双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法
【专利摘要】本发明公开了一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法，包括焦平面阵列接收机、分光装置、频分复用读出模块和系统控制模块。太赫兹信号经分光装置处理后输出到KID探测器阵列，复用读出模块产生的多音信号输入到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列，KID探测器阵列的输出多音信号经宽带低温低噪声放大器处理后输出到频分复用读出模块进行实时频谱处理。系统控制模块控制分光装置和频分复用读出模块，并读取宽带连续谱信号幅度、频谱信号干涉图，对干涉图进行中低分辨率频谱处理，及对读取的信号进行多维太赫兹图像信号处理。本发明可进行太赫兹信号宽带连续谱和中低分辨率谱图像高灵敏探测技术，实现太赫兹信号多维图像探测。
【专利说明】双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太赫兹信号多维图像探测装置，具体涉及一种基于KID (KineticInductance Detector)探测器阵列双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像高灵敏探测装置和基于该探测装置的太赫兹信号多维图像探测方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹一般定义为0.1~10THZ频率区间，太赫兹单天线望远镜是开展太赫兹天文观测研究的观测主要设备，其最重要的优点是采用焦平面阵接收机进行天体观测对象的高效率成图观测。目前，APEX、ASTE, CCAT, JMCT等地面单天线太赫兹望远镜系统，以及HerSChel、JAXA、SPICA、SOFIA空间或机载太赫兹/远红外望远镜等都配备或计划配备焦平面阵列接收机。我国正在积极推进中国南极天文台计划，拟建设的5m太赫兹望远也计划配备焦平面阵列接收机。单天线望远镜焦平面阵列接收机有两种类型:超外差混频器阵列接收机和直接检波阵列接收机。太赫兹超外差混频器阵列(如超导SIS、HEB混频器)可实现高灵敏度和高频率分辨率的分子谱线成图观测，但其探测灵敏度受量子极限噪声限制。随着超外差混频器阵列像元的增加，系统复杂性(包括本振参考信号源功率耦合和分配，低温中频电路以及超导混频器偏置电路链接和布局等)亦随之增加，因此发展更大规模(Ik以上)的超外差混频器阵列将面临巨大的技术挑战。太赫兹直接检波阵列(如Bolometer、超导HEB、STJ、TES、KID探测器等)其探测灵敏度不受量子极限噪声限制，可实现背景极限的高灵敏度宽带连续谱观测，且直接检波阵列接收机无需本振信号源，没有了信号耦合和分配、以及大规模的中频电路功耗和电路链接等问题，因此采用太赫兹直接检波阵列可构建比超外差混频器阵列规模更大、集成度更高的焦平面阵列接收机，实现更高灵敏度太赫兹信号图像的探测。
[0003]太赫兹超外差混频器阵列焦平面接收机可进行天体的高频率分辨频谱图像观测，却难于实现其宽带连续谱成图像观测。与之相比，太赫兹直接检波阵列平面接收机可实现天体的宽带连续谱成图像观测，却难于实现其高分辨频谱图像观测。也就是说，采用以上两种阵列接收机，无法实现天体包括连续谱和频谱的多维图像观测。将直接检波焦平面阵列与傅立叶分光光谱仪相结合，可为天体的多维图像观测提供了新的技术手段，并在很大程度上弥补了超外差混频器阵列和直接检波阵列这两种焦平面接收机单一形式图像探测技术的不足。
[0004]目前，采用直接检波焦平面阵列与傅立叶分光光谱仪相结合的图像探测技术，主要应用于太赫兹天文频谱图像观测研究，其中欧空局主导的Herschel卫星SPIRE设备是一个典型例子。该设备包含了一个工作在200-670微米波段成像傅立叶分光频谱仪IFTS(Imaging Fourier Transform Spectrometer),焦平面阵列米用半导体Bolometer探测器，像元数为56。JCMT太赫兹望远镜装备的SCUBA-2 IFTS采用了 SPIRE傅立叶分光频谱仪同样的光路设计，工作在450微米和850微米波段。其升级版SCUBA-2 FTS-2则采用超导TES探测器，像元数约3200 (SCUBA-2探测器规模为10k)。JAXA太赫兹/远红外空间望远镜配备的AKARI/IFS-FTS成像傅立叶分光频谱仪，其工作波段覆盖70-170微米，采用Ge:Ga光电导体探测器，像元数为75。另外，计划配备于SPICE太赫兹空间望远镜中的成像傅立叶分光频谱仪设备SAFARI，拟采用超导TES探测器，工作波段覆盖34-210微米，像元数约为4000。
