一种实时太赫兹成像装置及方法与流程

本发明涉及成像技术领域，尤其涉及一种实时太赫兹成像装置及方法。

背景技术：

太赫兹(terahertz)波通常指的是波长在30μm-3mm(即频率为0.1thz-10thz)区间的电磁波，其频段位于微波和红外光之间，具有很多独特的优势，例如高透性、低能量性、选择吸收性等。太赫兹波在安全保安、医疗、食品安全、空间通讯、无损检测和环境监控等领域具有广泛的应用前景。

目前，太赫兹技术已经取得了快速的发展，太赫兹辐射源和太赫兹探测器技术也越来越趋于成熟，相应的太赫兹成像技术也得到了快速发展。现有的太赫兹透射成像装置一般为逐点扫描式，该装置的缺点是由于要对每个像素点逐个扫描，成像速度比较慢。比如，一般情况下采集一个太赫兹光谱需要2048个采样点，得到一个完整的光谱需要时间大约200s，成一个简单的8×8像素的太赫兹图像需要超过3个小时的时间，因此成像效率极为低下，极大的限制了它的应用范围。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种实时太赫兹成像装置及方法，能够实时的进行高效率的太赫兹成像。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种实时太赫兹成像装置，包括，

太赫兹辐射装置(1)，用于产生、发射太赫兹波至斩波器(2)；

斩波器(2)，用于调整太赫兹波的占空比；

电控三维位移载物平台(3)，用于固定待测样品，并调整待测样品位置，使太赫兹波透射待测样品；

光路调整装置(4)，用于将斩波器(2)输出的太赫兹波调整为平行波；照射电控三维位移载物平台(3)上固定的待测样品，将透射待测样品后的平行波进行视场压缩输出到焦平面探测器(5)；

焦平面探测器(5)，用于探测视场压缩后的太赫兹波，进行光电转换输出电信号；

采集处理模组(6)，用于对焦平面探测器(5)输出的电信号进行处理并成像。

进一步地，光路调整装置(4)包括入射光路调整装置(41)和出射光路调整装置(42)，分别位于电控三维位移载物平台(3)两侧；入射光路调整装置(41)用于将斩波器(2)输出的太赫兹波调整为平行波，照射电控三维位移载物平台(3)上固定的待测样品，出射光路调整装置(42)用于将透射待测样品后的平行波进行视场压缩。

