近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法与流程

本发明涉及一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法。

背景技术：

近年来，随着电子器件的飞速发展，太赫兹探测成为一种重要的应用手段，特别是成像方面，由于其高分辨率在无损探测领域赢得广泛关注。国际上，美国和德国处于研究的领先水平，其中美国喷气推进实验室先后搭建了三套中心频率为0.6thz三维成像系统，带宽分别为8ghz、13ghz和28.8ghz；德国应用科学研究所高频物理和雷达技术实验室最初研制了中心频率为0.2thz，带宽分别为4ghz、8ghz的逆合成孔径三维成像系统，而后2014年在此基础上研制了中心频率0.3thz、带宽44ghz、型号为miranda-300的超高分辨率逆合成孔径成像系统。国内太赫兹成像系统研究也取得了诸多进展，其中成果最显著的是中国工程物理研究院研制的中心频率0.67ghz，带宽28.8ghz的逆合成孔径三维成像系统。从他们设计系统的中心频率和带宽可以看出，大带宽的系统中心频率较高，从而导致成像的平面分辨率和深度分辨率相差较大，甚至数量级不一致。这是因为目前在微波或毫米波频段很难实现大带宽且高信噪比的线性扫频源，目前获得较大带宽的方法是对带宽较窄的直接数字式频率合成器(dds)多次倍频，如德国应用科学研究所miranda-300系统的倍频倍数为144；或是使用相对带宽大的压控振荡器(vco)。对窄带的dds输出频率多次倍频意味着牺牲系统的发射功率、相位噪声、发射信号频率分辨力和稳定性，并增加链路的繁琐性，而vco与dds相比信噪比差，非常影响成像质量。同时，他们设计的系统应用环境是远距离和大范围测试，如高空飞机探测，因此多采用双天线(发射天线和接收天线)平行放置并把两天线看作在同一位置上而忽略两天线之间距离造成的深度距离探测误差，也有系统使用光学元件(分光镜)避免这种检测误差，但是需要附加光路，从而增加系统结构的复杂度且损害工程应用性。除此之外，目前设计系统全部采用分立器件拼接而成，增大了系统体积和复杂度。

因此，需要一种低倍频倍数、探测误差小、稳定性好、分辨率高、相位噪声小、系统结构简单、体积小、可进行小缺陷探伤的近距离无损探测的大宽带太赫兹三维成像系统。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法，本发明基于太赫兹理论和微波射频知识，设计简洁硬件电路通过低倍频倍数产生、接收太赫兹大宽带信号，实现平面和深度分辨率同等数量级的三维成像。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统，包括扫描驱动平台、发射链路、接收链路、整体相参链路、数据采集和处理模块以及显示模块，其中：

所述扫描驱动平台用于放置并在x、y二维方向移动被测对象；

所述发射链路产生并发射宽带的太赫兹射频信号至被测对象；

所述接收链路接收从被测对象的各个x、y二维坐标反射回的回波信号，并产生与射频信号具有固定频率差的本振信号，并与回波信号下变频处理得到测试信号；

所述整体相参链路将射频信号与本振信号下变频处理得到参考信号，将参考信号和测试信号进一步下变频处理得到差频信号；

所述数据采集和处理模块在扫描驱动平台静止于某一坐标后，采集差频信号并存储，然后上传至处理器处理数据，构建三维图像，并将图像交由显示模块显示。

进一步的，所述发射链路、接收链路、整体相参链路与数据采集和处理模块均经信号发生板卡输出的脉冲信号触发后同步工作。

进一步的，所述发射链路包括依次相连的宽带毫米波线性扫频源、第一二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和发射天线，所述第一定向耦合器的直通端连接至发射天线。

进一步的，所述接收链路包括依次相连的宽带毫米波线性扫频源、第二三倍频器、第二定向耦合器、第一次谐波混频器和接收天线，所述第一次谐波混频器本振端接收第二定向耦合器直通端的输出信号和射频端接收所述接收天线的回波信号，中频输出端依次连接第一带通滤波器和第一低噪声放大器。

