，用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊生成的二維圖像以使圖像更 加清晰；
[0022] 圖像顯示單元，用于顯示由圖像處理模塊生成的二維圖像。
[0023]收發(fā)共用天線將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的發(fā)射信號(hào)發(fā)射至TPX透鏡I，將太赫 茲連續(xù)波變成平行的；進(jìn)一步地，太赫茲波通過TPX透鏡Π，將太赫茲連續(xù)波會(huì)聚至帶有裂 隙的被測(cè)對(duì)象的被測(cè)表面。
[0024] 所述的TPX透鏡I與TPX透鏡Π之間的距離小于TPX透鏡的焦距。TPX透鏡I與TPX透 鏡Π相同，TPX透鏡I與TPX透鏡Π相對(duì)放置。
[0025] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊包括第一信號(hào)源、第一功率放大器、第一二倍頻器、第二二 倍頻器、可調(diào)衰減器、隔離器和定向耦合器，太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì) 象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)。
[0026]具體來說，第一信號(hào)源是工作頻率為27.5GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：
[0027] ^ = 4 COs(2.2-_/Ji + φχ) (1 )
[0028] 其中，Α!表示為初始幅值，fi為頻率27.5GHz，t為時(shí)間，妁為第一信號(hào)源的初始相位 值。
[0029] 第二功率放大器對(duì)第一信號(hào)源的功率進(jìn)行放大以達(dá)到第一二倍頻器的安全功率 輸入范圍，經(jīng)過第一二倍頻器后信號(hào)的頻率達(dá)到55GHz，進(jìn)一步經(jīng)過第二二倍頻器后信號(hào)的 頻率達(dá)到110GHz。第一二倍頻器和第二二倍頻器都是有源器件，發(fā)射信號(hào)的大功率主要是 由這兩個(gè)二倍頻器的轉(zhuǎn)化效率高決定的（選用第一二倍頻器為VDI公司型號(hào)為D60的高功率 窄帶倍頻器，在55GHz頻點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率為30%以上；第二二倍頻器為VDI公司型號(hào)為D110 的高功率窄帶倍頻器，在110GHz頻點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率為25% )。
[0030]第二二倍頻器將二倍頻后的信號(hào)輸出至可調(diào)衰減器;可調(diào)衰減器將第二二倍頻器 的輸出功率通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器的旋鈕實(shí)現(xiàn)不同程度的降低，并將可調(diào)衰減器的輸出信號(hào) 輸出至隔離器;隔離器將定向耦合器的直通端返回的回波信號(hào)隔離以防止回波信號(hào)輸入至 所述可調(diào)衰減器，可調(diào)衰減器的輸出端連接至隔離器的輸入端，隔離器的輸出端連接至定 向親合器的輸入端;定向親合器將可調(diào)衰減器的直通端連接至定向親合器的輸入端，將定 向耦合器的直通端連接至收發(fā)共用天線;最終經(jīng)收發(fā)共用天線發(fā)送出去。收發(fā)共用天線的 發(fā)射信號(hào)可表不為：
[0031 ] 5, ' = /1, ' (:2 )
[0032] 其中，A/是發(fā)射信號(hào)的幅值。
[0033] 太赫茲連續(xù)波接收模塊包括第二信號(hào)源、第二功率放大器、衰減器、第三二倍頻 器、次諧波混頻器、帶通濾波器、低噪聲放大器和檢波器，太赫茲連續(xù)波接收模塊用于接收 和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波信號(hào)。
[0034] 具體來說，第二信號(hào)源是工作頻率為27.475GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：
[0035] S2 = Α? €〇α(2π/^? + φ2) (3 )
[0036] 其中，Α2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時(shí)間，灼為第二信號(hào)源的初始 相位值。
[0037] 第二功率放大器對(duì)第二信號(hào)源的功率進(jìn)行放大，進(jìn)一步地衰減器將第二功率放大 器的輸出信號(hào)的功率略衰減以達(dá)到第三二倍頻器的安全功率輸入范圍；第三二倍頻器將衰 減器輸出的信號(hào)進(jìn)行二倍頻至54.95GHz，并將二倍頻后的信號(hào)輸出至次諧波混頻器本振 端;次諧波混頻器將定向耦合器的耦合端連接至次諧波混頻器的射頻端，此時(shí)本振端的信 號(hào)頻率為109.9GHz，射頻端的信號(hào)頻率為110GHz。次諧波混頻器本振端的信號(hào)可表示為
[0038] S2' = Α? ' cos(8^/2f + Αψ?) ( 4)
[0039] 其中，Α/是本振端信號(hào)的幅值。次諧波混頻射頻端的信號(hào)可表示為：
[0040] 5," = Ax "cos(8^· /,7 -f 4^9,') (5)
