基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法

1.本技术实施例涉及检测的技术领域，具体而言，涉及一种基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法。


背景技术：

2.目前，常用于检测气体的方法有气相色谱法、红外频谱法等，而极性气体分子在太赫兹频段(0.1thz-10thz)内的转动吸收谱峰特征明显，如乙腈与一氧化碳等，其吸收峰表现为特异性，因此还可以利用太赫兹技术实现相关气体检测。
3.但是传统太赫兹气体检测系统往往只能实现空间单点的检测，并且检测过程一般依赖机械延迟线以生成全频段频谱，检测速度难以达到实时性的要求，无法对一些瞬变信号进行有效的检测。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种基于太赫兹漏波天线的实时探测系统以及方法，旨在提高检测气体的实时性。
5.第一方面，本技术实施例提供一种基于太赫兹漏波天线的实时探测系统，所述系统包括控制配电模块、发射模块、漏波天线、反射模块、接收模块以及信号处理模块；
6.所述控制配电模块，用于向所述发射模块、所述接收模块以及所述信号处理模块进行配电，还用于根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号；
7.所述发射模块，用于根据所述目标物质对应的调制信号输出待定目标频段的太赫兹波，并将所述目标频段的太赫兹波馈入所述漏波天线；
8.所述漏波天线，用于将馈入的目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间；
9.所述反射模块，用于将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，以便所述接收模块进行接收；
10.所述接收模块，用于接收经所述反射模块汇聚的太赫兹波，并发送至所述信号处理模块；
11.所述信号处理模块，用于根据所述接收模块发送的所述太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线的频谱-空间分解特性进行反演，确定所述目标物质对于所述漏波天线的实时相对位置。
12.可选地，所述发射模块通过空间馈电或集成馈电的方式馈入所述漏波天线。
13.可选地，所述漏波天线包括太赫兹平行板波导天线或金属波纹漏波天线。
14.可选地，所述反射模块包括椭圆柱面反射镜，所述漏波天线设置在所述椭圆柱面反射镜的一个焦点上，所述接收模块设置在所述椭圆柱面反射镜的另一个焦点上。
15.可选地，所述控制配电模块还包括调制信号生成器，所述调制信号生成器用于生
成所述目标物质对应的高斯调制正弦波信号，或分段正弦调频信号。
16.可选地，所述系统检测的所述目标物质包括在太赫兹频段有吸收特征的气体、固体或者液体。
17.第二方面，本技术实施例提供一种基于太赫兹漏波天线的实时探测方法，应用于基于太赫兹漏波天线的实时探测系统，所述方法包括：
18.根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号；
19.根据所述目标物质对应的调制信号输出目标频段的太赫兹波，并将所述目标频段的太赫兹波馈入漏波天线，通过所述漏波天线将馈入的目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间；
20.将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，以便进行接收，并根据接收的所述太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线的频谱-空间分解特性进行反演，确定所述目标物质对于所述漏波天线的实时相对位置，并估计所述目标物质的运动轨迹。
21.可选地，根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号，包括：
22.响应于针对所述目标物质的吸收特征的输入操作，产生所述目标物质对应的调制信号，并将所述目标频段的太赫兹波馈入漏波天线。
23.可选地，产生所述目标物质对应的调制信号，包括：
24.获取预存的目标查询表，所述目标查询表中包括多个样本物质各自对应的调制信号；
25.从所述目标查询表中，获取与所述目标物质对应的调制信号，以产生所述目标物质对应的调制信号。
26.有益效果：