进一步的，所述宽带毫米波线性扫频源集成在一块电路板上，使用电子开关切换实现频段拼接的方法获得大带宽，包括第一直接数字式频率合成器和第二直接数字式频率合成器，所述频率合成器均具有两个输出端，每个输出端依次通过二倍频器、带通滤波器和放大器连接双刀双掷电子开关的不同管脚，以实现不同的输出值。

进一步的，所述发射天线与接收天线为镜像放置，两天线之间的角度根据两天线之间距离和天线的远场距离确定。

进一步的，所述整体相参链路使得发射链路和接收链路全部有源与无源器件均实现相参。

进一步的，所述整体相参链路包括第二次谐波混频器、第二带通滤波器、第二低噪声放大器和混频器，所述第二定向耦合器与第一定向耦合器的耦合端输出信号分别进入第二次谐波混频器的本振端和射频端，第二次谐波混频器中频输出端依次连接第二带通滤波器、第二低噪声放大器和混频器。

进一步的，所述混频器的射频端和本振端分别接收第二低噪声放大器的输出信号和第一低噪声放大器的输出信号，下变频处理后中频端输出差频信号。

进一步的，所述数据采集和处理模块包括数据采集卡和处理器，数据采集卡采集差频信号、a/d转换并存储，处理器根据扫描驱动平台移动方式进行数据二维重排，然后快速傅立叶变化获得频域信号，然后对幅值和相位补偿，并根据线性调频原理将频率换算为深度距离。

进一步的，所述显示模块连接有处理模块，处理模块根据处理后的数据构建被测对象三维图像，并通过直方图增强、去噪、锐化和边缘检测图像处理算法使图像更加清晰，然后显示三维成像图。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)被测对象置于扫描驱动平台上，沿x和y方向移动，每移动至一位置后停止；

(2)待扫描驱动平台停稳后，信号发生板卡产生脉冲信号触发发射链路、接收链路、整体相参链路和数据采集和处理模块同步开始工作；

(3)发射链路发出发射信号至被测对象，接收链路接收被测对象反射回的回波信号，然后产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

(4)整体相参链路首先将发射信号和本振信号混频得到参考信号，再将参考信号与测试信号混频得到差频信号；

(5)对差频信号进行采集、a/d变换和存储，然后扫描驱动平台移至下一位置，以实现n*m个点的扫描，最终实现整个面的扫描，存储的数据经处理器进行二维数据重排、快速傅里叶变换和补偿处理，根据处理后的数据构建三维图像。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)结构简单，易集成，体积小：宽带毫米波波线性扫频源使用芯片集成在一块电路板上，减少了分立的电子元器件的使用，且太赫兹高频段的倍频器和定向耦合器等分立的电子器件体积小，因此电路结构简单、易实现小体积的集成。

(2)成本较低，且适合工程应用：本发明仅采用电子器件，不使用光学器件(如激光器、分光镜)，既降低了系统的成本，也更方便搬移和用于实际的工程环境。

(3)系统带宽大，倍频倍数少，发射功率较大、相位噪声小、成像分辨率高：本发明采用较少的倍频倍数，获得频率为150.6-210.6ghz的发射信号，相较德国应用科学研究所miranda-300系统由144倍频倍数引起的相位噪声降低了21.6db，带宽高达60ghz，平面分辨率能达到3.12mm，深度分辨率能达到2.5mm，且采用双天线结构比单天线可减少定向耦合器的使用，从而比单天线设计情况下发射功率增大一倍。

(4)测试误差小：双天线采用镜像放置，既可以保障接收的回波信号强度最大而提高成像质量，也可避免双天线平行放置而忽略两天线之间距离导致的误差，从而准确无误的定量计算深度距离。

(5)稳定性好：本发明采用发射链路和接收链路全相参的设计，使所有的有源器件、无源器件的频移和温漂等问题都得到了有效抑制，而目前其他研究单位设计的系统仅仅将部分器件相参，因此本发明设计的系统稳定性具有独特优势。