[0041] 其中，，Ai〃是射頻端信號(hào)的幅值，奶/是射頻端信號(hào)的初始相位值。次諧波混頻器 的中頻輸出信號(hào)可表不為：
[0043]次諧波混頻器的中頻輸出端連接至帶通濾波器的輸入端;帶通濾波器的中心頻率 為100MHz，將次諧波混頻器的中頻輸出信號(hào)中100MHz以外的雜波濾除，帶通濾波器314的輸 出信號(hào)可表不為：
[0045]帶通濾波器的輸出端連接至低噪聲放大器;將帶通濾波器的輸出信號(hào)的噪聲降低 并功率放大以提高100MHz中頻信號(hào)的輸出功率，低噪聲放大器的輸出信號(hào)可表示為：
[0047]其中，K是低噪聲放大器的放大系數(shù)，是信號(hào)變化的相位值。低噪聲放大器能夠 使經(jīng)過兩次下變頻的微弱中頻信號(hào)進(jìn)行放大，提高了輸出信號(hào)的信噪比、探測(cè)靈敏度，然后 使用檢波器將低噪聲放大器的輸出信號(hào)由交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并將其輸出信號(hào)被送入 數(shù)據(jù)采集和處理模塊。
[0048]數(shù)據(jù)采集和處理模塊首先采集回波信號(hào)，再將回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)二維重排，然后 進(jìn)行均值濾波。圖像處理模塊先實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化，再使對(duì)比度伸展，然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)和 邊緣銳化，最終得到二維圖像。
[0049]數(shù)據(jù)采集和處理模塊后生成第一圖像，圖像處理模塊中直方圖均衡化生成第二圖 像，進(jìn)一步通過對(duì)比度伸展生成第三圖像，進(jìn)一步通過邊緣檢測(cè)生成第四圖像，最后通過邊 緣銳化生成第五圖像。
[0050]利用上述大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的成像過程包括以下步 驟：
[0051 ]二維掃描平臺(tái)移動(dòng)被測(cè)對(duì)象；
[0052]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊和收發(fā)共用天線掃描被測(cè)對(duì)象；
[0053]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊生成發(fā)射信號(hào)；
[0054] 收發(fā)共用天線將發(fā)射信號(hào)發(fā)射給被測(cè)對(duì)象；
[0055] 收發(fā)共用天線接收被測(cè)對(duì)象表面返回的回波信號(hào)并將回波信號(hào)發(fā)送給太赫茲連 續(xù)波接收模塊；
[0056]太赫茲連續(xù)波接收模塊對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和圖像處理模塊； [0057]數(shù)據(jù)采集和處理模塊對(duì)來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號(hào)進(jìn)行處理以生成被測(cè) 對(duì)象的二維成像；
[0058]圖像處理模塊，用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊生成的二維圖像以使圖像更 加清晰；
[0059]圖像顯示單元顯示由圖像處理模塊生成的二維圖像。
[0060] 本發(fā)明的有益效果：
[0061] (1)成本較低:本發(fā)明利用電子器件而不采用光學(xué)元件（除ΤΡΧ透鏡），大大降低了 系統(tǒng)的成本。
[0062] (2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易集成:本發(fā)明采用的功率放大器、倍頻器和耦合器等器件體積小 且系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相比之前利用斬波器等器件的成像系統(tǒng)復(fù)雜度低。
[0063] (3)太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊功率大：太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的功率值在200mW左 右。
[0064] (4)成像分辨率高:本發(fā)明采用倍頻方式獲得110GHz的頻率，使用的倍頻器為轉(zhuǎn)換 效率高的有源器件，這大大提高了太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的發(fā)射功率，從而成像分辨率能 達(dá)到2mm左右。
[0065] (5)成像速度快:本發(fā)明采用太赫茲連續(xù)波成像，不需要像太赫茲脈沖成像一樣考 慮深度和頻譜的信息，在成像算法方面也更簡(jiǎn)單，這大大提高了成像速度。
[0066] (6)傳輸距離遠(yuǎn):本發(fā)明由太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊發(fā)射的太赫茲連續(xù)波信號(hào)在空 氣中的傳輸距離能達(dá)到近百米。