[0005]在以上应用于太赫兹天文观测研究的太赫兹成像傅立叶分光频谱仪设备中直接检波探测器采用半导体Bolometer探测器、光电导体Ge: Ga探测器或超导TES探测器。直接检波器阵列的偏置读出电路多采用时分复用技术，典型超导TES探测器读出电路需为每一个探测器配备SQUID放大器(Bolometer和Ge: Ga探测器读出电路与之类似)，这将存在与超外差混频器阵列接收机类似的问题，即随着焦平面探测器阵列规模的增加，读出电路集成同样将面临技术挑战。另外，该类探测器对制冷设备性能要求较高，因为该类探测器对环境工作温度较为敏感，需在其临界温度以下的低温环境中才能正常工作。因此，发展超大规模的太赫兹直接检波焦平面阵列成像傅立叶分光频谱仪设备，必将存在系统集成技术上的瓶颈问题。近年来，一种探测灵敏度与超导TES探测器相当的超导KID(Kinetic InductanceDetector)探测器技术发展迅速(其探测灵敏度NEP?1(T18W/HZ0.5量级)，并具有广泛的应用前景。与超导TES以及半导体Bolometer探测器工作原理不同，超导KID探测在接受外部信号辐射时，该探测器微波谐振器的特性频率和品质因子Q发生了变化，这种变化代表了外部辐射信号信息，且微波谐振器可实现高Q值设计，仅仅通过一条传输线并结合频分复用读出电路，即可同时获取大规模KID探测器阵列输出，这将有利于超导KID探测器阵列推广应用、以及大规模系统集成。
[0006]针对前述的基于Bolometer、超导TES探测器成像傅立叶分光频谱仪设备在频谱成图探测技术存在的不足，以及超导KID探测器的技术优点，尚需开发一种太赫兹信号图像探测新技术，实现包括宽带(相对带宽优于10%)连续谱和中低分辨率()频谱的太赫兹信号多维图像高灵敏探测。
【发明内容】
[0007]本发明的基本原理是:采用超导KID探测器阵列应用于成像傅立叶分光频谱仪中，进行太赫兹信号多维图像探测时，涉及到多次频谱处理技术。当进行太赫兹连续谱图像探测时，KID探测器阵列输出的多路信号的同时读出，通过频分复用读出电路读取信号的频谱来实现，此过程涉及频谱处理技术(一次傅立叶变换)；当进行太赫兹信号频谱图像探测时，将从KID探测器阵列频分复用读出电路输出的频谱中读取多个信号的干涉图。对读取的干涉图，需再次进行傅立叶变换，完成太赫兹频谱图像探测，此过程同样涉及频谱处理技术(需二次傅立叶变换)。即基于KID探测器阵列成像傅立叶分光频谱仪进行包括连续谱图像探测，或是进行频谱图像探测，其探测技术均涉及傅立叶变换。
[0008]本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其包括:
焦平面阵列接收机，用于探测太赫兹信号，包括KID探测器阵列和用于将KID探测器阵列的多音信号进行放大并输出的宽带低温低噪声放大器；
分光装置，用于将太赫兹信号分成具有光程差的两个波束，并将所述两个波束汇聚后输出到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列； 频分复用读出模块，用于向焦平面阵列接收机模块提供多音信号和对焦平面阵列接收机的输出信号进行频谱处理，包括用于产生等幅值基带多音信号的激励信号产生单元、对所述基带多音信号进行混频处理后使其频率和功率满足KID探测器阵列输入要求的并输入到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列的及对焦平面阵列接收机的宽带低温低噪声放大器输出信号进行混频处理至基带并输出的中频电路处理单元、对中频电路处理单元的输出信号进行傅立叶变换频谱处理的实时频谱处理单元；
系统控制模块，其与分光装置连接，用于控制分光装置输出波束的光程差；与频分复用读出模块连接，对从频分复用读出模块的实时频谱处理单元中读取的连续谱信号幅度和频谱信号的干涉图，并进行空域和频域处理形成太赫兹信号多维图像其中，所述中频电路处理单元包括:
上变频电路，将激励信号产生单元产生的基带多音信号进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，使得每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对上变频后的多音信号功率进行调节，带宽进行带通滤波限制，使变频后的多音信号的频率和功率满足KID探测器阵列的输入要求；
下变频电路，将宽带低温低噪声放大器输出的多音信号进行混频处理下变频至基带，对其功率进行调节，对下变频后的宽带多音信号进行低通限制并输出。
[0009]进一步地,所述分光装置为Michelson干涉仪,包括设置在光路上的固定平面镜、用于调节光程差的可移动平面镜和分离波束或汇聚波束的波束分离器。
[0010]进一步地，所述KID探测器阵列的像元数为nXm，其中n、m为大于等于2的整数，优选地为n、m均为8，即KID探测器阵列包括64个像元。
[0011]进一步地,所述KID探测器阵列为准光型高灵敏度超导KID (Kinetic InductanceDetector)直接检波器阵列。
[0012]本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测方法，包括以下步骤:
步骤1、产生等幅值多音信号，包括步骤:
SlA系统控制模块发出信号控制激励信号产生单元以产生等幅值基带多音信号；
SlB等幅值基带多音信号经中频电路处理单元的上变频电路进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对上变频后的多音信号的功率进行调节、带宽进行带通滤波限制，输出频率和功率满足KID探测器阵列输入要求的等幅值多音信号，所述等幅值多音信号输入到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列；
步骤2太赫兹信号分光处理，太赫兹信号进入Michelson干涉仪模块后在其波束分离器处被分成两个波束，两个波束经过可移动平面镜和固定平面镜反射后在波束分离器处汇聚成具有光程差的波束并输出到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列；
步骤3太赫兹信号宽带连续谱探测，包括步骤:
S3A系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块中的可移动平面镜移至使太赫兹信号由Michelson干涉仪模块的波束分离器分出的两个波束的光程差为零的位置；S3B KID探测器阵列接受太赫兹信号辐射，其微波谐振器特性发生改变，导致加载其上的等幅值多音信号的幅度和相位发生变化，KID探测器阵列输出该变化的多音信号经宽带低温低噪声放大器处理后传输至中频电路处理单元的下变频电路经下变频处理至基带再对其功率进行调节、带宽低通限制后输出供后续频谱处理；
S3C频分复用读出模块的实时频谱处理单元对下变频电路输出的基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，并将多音信号的幅度以频谱的方式进行输出，得到太赫兹信号强度信息；
S3D系统控制模块读出实时频谱处理单元处理后的KID探测器阵列探测的太赫兹信号强度信息并与系统控制模块记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF (On The Fly)技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹宽带连续谱图像。
[0013]步骤4太赫兹信号中低分辨频谱探测，包括步骤:
S4A系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块的可移动平面镜不断地移动，并记录可移动平面镜位置信息。太赫兹信号由波束分离器分离的两个波束产生干涉强度随光程差变化而变化的多条干涉波纹，KID探测器阵列同时将探测到的多条干涉条纹信号经宽带低温低噪声放大器进行干涉条纹信号处理，频分复用读出模块读出的经放大处理后的多条干涉条纹信号并通过中频电路处理单元的下变频电路下变频处理成基带信号；
S4B实时频谱处理单元对频分复用读出模块内置的频分复用读出电路读出的经下变频处理的基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，从输出频谱中同时获取多条干涉条纹信号;