(6)信噪比高：系统采用主动式太赫兹成像，信噪比远远高于被动式系统，且双天线一发一收比单天线收发共用的信号隔离度大，并采用dds而非vco构成宽带毫米波线性扫频源，也有利于信噪比增强，进而获得更高的成像质量。

(7)应用前景好：根据太赫兹辐射光子能量的安全性及本发明的设计，本发明可以用于各种元件、板材和珍贵物件(如古文物)的近距离无损探伤。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明的硬件电路图；

图3是本发明的宽带毫米波线性扫频源的电路图；

图4是本发明的天线放置的结构示意图；

图5是本发明的成像过程的流程图。

其中，101、发射链路，102、接收链路，103、整体相参链路，104、数据采集和处理模块，105、显示模块，106、被测对象，107、扫描驱动平台；

201、信号发生板卡，202、宽带毫米波线性扫频源，203、第一二倍频器，204、第一三倍频器，205、第一定向耦合器，206、发射天线，207、第二三倍频器，208、第二定向耦合器，209、第一次谐波混频器，210、接收天线，211、第一带通滤波器，212、第一低噪声放大器，213、第二次谐波混频器，214、第二带通滤波器，215、第二低噪声放大器，216、混频器，217、数据采集卡，218、处理器；

301、第一直接数字式频率合成器(dds)，302、第二直接数字式频率合成器(dds)，303、第二二倍频器，304、第三带通滤波器，305、第一功率放大器，306、第三二倍频器，307、第四带通滤波器，308、第二功率放大器，309、第四二倍频器，310、第五带通滤波器，311、第三功率放大器，312、第五二倍频器，313、第六带通滤波器，314、第四功率放大器，315、双刀双掷电子开关。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在大带宽的系统中心频率较高问题，从而导致成像的平面分辨率和深度分辨率相差较大，甚至数量级不一致。这是由于目前在微波或毫米波频段很难实现大带宽且高信噪比的线性扫频源导致的，目前获得较大带宽的方法是对带宽较窄的直接数字式频率合成器(dds)多次倍频；或是使用相对带宽大的压控振荡器(vco)。对窄带的dds输出频率多次倍频意味着牺牲系统的发射功率、相位噪声小、发射信号频率分辨力和稳定性，并增加链路的繁琐性，而vco与dds相比信噪比差，非常影响成像质量。同时，现有系统应用环境是远距离和大范围测试，多采用双天线(发射天线和接收天线)平行放置并把两天线看作在同一位置而忽略两天线之间距离造成的深度距离探测误差，有的系统使用光学元件(分光镜)避免这种检测误差，但是需要附加光路，从而增加系统结构的复杂度且损害工程应用性。除此之外，目前设计系统全部采用分立器件拼接而成，增大了系统体积。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种低倍频倍数、探测误差小、信噪比高、稳定性好、相位噪声小、分辨率高、结构简单、体积小、可进行小缺陷检测的近距离无损探测的大宽带太赫兹三维成像系统。

本申请的一种典型的实施方式中，太赫兹三维成像系统主要分为脉冲和连续波成像。脉冲成像中被测量的物理量是整个太赫兹脉冲的时域波形，时域波形中包含了时间、强度、相位以至于频谱等丰富的信息，经过适当的分析得到样品的太赫兹三维图像。连续波成像分为二维和三维成像，二维成像无时间扫描和频谱分析，只是强度成像，检测能力有限；三维成像相比较更具有研究价值，基于线性调频测距原理，获得被测对象在深度方向的分辨率，采集信号的幅值表征强度。太赫兹脉冲三维成像和连续波三维成像的最大区别是发射功率，脉冲成像系统发射功率为纳瓦数量级，而连续波成像系统发射功率在瓦或毫瓦数量级；除此之外，脉冲成像系统全都采用光学器件构成，结构十分复杂且不适合工程应用，而连续波成像系统依靠电子器件搭建，结构简单易集成。