[0067] (7)信噪比高：系統(tǒng)采用主動(dòng)式太赫茲成像，通過控制各個(gè)器件的輸出功率范圍來 提高天線的發(fā)射功率，當(dāng)然，發(fā)射功率在安全輻射范圍之內(nèi)，使得回波信號(hào)信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 被動(dòng)式太赫茲成像系統(tǒng)接收信號(hào)的信噪比，進(jìn)而獲得更高的成像質(zhì)量。
[0068] (8)用途廣泛:利用大功率太赫茲連續(xù)波二維成像技術(shù)高分辨率及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu) 點(diǎn)，可以進(jìn)行各類大型儀器外層損傷的檢測(cè)，也適用于違禁品的檢測(cè)。
【附圖說明】
[0069]圖1是本發(fā)明的組成框圖。
[0070]圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0071]圖3是本發(fā)明的發(fā)射模塊和接收模塊的電路圖。
[0072]圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和處理模塊與圖像處理模塊中進(jìn)行的二維成像算法的流 程圖。
[0073]圖5是本發(fā)明的的數(shù)據(jù)采集和處理模塊與圖像處理模塊成像效果的對(duì)比圖。
[0074] 圖6是本發(fā)明的成像過程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0075] 太赫茲成像系統(tǒng)主要分為太赫茲脈沖成像和太赫茲連續(xù)波成像。太赫茲脈沖成像 的基本原理是:從樣品反射的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位包含了樣品的復(fù)介電常數(shù)的空間 分布信息。將反射太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位的二維信息記錄下來，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗?分析得到樣品的太赫茲圖像。太赫茲連續(xù)波成像的基本原理是:連續(xù)波源提供比脈沖源更 高的輻射強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)是一種強(qiáng)度成像。在對(duì)物體成像時(shí)，根據(jù)物體內(nèi)部的缺陷或損傷的邊 緣對(duì)太赫茲光的散射效應(yīng)，從而會(huì)影響太赫茲波電磁場(chǎng)的強(qiáng)度分布，反映到物體的太赫茲 波圖像上顯示為明暗即強(qiáng)度的不同，據(jù)此可推出物體內(nèi)部的形狀、缺陷或損傷位置。因此， 在無需深度和頻譜信息的情況下，采用太赫茲連續(xù)波成像技術(shù)，可以提高太赫茲波成像的 速度并降低成像系統(tǒng)的復(fù)雜度。
[0076]如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括有：
[0077] 收發(fā)共用天線11，用于向被測(cè)對(duì)象17的被測(cè)表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)并接 收從被測(cè)對(duì)象17的被測(cè)表面返回的回波信號(hào)；
[0078] 二維掃描平臺(tái)18,用于在二維平面上固定并移動(dòng)被測(cè)對(duì)象17;
[0079] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10,用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì)象17的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信 號(hào)；
[0080] 太赫茲連續(xù)波接收模塊12,用于接收和處理來自收發(fā)共用天線11的太赫茲連續(xù)波 回波信號(hào)；
[0081 ] TPX透鏡16,包括TPX透鏡125和TPX透鏡Π 26,用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10發(fā) 射的太赫茲連續(xù)波先經(jīng)過TPX透鏡125變成平行的，再經(jīng)過TPX透鏡Π 26會(huì)聚至被測(cè)對(duì)象17 的被測(cè)表面;或者用于將被測(cè)對(duì)象17的被測(cè)表面反射的太赫茲連續(xù)波先經(jīng)過TPX透鏡Π 26 變成平行的，再經(jīng)過TPX透鏡125會(huì)聚至所述收發(fā)共用天線11;
[0082]數(shù)據(jù)采集和處理模塊13,用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信 號(hào)以生成被測(cè)對(duì)象17的被測(cè)表面23的二維圖像；
[0083]圖像處理模塊14,用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊13生成的二維圖像以使圖 像更加清晰；
[0084]圖像顯示單元15,用于顯示由圖像處理模塊14生成的二維圖像。
[0085]如圖2所示，收發(fā)共用天線11將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10的發(fā)射信號(hào)發(fā)射至 TPX透鏡125，將太赫茲連續(xù)波變成平行的；進(jìn)一步地，太赫茲波通過TPX透鏡Π 26，將太赫茲 連續(xù)波會(huì)聚至帶有裂隙24的被測(cè)對(duì)象17的被測(cè)表面23。