S4C系统控制模块从频分复用读出模块的实时频谱处理单元中读出经频谱处理的多条干涉条纹信号再次进行傅立叶变换的频谱处理，获取太赫兹信号的中低分辨率频谱信息，并将处理后的中低分辨率频谱信息数据与系统控制模块记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹信号中低分辨的太赫兹信号频谱图像；
步骤5太赫兹信号多维图像探测
系统控制模块根据步骤3中探测的太赫兹信号连续谱图像和步骤4中探测的太赫兹信号频谱图像，进行太赫兹信号空间位置、对应的连续谱图像数据、频谱图像数据一一进行成图处理，得到多维图像，生成太赫兹信号多维图像探测。
[0014]进一步地，在步骤S3C中实时频谱处理单元采用加权交叠累加法对基带信号进行高动态和高频率分辨率的实时傅立叶变换频谱处理，对处理后的实时频谱进行功率谱积分进一步提高信号频谱信噪比，降低读出的数据量。
[0015]进一步地，步骤S4B中频分复用读出模块的实时频谱处理单元输出多条干涉条纹，先对所述多条干涉条纹采用改进型的Mertz方法进行相位校准，并通过StrongNorton-Beer加权函数进行预处理，而后进行傅立叶变换频谱处理，同时获取多条干涉条纹信号对应的中低分辨率频谱。
[0016]本发明的基于KID探测器阵列双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置分为宽带连续谱成像探测和中低分辨率频谱图像探测两个子系统。焦平面接收机模块、频分复用电路模块以及系统控制模块等构成宽带连续谱图像探测子系统，进行太赫兹信号连续谱图像探测Wichelson干涉仪模块、焦平面接收机模块、频分复用电路模块以及系统控制模块等构成中低分辨率频谱图像探测子系统，进行太赫兹信号频谱图像探测。基于超导KID探测器阵列焦平面接收机，完成了太赫兹信号宽带连续谱图像和太赫兹中低分辨率谱图像高灵敏探测技术，实现太赫兹信号多维图像探测。
[0017]本发明装置采用太赫兹频段高灵敏度超导KID探测器阵列焦平面接收机，系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块中的可移动平面镜移至使太赫兹信号由Michelson干涉仪模块的波束分离器分出的两个波束的光程差为零的位置，本发明装置处在宽带连续谱图像探测子系统状态，实现太赫兹宽带连续谱图像探测，其连续谱成图探测效率提高至单个接收像元的nXm倍，且观测数据质量更好(多像元观测同时修正大气等系统外干扰的影响，比单像元不同时间段干扰修正效果更好)，同时每个超导KID探测器可实现超过10%射频带宽连续谱信号检测。系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块的可移动平面镜不断地移动，太赫兹信号由波束分离器分离的两个波束产生干涉强度随光程差变化而变化的多条干涉波纹，本发明装置处在中低分辨率频谱图像探测子系统，可实现分辨率为100量级的()太赫兹信号频谱多维图像探测，同样频谱成图探测效率提高至单个接收像元的nXm倍。另外，采用探测器阵列频分复用的双傅立叶变换频谱读出和处理技术，简化了系统规模，为发展超大规模焦平面阵列接收机集成系统的提供必要的硬件基础。
[0018]有益效果
基于超导KID探测器阵列焦平面接收机系统中，集成了太赫兹信号宽带连续谱图像和太赫兹中低分辨率频谱图像高灵敏探测技术，实现太赫兹信号多维图像探测。
[0019]采用探测器阵列频分复用的实时频谱处理和读出技术，简化了系统规模，为发展超大规模焦平面阵列接收机集成系统的提供必要的硬件基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1本发明探测装置的原理图。
【具体实施方式】
[0021]为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明做进一步的介绍。
[0022]如图1所示，一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其包括:
焦平面阵列接收机2，用于探测太赫兹信号，包括KID探测器阵列21和用于将KID探测器阵列的梳状信号进行放大并输出的宽带低温低噪声放大器22 ;焦平面阵列接收机的KID探测器阵列的像元数为nXm，其中n、m为大于等于2的整数，优选地为n、m均为8，即KID探测器阵列包括64个像元。KID探测器为准光型高灵敏度超导KID直接检波器探测器。
