專利名稱：具有譜特征的太赫茲快速成像裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及具有譜特征的太赫茲快速成像裝置及其方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz，1THz＝1012Hz)輻射通常是指頻率范圍為0.1THz到10THz的電磁輻射波，它在電磁波譜中占有一個(gè)很特殊的位置，具有一系列特殊性質(zhì)和重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。這一波段位于電子學(xué)與光學(xué)的交界處，與其它波段的電磁波相比，THz電磁波具有如下特點(diǎn)(1)THz波的波長(zhǎng)處于毫米波及紅外光之間，它能夠深入到許多有機(jī)材料內(nèi)部而不傷害材料，這使太赫茲成像非常適合用來(lái)生物樣品檢測(cè)及安全檢測(cè)。(2)THz波段中包含了大多數(shù)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)能階，這使許多有機(jī)分子在THz頻段內(nèi)具有特征譜。因此，可以通過(guò)THz譜線特征有效地識(shí)別有機(jī)分子，這在遙感、醫(yī)藥成份檢測(cè)、安全檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
目前，用來(lái)成像技術(shù)的太赫茲波源主要有(1)使用飛秒激光激發(fā)的脈沖THz。由于脈沖信號(hào)具較寬的頻譜，因此它適合于頻譜分析，但是目前脈沖THz波波束質(zhì)量差，探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，用其成像其圖像分辨率低而且速度很慢。(2)Gunns二極管發(fā)射的連續(xù)THz波。Gunns二極管輸出功率較高，成像系統(tǒng)質(zhì)量高而且速度快，但Gunns目前很難做到高頻，而且頻率不可調(diào)，無(wú)法應(yīng)用于譜分析。(3)量子級(jí)聯(lián)激光器。量子級(jí)聯(lián)激光器可能在未來(lái)THz應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，但目前其運(yùn)行還需要低溫冷卻(液氦或液氮)，而且低頻輸出(＜2THz)極為困難，頻率可調(diào)范圍小。(4)返波振蕩器(BWO)。BWO的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)調(diào)諧及采用不同的返波管或利用倍頻可選擇不同的輸出頻率，其輸出頻率目前可覆蓋0.1～1.5THz，并具有很高的頻率分辨率(其窄頻線寬為1-10MHz)。此外，由于輸出波的空間質(zhì)量較好，可以獲得很高的成像空間分辨率。但目前BWO的應(yīng)用，或用于頻譜分析，或用于成像檢測(cè)，而將THz頻譜分析與空間成像結(jié)合起來(lái)，快速地得到具有頻譜特征的THz圖像，來(lái)判斷物體形狀和檢測(cè)特定化學(xué)物質(zhì)的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)這樣快速有效的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能快速有效檢測(cè)爆炸物質(zhì)、違禁藥品以及其它危險(xiǎn)物品(如刀具)的具有譜特征的太赫茲快速成像裝置及其方法。
具有譜特征的太赫茲快速成像裝置計(jì)算機(jī)分別與D/A轉(zhuǎn)換器和二維移動(dòng)平臺(tái)相連接；D/A轉(zhuǎn)換器與返波振蕩器、斬波器、平面反射鏡、離軸拋物鏡、二維移動(dòng)平臺(tái)、離軸拋物鏡、THz探測(cè)器、鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。
所述的離軸拋物鏡為四個(gè)，其中，兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到待測(cè)物體上，另外兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到THz探測(cè)器上。
具有譜特征的太赫茲快速成像方法預(yù)先把掃描空間平均劃分成若干子區(qū)域，在把每個(gè)子區(qū)域空間均分成若干個(gè)像素點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的像素用不同的THz波頻率進(jìn)行編碼；然后按設(shè)定的頻率編碼用THz波掃描待測(cè)物體，獲得待測(cè)物體的帶有譜特征的THz圖像。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是把THz頻譜分析與空間成像相結(jié)合，成像速度快，空間分辨率和頻譜分辨率高，對(duì)物品識(shí)別快，而且可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)譜分辨率和空間分辨率以及掃描頻段來(lái)檢測(cè)不同物質(zhì)和滿足其它檢測(cè)要求。


附圖是具有譜特征的太赫茲快速成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中計(jì)算機(jī)1、D/A轉(zhuǎn)換器2、返波振蕩器3、斬波器4、平面反射鏡5、離軸拋物鏡6、THz探測(cè)器7、鎖相放大器8、A/D轉(zhuǎn)換器9、二維電動(dòng)位移平臺(tái)10。
具體實(shí)施例方式