[0086] 所述的TPX透鏡125與TPX透鏡Π 26之間的距離小于TPX透鏡16的焦距。TPX透鏡125 與TPX透鏡Π 26相同，TPX透鏡125與TPX透鏡Π 26相對(duì)放置。
[0087]如圖3所示，太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10包括第一信號(hào)源301、第一功率放大器302、 第一二倍頻器303、第二二倍頻器304、可調(diào)衰減器305、隔離器306和定向耦合器307,太赫茲 連續(xù)波發(fā)射模塊10用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì)象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)。
[0088]具體來說，第一信號(hào)源301是工作頻率為27.5GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：
[0089] 5, == A, cos( + φλ) ( 1 )
[0090] 其中，Α!表示為初始幅值，fi為頻率27.5GHz，t為時(shí)間，灼為第一信號(hào)源301的初始 相位值。
[0091] 第二功率放大器302對(duì)第一信號(hào)源301的功率進(jìn)行放大以達(dá)到第一二倍頻器303的 安全功率輸入范圍，經(jīng)過第一二倍頻器303后信號(hào)的頻率達(dá)到55GHz，進(jìn)一步經(jīng)過第二二倍 頻器304后信號(hào)的頻率達(dá)到110GHz。第一二倍頻器303和第二二倍頻器304都是有源器件，發(fā) 射信號(hào)的大功率主要是由這兩個(gè)二倍頻器的轉(zhuǎn)化效率高決定的（選用第一二倍頻器303為 VDI公司型號(hào)為D60的高功率窄帶倍頻器，在55GHz頻點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率為30%以上;第二二倍 頻器304為VDI公司型號(hào)為D110的高功率窄帶倍頻器，在110GHz頻點(diǎn)處的轉(zhuǎn)換效率為25%)。 [0092] 第二二倍頻器304將二倍頻后的信號(hào)輸出至可調(diào)衰減器305;可調(diào)衰減器305將第 二二倍頻器304的輸出功率通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器305的旋鈕實(shí)現(xiàn)不同程度的降低，并將可調(diào) 衰減器305的輸出信號(hào)輸出至隔離器306;隔離器306將定向耦合器307的直通端返回的回波 信號(hào)隔離以防止回波信號(hào)輸入至所述可調(diào)衰減器305,可調(diào)衰減器305的輸出端連接至隔離 器306的輸入端，隔離器306的輸出端連接至定向耦合器307的輸入端;定向耦合器307將可 調(diào)衰減器305的直通端連接至定向耦合器307的輸入端，將定向耦合器307的直通端連接至 收發(fā)共用天線11;最終經(jīng)收發(fā)共用天線11發(fā)送出去。收發(fā)共用天線11的發(fā)射信號(hào)可表示為： [0093]將定向耦合器307的直通端連接至所述收發(fā)共用天線；最終經(jīng)收發(fā)共用天線發(fā)送 出去。收發(fā)共用天線的發(fā)射信號(hào)可表示為：
[0094] 高二 4 ' (:⑵⑴疋,/;/1 + 4奶） （:2 ):
[0095] 其中，A/是發(fā)射信號(hào)的幅值。
[0096]進(jìn)一步地如圖3所示，太赫茲連續(xù)波接收模塊12包括第二信號(hào)源309、第二功率放 大器310、衰減器311、第三二倍頻器312、次諧波混頻器313、帶通濾波器314、低噪聲放大器 315和檢波器316,太赫茲連續(xù)波接收模塊12用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連 續(xù)波回波信號(hào)。
[0097]具體來說，第二信號(hào)源309是工作頻率為27.475GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：
[0098] S, = A； cos(2;r+ φ.) (3 )
[0099] 其中，A2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時(shí)間，妁為第二信號(hào)源309的初 始相位值。
[0100] 第二功率放大器310對(duì)第二信號(hào)源309的功率進(jìn)行放大，進(jìn)一步地衰減器311將第 二功率放大器310的輸出信號(hào)的功率略衰減以達(dá)到第三二倍頻器312的安全功率輸入范圍； 第三二倍頻器312將衰減器311輸出的信號(hào)進(jìn)行二倍頻至54.95GHz，并將二倍頻后的信號(hào)輸 出至次諧波混頻器313本振端;次諧波混頻器313將定向耦合器307的耦合端連接至次諧波 混頻器313的射頻端，此時(shí)本振端的信號(hào)頻率為109.9GHz，射頻端的信號(hào)頻率為110GHz。次 諧波混頻器313本振端的信號(hào)可表示為
[0101 ] 5,' = A2 'cos(8/t// + Λφ:.) (4 )