[0023]分光装置优先地为Michelson干涉仪，包括设置在光路上的固定平面镜、用于调节光程差的可移动平面镜和分离波束或汇聚波束的波束分离器。太赫兹信号进入Michelson干涉仪模块后在波束分离器处被分成两个波束，两个波束经过可移动平面镜和固定平面镜反射后在波束分离器处汇聚成具有光程差的波束并输出到焦平面阵列接收机2的KID探测器阵列21。
[0024]频分复用读出模块3，用于向焦平面阵列接收机模块2提供多音信号和对焦平面阵列接收机2的输出信号进行频谱处理。频分复用读出模块3内置频分复用读出电路；频分复用读出模块3包括激励信号产生单元31、中频电路处理单元32和实时频谱处理单元33;所述激励信号产生单元31用于产生等幅值基带多音信号，优选地采用安捷伦M8190A任意波形发生器。所述实时频谱处理单元33对中频电路处理单元32的输出信号进行傅立叶变换实时频谱处理。双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置采用频分复用实时频谱处理技术及后续干涉条纹频谱处理，简化了信号传输连接和系统规模，为发展超大规模焦平面阵列接收机集成系统开展多维图像探测的提供必要的硬件基础。
[0025]其中中频电路处理单元32包括上变频电路32A和下变频电路32B，上变频电路32A，将激励信号产生单元31产生的基带多音信号进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，使得每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对上变频后的多音信号功率进行调节、带宽进行带通滤波限制，使变频后的多音信号的频率和功率满足KID探测器阵列21的输入要求；下变频电路32B，将宽带低温低噪声放大器22输出的多音信号进行混频处理下变频至基带，对其功率进行调节，对下变频后的宽带多音信号进行低通限制并输出。
[0026]系统控制模块4,其与Michelson干涉仪模块I连接,控制Michelson干涉仪模块I的可移动平面镜12的移动并记录可移动平面镜12的位置；太赫兹信号进入Michelson干涉仪模块后在其波束分离器处被分成两个波束，两个波束经过可移动平面镜和固定平面镜反射后在波束分离器处汇聚成具有光程差的波束并输出，即输出随光程差变化而变化的太赫兹信号干涉条纹。系统控制模块4与频分复用读出模块3连接，对从频分复用读出模块3的实时频谱处理单元33中读取的经傅立叶变换的连续谱信号幅度和频谱信号的干涉图，并对其进行空域和频域处理形成太赫兹多维图像。
[0027]本发明的焦平面接收机模块2、频分复用电路模块3以及系统控制模块4等构成宽带连续谱图像探测子系统，进行太赫兹信号连续谱图像探测Wichelson干涉仪模块1、焦平面接收机模块2、频分复用电路模块3以及系统控制模块4等构成中低分辨率频谱图像探测子系统，进行太赫兹信号频谱图像探测。基于超导KID探测器阵列焦平面接收机，完成了太赫兹信号宽带连续谱图像和太赫兹信号中低分辨率频谱图像高灵敏探测技术，实现太赫兹信号多维图像探测。采用KID探测器阵列可以实现太赫兹信号连续谱图像和太赫兹中低分辨率频谱图像探测。
[0028]基于本发明装置的一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测方法，包括以下步骤:
步骤1、产生等幅值多音信号，包括步骤:
SlA系统控制模块4发出信号控制激励信号产生单元31以产生等幅值基带多音信
号;
SlB等幅值基带多音信号经中频电路处理单元32的上变频电路32A进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对上变频后的多音信号的功率进行调节，带宽进行带通滤波限制，输出频率和功率满足KID探测器阵列21输入要求的等幅值多音信号，所述等幅值多音信号输入到焦平面阵列接收机模块2的KID探测器阵列21 ；
步骤2太赫兹信号分光处理，太赫兹信号进入Michelson干涉仪模块I后在其波束分离器11处被分两个波束，两个波束经过可移动平面镜12和固定平面镜13反射后在波束分离器11处汇聚具有光程差的波束，所述两波束形成干涉条纹，并输出到焦平面阵列接收机模块2的KID探测器阵列21 ； 步骤3太赫兹信号宽带连续谱探测，包括步骤:
S3A系统控制模块4发出信号控制Michelson干涉仪模块I中的可移动平面镜移12至使太赫兹信号由Michelson干涉仪模块的波束分离器11分出的两个波束的光程差为零的位置；
S3B KID探测器阵列21接受太赫兹信号辐射，其微波谐振器特性发生改变，导致加载其上的等幅值多音信号的幅度和相位发生变化，KID探测器阵列21输出该变化的多音信号经宽带低温低噪声放大器处理后传输至中频电路处理单元32的下变频电路32B经下变频处理至基带再对其功率进行调节、带宽低通限制后输出供后续频谱处理；
S3C频分复用读出模块3的实时频谱处理单元33采用加权交叠累加法对下变频电路32B输出的基带信号进行高动态和高频率分辨率的实时傅立叶变换频谱处理，对处理后的实时频谱进行功率谱积分进一步提高信号频谱信噪比，降低读出的数据量，并将处理后的多音信号的幅度以频谱的方式进行输出，得到太赫兹信号强度信息；
S3D系统控制模块4读出实时频谱处理单元33处理后的KID探测器阵列21探测的太赫兹信号强度信息并与系统控制模块4记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹宽带连续谱图像。
[0029]步骤4太赫兹信号中低分辨频谱探测，包括步骤:
S4A系统控制模块4发出信号控制Michelson干涉仪模块I的可移动平面镜12不断地移动，并记录可移动平面镜的位置信息。太赫兹信号由波束分离器11分离的两个波束产生干涉强度随光程差变化而变化的多条干涉波纹，KID探测器阵列21同时将探测到的多条干涉条纹信号经宽带低温低噪声放大器22进行干涉条纹信号处理，频分复用读出模块3读出的经放大处理后的多条干涉条纹信号并通过中频电路处理单元32的下变频电路32B下变频处理成基带信号；
S4B实时频谱处理单元对频分复用读出模块的中频信号处理单元的下变频电路输出的基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，从输出频谱中同时获取多条干涉条纹信号；
S4C系统控制模块4从频分复用读出模块3的实时频谱处理单元33中读出经频谱处理的多条干涉条纹信号，先对所述多条干涉条纹信号采用改进型的Mertz方法进行相位校准，并通过Strong Norton-Beer加权函数进行预处理,而后再次进行傅立叶变换的频谱处理，同时获取太赫兹信号的多条干涉条纹信号对应的中低分辨率频谱信息，并将处理后的中低分辨率频谱信息数据与系统控制模块4记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹信号中低分辨的太赫兹信号频谱图像；步骤5太赫兹信号多维图像探测
系统控制模块4根据步骤3中探测的太赫兹信号连续谱图像和步骤4中探测的太赫兹信号频谱图像，进行太赫兹信号空间位置、对应的连续谱图像数据、频谱图像数据一一进行成图处理，得到多维图像，生成太赫兹信号多维图像探测。
[0030]本发明装置采用太赫兹频段高灵敏度超导KID探测器阵列焦平面接收机。系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块中的可移动平面镜移至使太赫兹信号由Michelson干涉仪模块的波束分离器分出的两个波束的光程差为零的位置，太赫兹信号经过Michelson干涉仪模块后直接被KID探测器阵列接收，谐振器特性特发生变化，KID探测器阵列将该变化的梳状信号经宽带低温低噪声放大器输出至中频电路处理单元经下变频电路下变频至基带后供后续频谱处理。实时频谱处理单元对基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，并将多音信号的幅度以频谱的方式进行输出，从而得出了被探测信号的强度信号。系统控制模块对KID探测器阵列的信号强度信息通过系统控制模块记录的位置信息一一对应，再采用天文观测OTF技术中网格重整(去除KID探测器阵列的焦平面接收机系统效应)的进一步成像处理，到太赫兹宽带连续谱图像。本发明装置处在宽带连续谱图像探测子系统状态，实现太赫兹宽带连续谱图像探测，由于采用多像元KID探测器阵列则其连续谱成图探测效率提高至单个接收像元的nXm倍，多像元观测同时修正大气等系统外干扰的影响，比单像元不同时间段干扰修正效果更好，且观测数据质量更好，同时每个超导KID探测器可实现超过10%射频带宽连续谱信号检测。