通过入射光路调整装置(41)和出射光路调整装置(42)的位置，对太赫兹光路的调整，实现太赫兹成像检测视场面积的改变，并且决定了成像检测分辨率。

进一步地，所述太赫兹辐射装置(1)包括一级辐射源、倍频器和太赫兹波导天线；

所述一级辐射源采用耿氏二极管器件，用于产生太赫兹信号；

所述倍频器，将一级辐射源产生的太赫兹信号倍频得到成像所需的太赫兹信号；

所述太赫兹波导天线，调整倍频器输出的太赫兹波辐射方式后，向外辐射。

进一步地，所述斩波器(2)采用机械旋转调制，包括斩波片、电机以及转速控制装置；

所述转速控制装置根据占空比控制信号控制电机的转速；

所述电机带动所述斩波片转动，

所述斩波片以不同转速对照射斩波片的太赫兹波进行相应占空比调制。

通过斩波器的调制作用，得到所需占空比的太赫兹波，并且由于通过转速进行占空比调制，从而可避免时间长而产生调制参数的漂移。

进一步地，所述电控三维位移载物平台(3)包括用于承载待测样品的载物平台、夹具和微动装置；

所述载物平台在电控信号的控制下，沿x、y两个维度方向移动，或沿待测样品中轴线进行转动；

所述夹具包括位于所述载物平台框架四周的夹板，以及将载物平台与微动装置连接在一起，用于相向夹紧待测样品的连接件；

所述微动装置在控制信号的控制下，对待测样品的位置进行微调。

电控三维位移载物平台通过位置粗调和微调，使太赫兹波准确的照射到待测样品所需照射的位置和角度。

进一步地，所述焦平面探测器(5)为常温自混频焦平面探测器，包括焦平面成像阵面和放大调理阵列；

所述焦平面成像阵面的像元数目为32×32；

所述放大调理阵列的放大调理单元采用与像元分布一致的阵列结构；

所述焦平面成像阵面与放大调理阵列通过瓦片式倒装焊技术进行集成封装；单个放大调理单元与焦平面成像阵面的对应像元之间通过铟柱进行倒桩垂直互连。

通过阵列式成像和放大调理，实现并行太赫兹波信号的探测和处理，大大提高了太赫兹成像的速度，实现实时快速的太赫兹成像。

进一步地，所述采集处理模组(6)包括，

信号调理模块(61)，采用与放大调理阵列分布一致的阵列结构，用于对焦平面探测器感知到的弱信号进行进一步调理，使其达到能够被准确采集的信号强度水平；

信号采集模块(62)，用于对经信号调理模块(61)调理过的电信号进行数据采集；

信号处理模块(63)，用于对信号采集模块(62)采集到的信号进行处理、成像，上传成像结果，通过上位机显示被待测样品的太赫兹图像或者太赫兹影像。

进一步地，还包括控制模块(8)，用于对电控三维位移载物平台(3)进行位置、角度、速度校准和调整，精确控制光路调整装置(4)与电控三维位移载物平台(3)之间的相对位置，使太赫兹波能平行的照射待测样品；使透射待测样品平行波进行视场压缩后能够被焦平面探测器(5)探测到。

一种实时太赫兹成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤s1、开启太赫兹成像装置的电源开关，产生初始的太赫兹波，进行无被测物环境下的自校准，形成标准对比数据库；

步骤s2、使用夹具将被测物固定在载物台上，开始进行检测；

步骤s3、入射光路调整装置(41)的太赫兹光学透镜将初始太赫兹波进行准直性调理，形成平行太赫兹波照射待测样品，待测样品对太赫兹波存在不同程度的反射或者吸收，照射待测样品后的太赫兹电磁场强度发生变化；

步骤s4、照射待测样品后的太赫兹波经出射光路调整装置(42)的太赫兹光学透镜压缩视场后，被太赫兹焦平面探测器(5)接收，将太赫兹波转化为电信号；

步骤s5、电信号输出到采集处理模组(6)，进行信号调理、采集和成像处理后，根据需求生成被检测物品的太赫兹图像或者太赫兹影像。

进一步地，步骤s5中的成像处理包括两种成像模式，

模式1为对待测样品的截面图进行二维识别，生成待测样品二维图像；

模式2为对待测样品通过多角度截面进行合成，生成待测样品三维图像。

本发明有益效果如下：

本发明公开的实时太赫兹成像装置及方法为工作在太赫兹频段的实时快速成像装置，采用了太赫兹焦平面成像阵列和与成像阵列相对应的阵列式的调理电路的设计，响应速度在5μs左右，成像系统响应速度在小于30ms，整个成像装置可进行快速太赫兹成像，帧频在26hz以上。本发明的实时太赫兹成像装置具备一定的被测物品外部轮廓三维重塑能力，可有效提高被测物品的识别正确率。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中的实时太赫兹成像装置结构示意图；