如图1所示，本发明包括有：扫描驱动平台107用于放置和在x、y二维方向移动被测对象106；

发射链路101产生并发射宽带的太赫兹射频信号至被测对象106；

接收链路102接收从被测对象106各个x、y二维坐标反射回的回波信号，并产生与射频信号具有固定频率差的本振信号，然后与回波信号下变频处理得到测试信号；

整体相参链路103将射频信号与本振信号下变频处理得到参考信号，将参考信号和测试信号进一步下变频处理得到差频信号；

数据采集和处理模块104在扫描驱动平台107静止于某一坐标后，数据采集卡217采集差频信号并存储，然后上传至处理器218处理数据构建三维图像，并将图像交由显示模块105显示。

如图2所示，扫描驱动平台107由坐标原点开始移动，移动至一点后立刻给数据采集和处理模块104中处理器218回送信号，然后处理器218发送指令给信号发生板卡201命其输出脉冲信号给发射链路101、接收链路102和整体相参链路103中宽带毫米波线性扫频源202的触发输入端口及数据采集和处理模块104中数据采集卡217的外触发输入端口实现同步触发工作，此时宽带毫米波线性扫频源202输出宽带线性调频信号，数据采集卡217开始采集整体相参链路103输出的差频信号，然后数据采集和处理模块104发送指令给扫描驱动平台107让其继续移动至第二个点，以此类推，从而实现n*m个点的扫描，最终实现面的扫描。

如图2所示，发射链路101包括宽带毫米波线性扫频源202、第一二倍频器203、第一三倍频器204、第一定向耦合器205和发射天线206。

具体来说，宽带毫米波线性扫频源202中rfout端输出信号的工作频率为25.1～35.1ghz，可以表示为：

其中，a1表示为幅值，f1为频率25.1～35.1ghz，t为时间，为rfout端初始相位。将信号依次输出至第一二倍频器203、第一三倍频器204、第一定向耦合器205，第一耦合器205的直通端连接至发射天线206，将射频信号发射至被测对象106，射频信号可表示为：

其中，a3表示为射频信号的幅值，为射频信号的初始相位。

接收链路102包括宽带毫米波线性扫频源202、第二三倍频器207、第二定向耦合器208、第一次谐波混频器209、接收天线210、第一带通滤波器211和第一低噪声放大器212。

具体来说，宽带毫米波线性扫频源202中loout端输出信号的工作频率为25～35ghz，可以表示为：

其中，a2表示为幅值，f2为频率25～35ghz，为loout端初始相位；将信号依次输出至第二三倍频器207、第二定向耦合器208，第一次谐波混频器209本振端接收第二定向耦合器208直通端输出的本振信号和射频端接收接收天线210的回波信号。本振信号可表示为：

其中，a4表示为本振信号的幅值，为本振信号的初始相位。回波信号可表示为：

其中，a5为回波信号的幅值，δf为差频信号的频率，为回波信号的初始相位。第一次谐波混频器209的中频输出端依次连接第一带通滤波器211和第一低噪声放大器212，第一低噪声放大器212输出测试信号，可表示为：

其中，am表示为测试信号的幅值，f0为宽带毫米波线性扫频源202的rfout端和loout端输出信号的频率差100mhz的6倍即600mhz，为测试信号的初始相位。

如图2所示，整体相参链路103包括第二次谐波混频器213、第二带通滤波器214、第二低噪声放大器215和混频器216。依次连接第二带通滤波器214、第二低噪声放大器215和混频器216。

具体来说，第二定向耦合器208与第一定向耦合器205的耦合端输出信号分别进入第二次谐波混频器216的本振端和射频端，实现本振信号和射频信号混频，第二次谐波混频器216中频端输出参考信号，参考信号可表示为：