[0031]系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块的可移动平面镜不断地移动，太赫兹信号由波束分离器分离的两个波束产生干涉强度随光程差变化而变化的多条干涉波纹，超导KID探测器阵列探测干涉波纹信号经中频电路处理单元下变频处理，并在实时频谱处理单元进行实时频谱处理，从输出频谱中同时获取多条干涉条纹，频分复用读出模块内置的频分复用读出电路从KID探测器阵列读出所有干涉条纹，实时频谱处理单元对其进行傅立叶变换频谱处理，系统控制模块从频分复用读出模块读出多个干涉图再次进行傅立叶变换的频谱处理，可获取信号的太赫兹信号中低分辨率频谱信息，并将处理后的频谱图像数据，与系统控制模块记录的位置信息一一对应，再采用天文观测OTF技术中网格重整(去除KID探测器阵列系统效应)的进一步成像处理，即可得到太赫兹信号中低分辨的频谱图像。本发明装置处在中低分辨率频谱图像探测子系统，可实现分辨率为100量级的()太赫兹信号频谱多维图像探测，同样频谱成图探测效率提高至单个接收像元的nXm倍。另夕卜，采用探测器阵列频分复用的傅立叶变换频谱处理和读出技术，简化了系统规模，为发展超大规模焦平面阵列接收机集成系统开展太赫兹信号多维图像探测的提供必要的硬件基础。
[0032]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其特征在于，包括: 焦平面阵列接收机，用于探测太赫兹信号，包括KID探测器阵列和用于将KID探测器阵列的多音信号进行放大并输出的宽带低温低噪声放大器； 分光装置，用于将太赫兹信号分成具有光程差的两个波束，并将所述两个波束汇聚后输出到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列； 频分复用读出模块，用于向焦平面阵列接收机模块提供多音信号和对焦平面阵列接收机的输出信号进行实时频谱处理，包括用于产生等幅值基带多音信号的激励信号产生单元、对所述基带多音信号进行混频处理后使其频率和功率满足KID探测器阵列输入要求的并输入到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列的及对焦平面阵列接收机的宽带低温低噪声放大器输出信号进行混频处理至基带并输出的中频电路处理单元、对中频电路处理单元的输出信号进行傅立叶变换频谱处理的实时频谱处理单元； 系统控制模块，其与分光装置连接，用于控制分光装置输出波束的光程差；与频分复用读出模块连接，对从频分复用读出模块的实时频谱处理单元中读取的连续谱信号幅度和频谱信号的干涉图，并进行空域和频域处理形成太赫兹信号多维图像。
2.根据权利要求1所述的双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其特征在于，所述中频电路处理单元包括: 上变频电路，将激励信号产生单元产生的基带多音信号进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，使得每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对上变频后的多音信号功率进行调节、带宽进行带通滤波限制，使变频后的多音信号的频率和 功率满足KID探测器阵列的输入要求； 下变频电路，将宽带低温低噪声放大器输出的多音信号进行混频处理下变频至基带，对其功率进行调节，对下变频后的宽带多音信号进行低通限制并输出。
3.根据权利要求2所述的双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其特征在于:所述分光装置为Michelson干涉仪，包括设置在光路上的固定平面镜、用于调节光程差的可移动平面镜和分离波束或汇聚波束的波束分离器。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置，其特征在于:所述KID探测器阵列的像元数为nxm，其中n、m为大于等于2的整数。