27.本技术利用目标物质在太赫兹频段的吸收特征，确定目标物质对应的调制信号，通过发射模块将目标物质对应的调制信号对应的目标频段的太赫兹波馈入漏波天线中，漏波天线可以将目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间；然后通过反射模块将自由空间中多个角度的单频太赫兹信号进行汇聚，并由接收模块接收后发送至信号处理模块进行处理，信号处理模块根据接收模块发送的太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线的频谱-空间分解特性进行反演，如果存在目标物质，目标物质会对太赫兹波进行吸收，进而根据反演可以从光谱信息中体现出当前检测范围内目标物质对于漏波天线的实时相对位置。
28.本技术利用目标物质在太赫兹频段的吸收特征，生成目标频段的太赫兹波对目标物质进行检测，与传统的太赫兹气体检测系统依赖机械延迟线以生成全频段频谱的检测方式相比，检测速度更快，可以提高检测实时性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本技术一个实施例提出的实时探测系统的功能模块图；
31.图2是本技术一个实施例提出的实时探测系统的结构示意图；
32.图3是本技术一个实施例提出的乙腈气体对应的高斯调制正弦波信号；
33.图4是本技术一个实施例提出的检测范围内没有乙腈气体时的实时光谱信息示意图；
34.图5是本技术一个实施例提出的检测范围内出现乙腈气体时的实时光谱信息提示图；
35.图6是本技术一个实施例提出的乙腈气体在系统检测范围内的移动示意图。
具体实施方式
36.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
37.常见的气体检测方法包括气相色谱法，红外频谱法等，而极性气体在太赫兹频段(0.1thz-10thz)的吸收峰表现为特异性、重复性的特点，为气体探测提供了独特的指纹谱峰，因此还可利用太赫兹技术实现相关气体检测。
38.太赫兹气体检测方法相比气体色谱仪等化学计量方法具有检测快速，结构简单的优势，相比与红外技术而言，太赫兹对大分子气体得到的吸收峰往往更尖锐，并且线型重叠较少，识别精度高。
39.但是，传统的太赫兹气体检测系统，一般依赖机械延迟线以生成全频段频谱，导致检测速度仍然达不到实时性的要求，无法对一些瞬变信号进行有效的检测，并且由于传统喇叭天线的限制，传统的太赫兹气体检测系统往往仅能实现抽样检测或空间单点检测，与复杂环境下对大范围进行探测的实际需求仍有较大差距。
40.因此，为了提高检测的实时性与增大检测的范围，本技术提供了一种基于太赫兹漏波天线的实时探测系统。
41.参照图1，示出了本发明实施例中的一种基于太赫兹漏波天线的实时探测系统的功能模块图，参照图2，示出了本发明实施例中的系统的结构示意图，如图1和图2，所述系统包括控制配电模块100、发射模块200、漏波天线300、反射模块400、接收模块500以及信号处理模块600；
42.所述控制配电模块100，用于向所述发射模块200、所述接收模块500以及所述信号处理模块600进行配电，还用于根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号。
43.具体的，目标物质可以包括在太赫兹频段有吸收特征的气体、固体或者液体，且不同的目标物质具有独特的指纹谱峰，因此根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，可以确定对应的调制信号。所述控制配电模块100还包括调制信号生成器，所述调制信号生成器用于生成所述目标物质对应的高斯调制正弦波信号，或分段正弦调频信号。
44.以乙腈气体为例，由于乙腈气体的分子构型对称性好，其在太赫兹频段的吸收特征按周期性分布在带宽较窄的频带内，且在大部分频率的太赫兹波频段是没有吸收响应
的，乙腈气体仅在312ghz，331ghz，349ghz，367ghz频率左右有较强的吸收带，进而可以将312ghz，331ghz，349ghz，367ghz四种频率的高斯调制正弦波信号作为调制信号，进而便于利用乙腈气体的吸收特征对乙腈气体的位置进行检测。
45.所述发射模块200，用于根据所述目标物质对应的调制信号输出待定目标频段的太赫兹波，并将所述目标频段的太赫兹波馈入所述漏波天线300。
46.根据目标物质确定对应的调制信号后，控制配电模块100控制发射模块200输出与调制信号对应的目标频段的太赫兹波，发射模块200将目标频段的太赫兹波馈入与之连接的漏波天线300，以便漏波天线300进行辐射。其中，所述发射模块200通过空间馈电或集成馈电的方式将目标频段的太赫兹波馈入所述漏波天线300，在其他实施方式中，发射模块200还可以通过其他方式将目标频段的太赫兹波馈入所述漏波天线300。
47.所述漏波天线300，用于将馈入的目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间。
48.漏波天线300是一种行波天线，属于一种频率扫描天线，具有低成本、低剖面、高增益的优势和天线辐射方向随频率扫描的特性，根据输入信号的频率不同，会将太赫兹波的能量按色散特性辐射到空间的不同角度，从而达到频谱-空间分解的目的，在太赫兹气体探测背景下，对宽频带内频谱信息的获取需求使得漏波天线300的这种频率扫描特性具有较大的应用潜力。
