大功率太赫兹连续波二维成像系统的制作方法

本实用新型涉及太赫兹无损检测技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型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。

本实用新型包括有：

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大器；将带通滤波器的输出信号的噪声降低并功率放大以提高100MHz中频信号的输出功率，低噪声放大器的输出信号可表示为：

其中，K是低噪声放大器的放大系数，是信号变化的相位值。低噪声放大器能够使经过两次下变频的微弱中频信号进行放大，提高了输出信号的信噪比、探测灵敏度，然后使用检波器将低噪声放大器的输出信号由交流信号变为直流信号，并将其输出信号被送入数据采集和处理模块。

数据采集和处理模块首先采集回波信号，再将回波信号进行数据二维重排，然后进行均值滤波。图像处理模块先实现直方图均衡化，再使对比度伸展，然后进行边缘检测和边缘锐化，最终得到二维图像。

数据采集和处理模块后生成第一图像，图像处理模块中直方图均衡化生成第二图像，进一步通过对比度伸展生成第三图像，进一步通过边缘检测生成第四图像，最后通过边缘锐化生成第五图像。

利用上述大功率太赫兹连续波二维成像系统对被测对象的成像过程包括以下步骤：

二维扫描平台移动被测对象；

太赫兹连续波发射模块和收发共用天线扫描被测对象；

太赫兹连续波发射模块生成发射信号；

收发共用天线将发射信号发射给被测对象；

收发共用天线接收被测对象表面返回的回波信号并将回波信号发送给太赫兹连续波接收模块；

太赫兹连续波接收模块对回波信号进行处理并发送给数据采集和图像处理模块；

数据采集和处理模块对来自太赫兹连续波接收模块的信号进行处理以生成被测对象的二维成像；

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；

图像显示单元显示由图像处理模块生成的二维图像。

本实用新型的有益效果：

(1)成本较低：本实用新型利用电子器件而不采用光学元件(除TPX透镜)，大大降低了系统的成本。

(2)结构简单，易集成：本实用新型采用的功率放大器、倍频器和耦合器等器件体积小且系统的电路结构简单，相比之前利用斩波器等器件的成像系统复杂度低。

(3)太赫兹连续波发射模块功率大：太赫兹连续波发射模块的功率值在200mW左右。

(4)成像分辨率高：本实用新型采用倍频方式获得110GHz的频率，使用的倍频器为转换效率高的有源器件，这大大提高了太赫兹连续波发射模块 的发射功率，从而成像分辨率能达到2mm左右。

(5)成像速度快：本实用新型采用太赫兹连续波成像，不需要像太赫兹脉冲成像一样考虑深度和频谱的信息，在成像算法方面也更简单，这大大提高了成像速度。

(6)传输距离远：本实用新型由太赫兹连续波发射模块发射的太赫兹连续波信号在空气中的传输距离能达到近百米。

(7)信噪比高：系统采用主动式太赫兹成像，通过控制各个器件的输出功率范围来提高天线的发射功率，当然，发射功率在安全辐射范围之内，使得回波信号信噪比远远高于被动式太赫兹成像系统接收信号的信噪比，进而获得更高的成像质量。

(8)用途广泛：利用大功率太赫兹连续波二维成像技术高分辨率及结构简单等优点，可以进行各类大型仪器外层损伤的检测，也适用于违禁品的检测。

附图说明

图1是本实用新型的组成框图。

图2是本实用新型的结构示意图。

图3是本实用新型的发射模块和接收模块的电路图。

图4是本实用新型的数据采集和处理模块与图像处理模块中进行的二维成像算法的流程图。

图5是本实用新型的的数据采集和处理模块与图像处理模块成像效果的对比图。

图6是本实用新型的成像过程的流程图。

具体实施方式

太赫兹成像系统主要分为太赫兹脉冲成像和太赫兹连续波成像。太赫兹脉冲成像的基本原理是：从样品反射的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品的复介电常数的空间分布信息。将反射太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的处理和分析得到样品的太赫兹图像。太赫兹连续波成像的基本原理是：连续波源提供比脉冲源更高的辐射强度，其实质是一种强度成像。在对物体成像时，根据物体内部的缺陷或损伤的边缘对太赫兹光的散射效应，从而会影响太赫兹波电磁场的强度分布，反映到物体的太赫兹波图像上显示为明暗即强度的不同，据此可推出物体内部的形状、缺陷或损伤位置。因此，在无需深度和频谱信息的情况下，采用太赫兹连续波成像技术，可以提高太赫兹波成像的速度并降低成像系统的复杂度。