图2为本发明实施例中的实时太赫兹成像方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

本发明的一个具体实施例，公开了一种实时太赫兹成像装置，基于焦平面成像芯片实现太赫兹实时成像。

如图1所示，包括，

太赫兹辐射装置1，用于产生和发射太赫兹波；

斩波器2，用于对太赫兹辐射装置1产生的太赫兹波的占空比进行调制；

电控三维位移载物平台3，用于固定待测样品，并调整待测样品位置，使太赫兹波透射待测样品；

光路调整装置4，用于将斩波器2输出的太赫兹波调整为平行波；照射电控三维位移载物平台3上固定的待测样品，将透射待测样品后的平行波进行视场压缩输出到焦平面探测器5；

焦平面探测器5，用于探测太赫兹光路调整装置4输出的视场压缩的太赫兹波，进行光电转换将太赫兹波转换为电信号；

采集处理模组6，用于对太赫兹焦平面探测器5输出太赫兹弱信号进行放大采集，并根据对应的电信号进行成像。

可选的，光路调整装置4包括，包括入射光路调整装置41和出射光路调整装置42，分别位于电控三维位移载物平台3两侧；

具体的，入射光路调整装置41和出射光路调整装置42分别包括太赫兹透镜和相应的光学支架；

入射光路调整装置41位于斩波器2与电控三维位移载物平台3之间，用于将斩波器2调制过的太赫兹辐射信号整形成为平行波，照射电控三维位移载物平台3固定的待测样品；

出射光路调整装置42位于电控三维位移载物平台3与焦平面探测器5之间；用于将从电控三维位移载物平台3上固定的待测样品照射后的平行波进行视场压缩，从而映射到太赫兹焦平面探测器5的有源感应区。

通过入射光路调整装置41和出射光路调整装置42位置的调整，可实现对太赫兹光路调整，实现太赫兹成像检测视场面积的改变，并且决定了成像检测分辨率。

可选的，太赫兹辐射装置1包括一级辐射源、倍频器和太赫兹波导天线

其中，一级辐射源采用耿氏二极管器件；用来产生的太赫兹信号输出到倍频器；

倍频器，将一级辐射源产生的太赫兹信号倍频得到成像所需的太赫兹信号；

太赫兹波导天线，调整倍频器输出的太赫兹波辐射方式后，向外辐射。

可选的，用于对辐射信号占空比进行调制得斩波器2可采用机械旋转调制或者电源ttl调制来实现。

特殊的，当采用机械旋转调制时，斩波器2包括斩波片、电机以及转速控制装置。

转速控制装置根据占空比控制信号控制电机的转速；

电机带动所述斩波片转动，

斩波片以不同转速对照射斩波片的太赫兹波进行相应占空比调制。

通过斩波器的调制作用，得到所需占空比的太赫兹波，并且由于通过转速进行占空比调制，从而可避免时间长而产生调制参数的漂移。

具体的，电控三维位移载物平台3包括用于承载待测样品的载物平台、夹具和微动装置；

一般情况下利用夹具将待测样品与载物平台固定在一起；

其中，载物平台在电控信号的控制下，沿x、y两个维度方向移动，或沿被测物品中轴线进行转动；

所述夹具包括位于所述载物平台框架四周的夹板，以及将载物平台与微动装置连接在一起，用于相向夹紧待测样品的连接件；

所述微动装置在控制信号的控制下，对待测样品的位置进行微调。

电控三维位移载物平台通过位置粗调和微调，使太赫兹波准确的照射到待测样品所需照射的位置和角度。

具体的，焦平面探测器5用于采集穿过所述物品后的透射太赫兹波，并转换为电信号发送至信号处理模块6。

可选的，太赫兹焦平面探测器5采用常温自混频焦平面探测器，但不局限于该种机制的太赫兹探测器；

太赫兹焦平面探测器5包括焦平面成像阵面和放大调理阵列；

其中，焦平面成像阵面为定制芯片，其阵列结构与敏感芯片像元阵列结构分布一致，均为n×n结构阵元，这样的结构设计易于与敏感芯片集成；敏感芯片与放大调理阵列按照要求通过瓦片式倒装焊技术进行集成封装；其中，单个放大单元与焦平面成像阵面像元之间通过铟柱进行倒桩垂直互连；

可选的，平面探测器5阵面像元数目为32×32，但不局限于该数目；

具体的，采集处理模组6，由多个处理器(cpu、mpu)、数字信号处理器(dsp)或者现场可编程门阵列(fpga)实现。

进一步的，太赫兹弱信号采集处理模组6包括：

信号调理模块61，采用与放大调理阵列分布一致的阵列结构，用于对焦平面探测器感知到的弱信号进行进一步调理，使其达到能够被准确采集的信号强度水平；

其中，调理包括信号放大、滤波和整形。

信号采集模块62，用于对经信号调理模块61调理过的电信号进行数据采集。

信号处理模块63，用于对信号采集模块62采集到的信号进行处理、成像，上传成像结果，通过上位机显示被待测样品的太赫兹图像或者太赫兹影像。

特殊的，本实施例的实时太赫兹成像装置还包括电源模块7，通过ttl供电的工作方式，用于对太赫兹辐射源的工作进行调制，进而对太赫兹辐射源产生的信号进行调制，并向信号采集处理模组6提供参考信号。