[0102] 其中，A/是本振端信號(hào)的幅值。次諧波混頻313射頻端的信號(hào)可表示為：
[0103] S^=A: "costM/Z + M') (5)
[0104] 其中，，心〃是射頻端信號(hào)的幅值，是射頻端信號(hào)的初始相位值。次諧
[0105] 波混頻器313的中頻輸出信號(hào)可表示為：
[0107] 次諧波混頻器313的中頻輸出端連接至帶通濾波器314的輸入端；帶通濾波器314 的中心頻率為100MHz，將次諧波混頻器313的中頻輸出信號(hào)中100MHz以外的雜波濾除，帶通 濾波器314的輸出信號(hào)可表不為：
[0109] 帶通濾波器314的輸出端連接至低噪聲放大器315;將帶通濾波器314的輸出信號(hào) 的噪聲降低并功率放大以提高100MHz中頻信號(hào)的輸出功率，低噪聲放大器315的輸出信號(hào) 可表示為：
[0111]其中，K是低噪聲放大器的放大系數(shù)，是信號(hào)變化的相位值。低噪聲放大器315 能夠使經(jīng)過兩次下變頻的微弱中頻信號(hào)進(jìn)行放大，提高了輸出信號(hào)的信噪比、探測(cè)靈敏度， 然后使用檢波器316將低噪聲放大器315的輸出信號(hào)由交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并將其輸出 信號(hào)被送入數(shù)據(jù)采集和處理模塊。
[0112]如圖4所示，數(shù)據(jù)采集和處理模塊13首先采集回波信號(hào)401，再將回波信號(hào)進(jìn)行數(shù) 據(jù)二維重排402，然后進(jìn)行均值濾波403。圖像處理模塊14先實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化404，再使對(duì) 比度伸展405,然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)406和邊緣銳化407,最終得到二維圖像408。
[0113]如圖5所示，數(shù)據(jù)采集和處理模塊13后生成第一圖像501，圖像處理模塊14中直方 圖均衡化生成第二圖像502,進(jìn)一步通過對(duì)比度伸展生成第三圖像503,進(jìn)一步通過邊緣檢 測(cè)生成第四圖像504,最后通過邊緣銳化生成第五圖像505。
[0114]如圖6所示，利用上述大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)對(duì)被測(cè)對(duì)象的成像過程 包括以下步驟：
[0115] 二維掃描平臺(tái)18移動(dòng)被測(cè)對(duì)象17;
[0116] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊12和收發(fā)共用天線11掃描被測(cè)對(duì)象；
[0117] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊12生成發(fā)射信號(hào)；
[0118] 收發(fā)共用天線11將發(fā)射信號(hào)發(fā)射給被測(cè)對(duì)象17;
[0119] 收發(fā)共用天線11接收被測(cè)對(duì)象17表面返回的回波信號(hào)并將回波信號(hào)發(fā)送給太赫 茲連續(xù)波接收模塊12;
[0120]太赫茲連續(xù)波接收模塊12對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和圖像處理模 塊13;
[0121]數(shù)據(jù)采集和處理模塊13對(duì)來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號(hào)進(jìn)行處理以生成被 測(cè)對(duì)象17的二維成像；
[0122] 圖像處理模塊14,用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊13生成的二維圖像以使圖 像更加清晰；
[0123] 圖像顯示單元15顯示由圖像處理模塊14生成的二維圖像。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:包括有： 收發(fā)共用天線（11)，用于向被測(cè)對(duì)象（17)的被測(cè)表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)并接 收從被測(cè)對(duì)象(17)的被測(cè)表面返回的回波信號(hào)； 二維掃描平臺(tái)（18)，用于在二維平面上固定并移動(dòng)被測(cè)對(duì)象（17); 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊（10)，用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì)象（17)的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信 號(hào)； 太赫茲連續(xù)波接收模塊（12)，用于接收和處理來自收發(fā)共用天線（11)的太赫茲連續(xù)波 回波信號(hào)； TPX透鏡（16)，包括TPX透鏡I (25)和TPX透鏡Π (26)，用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊 (10)發(fā)射的太赫茲連續(xù)波先經(jīng)過TPX透鏡I (25)變成平行的，再經(jīng)過TPX透鏡Π (26)會(huì)聚至 被測(cè)對(duì)象（17)的被測(cè)表面;或者用于將被測(cè)對(duì)象（17)的被測(cè)表面反射的太赫茲連續(xù)波先經(jīng) 過TPX透鏡Π (26)變成平行的，再經(jīng)過TPX透鏡I (25)會(huì)聚至所述收發(fā)共用天線（11); 數(shù)據(jù)采集和處理模塊（13)，用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信號(hào) 以生成被測(cè)對(duì)象(17)的被測(cè)表面(23)的二維圖像； 圖像處理模塊（14)，用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊（13)生成的二維圖像以使圖 像更加清晰； 圖像顯示單元（15)，用于顯示由圖像處理模塊（14)生成的二維圖像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述收 發(fā)共用天線（11)將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(10)的發(fā)射信號(hào)發(fā)射至TPX透鏡1(25)，將太 赫茲連續(xù)波變成平行的；太赫茲波通過TPX透鏡Π (26)，將太赫茲連續(xù)波會(huì)聚至帶有裂隙 (24)的被測(cè)對(duì)象(17)的被測(cè)表面(23)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的 TPX透鏡I (25)與TPX透鏡Π (26)之間的距離小于TPX透鏡（16)的焦距;所述TPX透鏡I (25)與 TPX透鏡Π (26)相對(duì)放置。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊（10)包括第一信號(hào)源(301)、第一功率放大器(302)、第一二倍頻器 (303)、第二二倍頻器(304)、可調(diào)衰減器(305)、隔離器(306)和定向耦合器(307)，太赫茲連 續(xù)波發(fā)射模塊(10)用于生成發(fā)送給被測(cè)對(duì)象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于： 第一信號(hào)源(301)是工作頻率為27.5GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：C1) 其中，Ai表示為初始幅值，h為頻率27.5GHz，t為時(shí)間，抝為第一信號(hào)源(301)的初始相 位值； 第二功率放大器(302)對(duì)第一信號(hào)源(301)的功率進(jìn)行放大以達(dá)到第一二倍頻器(303) 的安全功率輸入范圍，經(jīng)過第一二倍頻器(303)后信號(hào)的頻率達(dá)到55GHz，進(jìn)一步經(jīng)過第二 二倍頻器(304)后信號(hào)的頻率達(dá)到110GHz;第一二倍頻器(303)和第二二倍頻器(304)都是 有源器件，發(fā)射信號(hào)的大功率主要是由這兩個(gè)二倍頻器的轉(zhuǎn)化效率高決定的； 第二二倍頻器(304)將二倍頻后的信號(hào)輸出至可調(diào)衰減器（305);可調(diào)衰減器(305)將 第二二倍頻器(304)的輸出功率通過調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器(305)的旋鈕實(shí)現(xiàn)不同程度的降低，并 將可調(diào)衰減器(305)的輸出信號(hào)輸出至隔離器(306);隔離器(306)將定向耦合器(307)的直 通端返回的回波信號(hào)隔離以防止回波信號(hào)輸入至所述可調(diào)衰減器(305)，可調(diào)衰減器(305) 的輸出端連接至隔離器(306)的輸入端，隔離器(306)的輸出端連接至定向耦合器(307)的 輸入端;定向耦合器(307)將可調(diào)衰減器(305)的直通端連接至定向耦合器(307)的輸入端， 將定向耦合器(307)的直通端連接至收發(fā)共用天線（11);最終經(jīng)收發(fā)共用天線（11)發(fā)送出 去;收發(fā)共用天線（11)的發(fā)射信號(hào)可表示為： 將定向耦合器(307)的直通端連接至所述收發(fā)共用天線；最終經(jīng)收發(fā)共用天線發(fā)送出 去;收發(fā)共用天線的發(fā)射信號(hào)可表示為：(2) 其中，A/是發(fā)射信號(hào)的幅值。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:太赫茲 連續(xù)波接收模塊（12)包括第二信號(hào)源(309)、第二功率放大器(310)、衰減器(311)、第三二 倍頻器(312)、次諧波混頻器(313)、帶通濾波器(314)、低噪聲放大器(315)和檢波器(316)， 太赫茲連續(xù)波接收模塊(12)用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波信號(hào)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于： 所述第二信號(hào)源(309)是工作頻率為27.475GHz的點(diǎn)頻信號(hào)源，可以表示為：(3) 其中，A2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時(shí)間，灼為第二信號(hào)源（309)的初始 