如图1和图2所示，本实用新型包括有：

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Ⅰ25和TPX透镜Ⅱ26，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Ⅰ25变成平行的，再经过TPX透镜Ⅱ26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Ⅱ26变成平行的，再经过TPX透镜Ⅰ25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。

如图2所示，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Ⅰ25，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Ⅱ26，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。

所述的TPX透镜Ⅰ25与TPX透镜Ⅱ26之间的距离小于TPX透镜16的焦距。TPX透镜Ⅰ25与TPX透镜Ⅱ26相同，TPX透镜Ⅰ25与TPX透镜Ⅱ26相对放置。

如图3所示，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。

具体来说，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(选用第一二倍频器303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304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的旋钮实现不同程度的降低，并将可调衰减器305的输出信号输出至隔离器306；隔离器306将定向耦合器307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305，可调衰减器305的输出端连接至隔离器306的输入端，隔离器306的输出端连接至定向耦合器307的输入端；定向耦合器307将可调衰减器305的直通端连接至定向耦合器307的输入端，将定向耦合器307的直通端连接至收发共用天线11；最终经收发共用天线11发送出去。收发共用天线11的发射信号可表示为：

将定向耦合器307的直通端连接至所述收发共用天线；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。

进一步地如图3所示，太赫兹连续波接收模块12包括第二信号源309、第二功率放大器310、衰减器311、第三二倍频器312、次谐波混频器313、带通滤波器314、低噪声放大器315和检波器316，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的太赫兹连续波回波信号。

具体来说，第二信号源309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309的初始相位值。

第二功率放大器310对第二信号源309的功率进行放大，进一步地衰减器311将第二功率放大器310的输出信号的功率略衰减以达到第三二倍频器312的安全功率输入范围；第三二倍频器312将衰减器311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313本振端；次谐波混频器313将定向耦合器307的耦合端连接至次谐波混频器313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313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313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313的中频输出信号可表示为：

次谐波混频器313的中频输出端连接至带通滤波器314的输入端；带通滤波器314的中心频率为100MHz，将次谐波混频器313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314的输出端连接至低噪声放大器315；将带通滤波器314的输出 信号的噪声降低并功率放大以提高100MHz中频信号的输出功率，低噪声放大器315的输出信号可表示为：

其中，K是低噪声放大器的放大系数，是信号变化的相位值。低噪声放大器315能够使经过两次下变频的微弱中频信号进行放大，提高了输出信号的信噪比、探测灵敏度，然后使用检波器316将低噪声放大器315的输出信号由交流信号变为直流信号，并将其输出信号被送入数据采集和处理模块。

如图4所示，数据采集和处理模块13首先采集回波信号401，再将回波信号进行数据二维重排402，然后进行均值滤波403。图像处理模块14先实现直方图均衡化404，再使对比度伸展405，然后进行边缘检测406和边缘锐化407，最终得到二维图像408。

如图5所示，数据采集和处理模块13后生成第一图像501，图像处理模块14中直方图均衡化生成第二图像502，进一步通过对比度伸展生成第三图像503，进一步通过边缘检测生成第四图像504，最后通过边缘锐化生成第五图像505。

如图6所示，利用上述大功率太赫兹连续波二维成像系统对被测对象的成像过程包括以下步骤：

二维扫描平台18移动被测对象17；

太赫兹连续波发射模块12和收发共用天线11扫描被测对象；

太赫兹连续波发射模块12生成发射信号；

收发共用天线11将发射信号发射给被测对象17；

收发共用天线11接收被测对象17表面返回的回波信号并将回波信号发送给太赫兹连续波接收模块12；

太赫兹连续波接收模块12对回波信号进行处理并发送给数据采集和图像处理模块13；

数据采集和处理模块13对来自太赫兹连续波接收模块的信号进行处理以生成被测对象17的二维成像；

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显示由图像处理模块14生成的二维图像。