49.利用漏波天线300的频谱-空间分解特性，可以将馈入的目标频段的太赫兹波，以漏波天线300为圆心发射到空间的不同角度，由于并不需要额外的机械转动器件，因此基于漏波天线300可实时地将输入的目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号。
50.本实施方式中，所述漏波天线300包括太赫兹平行板波导天线或金属波纹漏波天线300。
51.所述反射模块400，用于将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，以便所述接收模块500进行接收。
52.具体的，所述反射模块400包括椭圆柱面反射镜，所述漏波天线300设置在所述椭圆柱面反射镜的一个焦点上，所述接收模块500设置在所述椭圆柱面反射镜的另一个焦点上。
53.由于直接对空间中不同角度的信号进行接收需要大量的接收端，其复杂度和成本均很高，本实施例中利用椭圆的光学性质：从一焦点发出的太赫兹波经椭圆柱面反射镜会自动汇聚于另一焦点处。
54.因此将反射模块400设置为椭圆柱面反射镜，并将漏波天线300设置在椭圆柱面反射镜的一个焦点上，将接收模块500设置在所述椭圆柱面反射镜的另一个焦点上，进而可将漏波天线300发出不同角度、不同频率的太赫兹波通过单一并且固定的接收端接收，从而降低系统成本，保证整体系统的稳定性。
55.所述接收模块500，用于接收经所述反射模块400汇聚的太赫兹波，并发送至所述信号处理模块600。
56.由于反射模块400可以将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，因此本实施例中只需要设置一个接收模块500，即可以设置一个接收天线，以接收多个单频
太赫兹信号。
57.所述信号处理模块600，用于根据所述接收模块500发送的所述太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线300的频谱-空间分解特性进行反演，确定所述目标物质对于所述漏波天线300的实时相对位置。
58.信号处理模块600根据接收模块500发送的太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线300的频谱-空间分解特性进行反演，如果存在目标物质，目标物质会对太赫兹波进行吸收，进而根据反演可以从光谱信息中体现出当前检测范围内目标物质对于漏波天线300的实时相对位置。
59.在一种可行的实施方式中，以乙腈气体为例，介绍本系统的检测过程：
60.参照图3，示出了乙腈气体对应的高斯调制正弦波信号，如图3，根据乙腈气体仅在312ghz，331ghz，349ghz，367ghz频率左右有较强的吸收特征，进而控制配电模块100可以将312ghz，331ghz，349ghz，367ghz四种频率的高斯调制正弦波信号作为调制信号，发送模块以调制信号对应的目标频段的太赫兹波对漏波天线300进行馈电。
61.本实施方式中采用太赫兹平行板波导漏波天线，太赫兹平行板波导漏波天线的结构简单，其频谱-空间分解特性为：
62.f＝c0/(2bsinθ)
63.其中，f为目标频段的太赫兹波的频率，c0为光速，b为太赫兹平行板的板间距，θ为太赫兹平行板波导漏波天线辐射至自由空间的角度。
64.已知目标频段的太赫兹波的频率对应分别为312ghz，331ghz，349ghz，367ghz，光速c0已知，本实施方式中板间距b取0.5mm，从而可以计算出由太赫兹平行板波导漏波天线辐射的各单频太赫兹信号的辐射角度对应为74
°
，65
°
，59
°
，55
°
。
65.太赫兹平行板波导漏波天线辐射的多个角度的单频太赫兹信号经椭圆柱面反射镜，反射后被另一焦点处接收模块500接收，接收模块500将椭圆柱面反射镜汇聚的太赫兹波发送至信号处理模块600，信号处理模块600根据接收模块500发送的太赫兹波，得到光谱信息。
66.参照图4示出了检测范围内没有乙腈气体时的实时光谱信息示意图，图5示出了检测范围内出现乙腈气体时的实时光谱信息提示图。图6示出了乙腈气体在系统检测范围内的移动示意图。
67.如图4，如果检测范围内没有出现乙腈气体，各太赫兹信号的实时光谱信息均是完整的，即一个频率的太赫兹信号的光谱信息为图4中一条白线。
68.如图5，信号处理端得到的光谱信息在t1时间，312ghz频率的太赫兹波的实时光谱信息出现明显的下降，即在t1时间时，方向为74
°
的312ghz的太赫兹波因乙腈的强吸收特性而被吸收，图5中312ghz的太赫兹波对应的白线缺损的部分表征该频率的太赫兹波被乙腈吸收，因此，依据漏波天线的频谱-空间分解特性反演可知，目前乙腈气体位置位于漏波天线的74