5.一种双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1、产生等幅值多音信号，包括步骤: SlA系统控制模块发出信号控制激励信号产生单元以产生等幅值基带多音信号； SlB等幅值基带多音信号经中频电路处理单元的上变频电路进行混频处理上变频至KID探测器微波谐振器的工作频段，每个多音信号频率经上变频后与KID探测器微波谐振器谐振频率一一对应，并对多音信号的功率进行调节，输出频率和功率满足KID探测器阵列输入要求的等幅值多音信号，所述等幅值多音信号输入到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列； 步骤2太赫兹信号分光处理，太赫兹信号进入Michelson干涉仪模块后在其波束分离器处被分成两个波束，两个波束经过可移动平面镜和固定平面镜反射后在波束分离器处汇聚成具有光程差的波束并输出到焦平面阵列接收机的KID探测器阵列； 步骤3太赫兹信号宽带连续谱探测，包括步骤:S3A系统控制模块发出信号控制Michelson干涉仪模块中的可移动平面镜移至使太赫兹信号由Michelson干涉仪模块的波束分离器分出的两个波束的光程差为零的位置； S3B KID探测器阵列接受太赫兹信号辐射，其微波谐振器特性发生改变，导致加载其上的等幅值多音信号的幅度和相位发生变化，KID探测器阵列输出该变化的多音信号经宽带低温低噪声放大器处理后，传输至中频电路处理单元的下变频电路，经下变频处理至基带再对其功率进行调节、带宽低通限制后输出供后续频谱处理； S3C频分复用读出模块的实时频谱处理单元对下变频电路输出的基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，并将多音信号的幅度以频谱的方式进行输出，得到太赫兹信号强度信息； S3D系统控制模块读出实时频谱处理单元处理后的KID探测器阵列探测的太赫兹信号强度信息并与系统控制模块记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹宽带连续谱图像； 步骤4太赫兹信号中低分辨频谱探测，包括步骤: S4A系统控制模块发出信号控 制Michelson干涉仪模块的可移动平面镜不断地移动，并记录可移动平面镜位置信息；太赫兹信号由波束分离器分离的两个波束产生干涉强度随光程差变化而变化的干涉波纹，KID探测器阵列同时将探测到的多条干涉条纹信号经宽带低温低噪声放大器进行干涉条纹信号低噪声放大处理，频分复用读出模块读出的经低噪声放大处理后的多条干涉条纹信号并通过中频电路处理单元的下变频电路下变频处理成基带信号； S4B实时频谱处理单元对频分复用读出模块的中频信号处理单元的下变频电路输出的基带信号进行实时傅立叶变换频谱处理，从输出频谱中同时获取多条干涉条纹信号； S4C系统控制模块从频分复用读出模块的实时频谱处理单元中读出经频谱处理的多条干涉条纹信号再次进行傅立叶变换的频谱处理，获取太赫兹信号的中低分辨率频谱信息，并将处理后的中低分辨率频谱信息数据与系统控制模块记录的位置信息一一对应，采用天文观测OTF技术中网格重整技术进一步成像处理，得到太赫兹信号中低分辨的太赫兹信号频谱图像； 步骤5太赫兹信号多维图像探测 系统控制模块根据步骤3中探测的太赫兹信号连续谱图像和步骤4中探测的太赫兹信号频谱图像，进行太赫兹信号空间位置、对应的连续谱图像数据、频谱图像数据一一进行成图处理，得到多维图像，生成太赫兹信号多维图像探测。
6.根据权利要求5所述的双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测方法，其特征在于，在步骤S3C中实时频谱处理单元采用加权交叠累加法对基带信号进行高动态和高频率分辨率的实时傅立叶变换频谱处理，对处理后的实时频谱进行功率谱积分进一步提高信号频谱信噪比，降低读出的数据量。
7.根据权利要求5所述的双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测方法，其特征在于，步骤S4B中频分复用读出模块的实时频谱处理单元输出多条干涉条纹，先对所述多条干涉条纹采用改进型的Mertz方法进行相位校准,并通过Strong Norton-Beer加权函数进行预处理，而后进行傅立叶变换频谱处理，同时获取多条干涉条纹信号对应的中低分辨率频谱。
【文档编号】G01J3/28GK103940510SQ201410130392
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】史生才, 林镇辉, 李婧 申请人:中国科学院紫金山天文台