特殊的，本实施例的实时太赫兹成像装置还包括控制模块8，用于对电控三维位移载物平台3进行位置、角度、速度校准和调整，保证光路调整装置4与电控三维位移载物平台3之间的相对位置精确可控。

通过控制模块8的调整，协调太赫兹焦平面成像芯片与被测物之间的位置角度，形成精确的相关位置角度信息，并将该信息准确反馈至太赫兹弱信号采集处理模组6。

通过调整电控三维位移载物平台3的位置以及角度，对被测物的不同角度截面进行成像，形成与被测物角度信息相关的图像信息。通过图像合成算法，生成被测物的三维立体成像图形，大大提升可疑物品识别成功率。

本发明实施例提供了一种实时太赫兹成像方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤s1、开启太赫兹成像装置的电源开关，装置产生初始的太赫兹波，进行无被测物环境下的自校准，形成标准对比数据库；

步骤s2、使用夹具将被测物固定在载物台上，开始进行检测；

步骤s3、入射光路调整装置41的太赫兹光学透镜将初始太赫兹波进行准直性调理，形成平行太赫兹波照射待测样品，待测样品对太赫兹波存在不同程度的反射或者吸收，照射待测样品后的太赫兹电磁场强度发生变化；

步骤s4、照射待测样品后的太赫兹波经出射光路调整装置42的太赫兹光学透镜压缩视场后，被太赫兹焦平面探测器5接收，将太赫兹波转化为包含待测样品图像信息的电信号；

步骤s5、电信号输出到采集处理模组6，进行信号调理、采集和处理模后，根据需求生成被检测物品的太赫兹图像或者太赫兹影像。

具体包括，

1)对焦平面探测器感知到的弱信号进行进一步调理，使其达到能够被准确采集的信号强度水平；

采用与放大调理阵列分布一致阵列结构的信号调理模块，对焦平面探测器感知到的包含待测样品图像信息的弱信号进行进一步调理，使其达到能够被准确采集的信号强度水平；

具体的，信号调理模块的信号调理包括信号放大、滤波和整形；通过对数放大的方式使调理后信号的幅度更加均衡，通过滤波和整形，消除信号中的毛刺和噪声，便于后续的信号采集；

2)对调理输出的电信号进行数据采集；

其中数据采集对阵列结构的信号调理模块输出的多路信号分别进行ad变换得到数字化信号；

3)对数据采集到的数字化信号进行成像处理，将成像结果上传到上位机，进行太赫兹图像显示，

进一步地，将多幅太赫兹图像进行按一定顺序连接显示形成太赫兹影像。

所述成像处理包括两种成像模式，

模式1为对于轮廓简单，易于识别的被测物，通过截面图进行二维识别；生成待测样品二维图像；在模式1中需按照所成太赫兹图像的图像格式，对数字化信号进行数据转换，使其满足图像格式的要求。

模式2为对于轮廓结构较为复杂、二维图像方式很难识别的被测物；通过多角度截面合成的方式，生成待测样品三维图像，进行高准确度识别。由于模式2生成及处理的信息远超模式1，因此，模式2物品检测所需的时间也将会远超模式1。

特殊的，模式2的三维图像合成功能中，可通过事先获得标准测试样品的图像样本集，分成训练样本集和测试样本集，对三位图像的合成进行机器学习，得到三维图像合成模型，采用得到的三维图像合成模型对三维图进行像合，以提升被测物检测速度和检测正确率。

综上所述，本实施例公开的实时太赫兹成像装置及方法为工作在太赫兹频段的实时快速成像装置，采用了太赫兹焦平面阵列成像和阵列式调理电路的设计，响应速度在5μs左右，成像系统响应速度在小于30ms，整个成像装置可进行快速太赫兹成像，帧频在26hz以上。本实施例的实时太赫兹成像装置具备一定的被测物品外部轮廓三维重塑能力，可有效提高被测物品的识别正确率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。