°
方向。
69.同理，即可完成t2-t4时间下的气体位置检测，依据反演得到的位置信息和时间间隔，还可进一步估计气体的扩散趋势。
70.本技术利用目标物质在太赫兹频段的吸收特征，生成目标频段的太赫兹波对目标物质进行检测，与传统的太赫兹气体检测系统依赖机械延迟线以生成全频段频谱的检测方
式相比，检测速度更快，可以提高检测时的实时性；并且设置反射模块400，可以将自由空间中多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，通过单一并且固定的接收端接收，从而降低系统成本，保证整体系统的稳定性，因此本系统通过简单的装置，提高了检测过程中的实时性。
71.本技术实施例还提供一种基于太赫兹漏波天线的实时探测方法，应用于基于太赫兹漏波天线的实时探测系统，所述方法包括：
72.s101：根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号；
73.s102：根据所述目标物质对应的调制信号输出目标频段的太赫兹波，并将所述目标频段的太赫兹波馈入漏波天线，通过所述漏波天线将馈入的目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间；
74.s103：将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，以进行接收；
75.s104：根据接收的所述太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线的频谱-空间分解特性进行反演，确定所述目标物质对于所述漏波天线的实时相对位置，并估计所述目标物质的运动轨迹。
76.本技术通过根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号，并根据目标物质对应的调制信号输出目标频段的太赫兹波，并将目标频段的太赫兹波通过漏波天线，将目标频段的太赫兹波转换为多个不同角度的单频太赫兹信号，以辐射到自由空间。
77.然后将自由空间内多个不同角度的单频太赫兹信号进行汇聚，以便所述接收模块进行接收，并根据所述接收模块发送的所述太赫兹波，得到光谱信息，基于所述漏波天线的频谱-空间分解特性进行反演，确定所述目标物质对于所述漏波天线的实时相对位置，并估计所述目标物质的运动轨迹。
78.本技术利用目标物质在太赫兹频段的吸收特征，生成目标频段的太赫兹波对目标物质进行检测，与传统的太赫兹气体检测系统依赖机械延迟线以生成全频段频谱的检测方式相比，检测速度更快，可以提高检测时的实时性。
79.可选地，根据目标物质在太赫兹频段的吸收特征，产生所述目标物质对应的调制信号，包括：
80.响应于针对所述目标物质的吸收特征的输入操作，产生所述目标物质对应的调制信号，并将所述目标频段的太赫兹波馈入漏波天线。
81.用户可以输入需要进行检测的目标物质的吸收特征，进而响应于输入操作，可以确定该输入操作对应的目标物质的调制信号。
82.可选地，产生所述目标物质对应的调制信号，包括：
83.获取预存的目标查询表，所述目标查询表中包括多个样本物质各自对应的调制信号；
84.从所述目标查询表中，获取与所述目标物质对应的调制信号，以产生所述目标物质对应的调制信号。
85.可以预先设置目标查询表，对多种样本各自对应的调制信号进行存储，响应于针对所述目标物质的吸收特征的输入操作后，从目标查询表中，获取与目标物质对应的调制
信号，从而便可以产生所述目标物质对应的调制信号。
86.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
87.本领域内的技术人员应明白，本技术实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本技术实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
88.本技术实施例是参照根据本技术实施例的方法、终端设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
89.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
90.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
91.尽管已描述了本技术实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例范围的所有变更和修改。
92.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
93.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。