其中，ar是参考信号的幅值，是参考信号的相位。

混频器216将本振端的参考信号与射频端的测试信号混频，得到下变频的差频信号，差频信号可表示为：

其中，aδ是差频信号的幅值，是差频信号的相位，并将其输出至数据采集和处理模块104。

如图3所示，宽带毫米波线性扫频源202集成在一块电路板316上，使用电子开关切换实现频段拼接的方法获得大带宽，电子开关切换时间最快可达几纳秒，符合宽带毫米波线性扫频源202的扫描时间要求，包括第一直接数字式频率合成器301(dds)、第二直接数字式频率合成器302(dds)、第二二倍频器303、第三二倍频器306、第四二倍频器309、第五二倍频器312、第三带通滤波器304、第四带通滤波器307、第五带通滤波器310、第六带通滤波器313、第一功率放大器305、第二功率放大器308、第三功率放大器311、第四功率放大器314和双刀双掷电子开关315。

具体来讲，第一直接数字式频率合成器301(dds)有两个输出端o1和o2，第二直接数字式频率合成器302(dds)有两个输出端o3和o4。其中输出端o1输出信号频率为12.55～15.05ghz，依次连接第二二倍频器303、第三带通滤波器304、第一功率放大器305至双刀双掷电子开关315的1号管脚；输出端o2输出信号频率为15.05～17.55ghz，依次连接第三二倍频器306、第四带通滤波器307、第二功率放大器308至双刀双掷电子开关315的3号管脚；输出端o3输出信号频率为12.5～15ghz，依次连接第四二倍频器309、第五带通滤波器310、第三功率放大器311至双刀双掷电子开关315的2号管脚；输出端o4输出信号频率为15～17.5ghz，依次连接第五二倍频器312、第六带通滤波器313、第四功率放大器314至双刀双掷电子开关315的4号管脚。根据双刀双掷电子开关315的快速切换来实现频段拼接，从而获得10ghz的大带宽。双刀双掷电子开关315的5、6号管脚分别为宽带微波线性扫频源202的rfout和loout端口。

如图4所示，发射天线206和接收天线210为频段140～220ghz的喇叭天线，镜像放置，两天线之间距离为d、轴线之间成角度θ，根据测试回波信号与发射信号之间功率差来计算两天线之间最小隔离度，从而通过实验确定合适的距离d。l1根据140～220ghz接收天线210孔径大小设置为10cm，在远场区范围。以被测对象106的后表面为例说明计算距离过程：发射信号和接收信号之间频率差为δf，根据线性调频原理计算得到：

其中，c为光速，t为宽带毫米波线性扫频源202扫描周期，b为系统带宽即60ghz。从而可计算出水平距离l。被测对象106前表面放置于发射天线206和接收天线210轴线交点位置，且与两天线口径中心连线平行。发射天线206和接收天线210镜像放置，发射的射频信号和接收的回波信号均是天线增益较大处，虽然由于被测对象106中裂隙位置和厚度会产生角度β，但是β很小，即使探测被测对象106的后表面，射频信号和回波信号仍十分靠近发射天线206和接收天线210的口径中心，从而大大提高信噪比。

如图5所示，利用上述近距离无损探测的大宽带太赫兹三维成像系统对被测对象的成像过程包括以下步骤：被测对象106置于扫描驱动平台107上，沿x和y方向移动，每移动至一位置后停止；

待扫描驱动平台107停止且稳定后，信号发生板卡201产生脉冲信号触发发射链路101、接收链路102、整体相参链路103和数据采集和处理模块104同步开始工作；

发射链路101发出发射信号至被测对象106，接收链路102接收被测对象106反射回的回波信号，然后产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

整体相参链路103首先将发射信号和本振信号混频得到参考信号，再将参考信号与测试信号混频得到差频信号；数据采集和处理模块104对差频信号进行采集、a/d变换和存储，然后扫描驱动平台107移至下一位置，以此类推，从而实现n*m个点的扫描，最终实现整个面的扫描，存储的数据经处理器218进行二维数据重排、快速傅里叶变换、补偿算法等多种处理，构建三维图像；

显示模块105通过直方图增强、去噪、锐化和边缘检测等图像处理算法使图像更加清晰，然后显示三维成像图。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。