相位值； 第二功率放大器(310)對(duì)第二信號(hào)源(309)的功率進(jìn)行放大，進(jìn)一步地衰減器(311)將 第二功率放大器(310)的輸出信號(hào)的功率略衰減以達(dá)到第三二倍頻器(312)的安全功率輸 入范圍；第三二倍頻器(312)將衰減器(311)輸出的信號(hào)進(jìn)行二倍頻至54.95GHz，并將二倍 頻后的信號(hào)輸出至次諧波混頻器(313)本振端;次諧波混頻器(313)將定向耦合器(307)的 耦合端連接至次諧波混頻器(313)的射頻端，此時(shí)本振端的信號(hào)頻率為109.9GHz，射頻端的 信號(hào)頻率為110GHz;次諧波混頻器(313)本振端的信號(hào)可表示為(4) 其中，A/是本振端信號(hào)的幅值;次諧波混頻(313)射頻端的信號(hào)可表示為：(5) 其中，A〃是射頻端信號(hào)的幅值，例'是射頻端信號(hào)的初始相位值;次諧 波混頻器(313)的中頻輸出信號(hào)可表示為：(6) 次諧波混頻器（313)的中頻輸出端連接至帶通濾波器（314)的輸入端；帶通濾波器 (314)的中心頻率為100MHz，將次諧波混頻器(313)的中頻輸出信號(hào)中100MHz以外的雜波濾 除，帶通濾波器(314)的輸出信號(hào)可表示為： (7) 帶通濾波器(314)的輸出端連接至低噪聲放大器(315);將帶通濾波器(314)的輸出信 號(hào)的噪聲降低并功率放大以提高1 OOMHz中頻信號(hào)的輸出功率，低噪聲放大器(315)的輸出 信號(hào)可表不為：(8) 其中，K是低噪聲放大器的放大系數(shù)，是信號(hào)變化的相位值;低噪聲放大器(315)能 夠使經(jīng)過兩次下變頻的微弱中頻信號(hào)進(jìn)行放大，提高了輸出信號(hào)的信噪比、探測(cè)靈敏度，然 后使用檢波器(316)將低噪聲放大器(315)的輸出信號(hào)由交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，并將其輸 出信號(hào)被送入數(shù)據(jù)采集和處理模塊。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 據(jù)采集和處理模塊（13)首先采集回波信號(hào)(401)，再將回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)二維重排(402)， 然后進(jìn)行均值濾波(403);圖像處理模塊（14)先實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化(404)，再使對(duì)比度伸展 (405)，然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)(406)和邊緣銳化(407)，最終得到二維圖像(408)。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù) 據(jù)采集和處理模塊（13)后生成第一圖像(501)，圖像處理模塊（14)中直方圖均衡化生成第 二圖像(502)，進(jìn)一步通過對(duì)比度伸展生成第三圖像(503)，進(jìn)一步通過邊緣檢測(cè)生成第四 圖像(504)，最后通過邊緣銳化生成第五圖像(505)。 (10)、權(quán)利要求1所述一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)的成像過程包括以下步 驟： 二維掃描平臺(tái)（18)移動(dòng)被測(cè)對(duì)象（17); 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(12)和收發(fā)共用天線（11)掃描被測(cè)對(duì)象； 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(12)生成發(fā)射信號(hào)； 收發(fā)共用天線(11)將發(fā)射信號(hào)發(fā)射給被測(cè)對(duì)象(17); 收發(fā)共用天線（11)接收被測(cè)對(duì)象（17)表面返回的回波信號(hào)并將回波信號(hào)發(fā)送給太赫 茲連續(xù)波接收模塊(12); 太赫茲連續(xù)波接收模塊（12)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)送給數(shù)據(jù)采集和圖像處理模塊 (13)； 數(shù)據(jù)采集和處理模塊（13)對(duì)來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號(hào)進(jìn)行處理以生成被測(cè) 對(duì)象(17)的二維成像； 圖像處理模塊（14)，用于進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)采集和處理模塊（13)生成的二維圖像以使圖 像更加清晰； 圖像顯示單元（15)顯示由圖像處理模塊（14)生成的二維圖像。
【文檔編號(hào)】G01S13/89GK105866773SQ201610322075
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】張曉璇, 崔洪亮, 常天英, 賈成艷, 樊偉, 耿國(guó)帥
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)