如附圖所示，具有譜特征的太赫茲快速成像裝置計(jì)算機(jī)1分別與D/A轉(zhuǎn)換器2和二維移動(dòng)平臺(tái)10相連接；D/A轉(zhuǎn)換器2與返波振蕩器3、斬波器4、平面反射鏡5、離軸拋物鏡6、二維移動(dòng)平臺(tái)10、離軸拋物鏡6、THz探測(cè)器7、鎖相放大器8、A/D轉(zhuǎn)換器9與計(jì)算機(jī)1相連。
所述的離軸拋物鏡6為四個(gè)，其中，兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到待測(cè)物體上，另外兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到THz探測(cè)器上。
本發(fā)明主要是利用可調(diào)諧的BWO為高品質(zhì)THz源，采用頻率對(duì)空間編碼掃描同時(shí)獲得物體形狀信息和頻譜信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用計(jì)算機(jī)對(duì)輸出頻率進(jìn)行調(diào)制和對(duì)樣品進(jìn)行二維掃描控制，把掃描空間(面積為S)平均劃分成N個(gè)子區(qū)域，每個(gè)子區(qū)域再均分成M像素點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制使子區(qū)域的每個(gè)像素點(diǎn)掃描一個(gè)特定頻率(即對(duì)子區(qū)域空間進(jìn)行頻率編碼)，每個(gè)子區(qū)域都掃過(guò)相同的BWO輸出頻段R。在BWO輸出波的頻率分辨極限(幾MHz)和空間分辨極限(約500微米)允許的范圍內(nèi)，通過(guò)圖像合成和處理，可以獲得頻譜分辨率為(R/M)，空間分辨率為[S/(N×M)]的圖像。通過(guò)對(duì)抽取可疑物體頻譜進(jìn)行分析，應(yīng)用特征提取、模式識(shí)別等算法，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的識(shí)別。系統(tǒng)單個(gè)特征物質(zhì)(炸藥或違禁藥物)最小檢測(cè)尺度為[S/N]，其它物質(zhì)最小檢測(cè)尺度為[S/(N×M)]。
系統(tǒng)裝置及參數(shù)設(shè)置如下返波振蕩器可選擇美國(guó)Microtech的BWO返波振蕩器或俄羅斯ELVA公司的SMW-xx系列產(chǎn)品，其中返波管需要根據(jù)實(shí)際需要檢測(cè)的物質(zhì)選擇相應(yīng)的型號(hào)，其可調(diào)諧頻率要覆蓋所需檢測(cè)物質(zhì)的頻率特征峰。由于單個(gè)THz返波管的可調(diào)諧的頻帶寬度達(dá)0.2GHz～0.3GHz，控制返波振蕩器輸出頻率的D/A轉(zhuǎn)換器需要16位，輸出電壓為0～10V，使BWO頻率改變最小步長(zhǎng)可接近于輸出的窄頻線寬，因此，D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器采用16位和16通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，如ADI公司的AD5360數(shù)模轉(zhuǎn)換卡。斬波器的頻率極限與探測(cè)器的探測(cè)響應(yīng)速度有關(guān)(如采用焦熱電探測(cè)器，斬波器頻率可設(shè)置為300Hz)，如斬波器和鎖相放大器可分別選上海瞬渺光電公司的SR540和SR510。鎖相時(shí)間可設(shè)置為10ms，則系統(tǒng)掃描的速度為33個(gè)像素/秒，THz輸出波經(jīng)過(guò)兩個(gè)離軸拋物鏡準(zhǔn)直聚焦在被掃描的物品上，其成像焦斑尺寸約500微米左右。二維位移平臺(tái)需用計(jì)算機(jī)可控制的二維電動(dòng)位移平臺(tái)，其最小移動(dòng)精度可根據(jù)實(shí)際需要和成本選擇。
工作原理和過(guò)程如下計(jì)算機(jī)先根據(jù)需要把待測(cè)的物體空間分成足夠多的小區(qū)域，并對(duì)小區(qū)域空間進(jìn)行頻率編碼。計(jì)算機(jī)根據(jù)編碼相應(yīng)控制BWO掃描的頻率及通過(guò)二維位移平臺(tái)控制掃描的物體的位置。經(jīng)過(guò)斬波的THz波再經(jīng)兩個(gè)離軸拋物鏡反射聚焦在相應(yīng)物體的部位，透射的THz波再經(jīng)過(guò)兩個(gè)離軸拋物鏡聚焦到一個(gè)THz探測(cè)器上，探測(cè)器件將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，與斬波器的脈沖信號(hào)一起送到鎖相放大器，進(jìn)行鎖相放大。放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸給計(jì)算機(jī)。掃描完成后，在計(jì)算機(jī)上可獲得物體不同頻率THz透射率圖像，通過(guò)對(duì)圖像的圖像處理和譜特征分析，則可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊物品(炸藥、違禁藥物)的識(shí)別?？色@得的系統(tǒng)成像速度優(yōu)于30pixels/s，空間分辨率可優(yōu)于500微米。
實(shí)施例1含旋風(fēng)炸藥(三甲基三硝基胺爆炸物)物質(zhì)的檢測(cè)選擇Microtech出售的BWOs，其中返波管型號(hào)選為QS-400ov81(頻率在0.6-0.9THz頻段可調(diào)諧)，計(jì)算機(jī)控制BWO輸出波在0.70-0.75THz頻段內(nèi)改變。如需掃描0.5米×0.5米尺寸的物體時(shí)，先預(yù)設(shè)計(jì)算機(jī)把掃描空間平均分成50×50格，每個(gè)小格分成50×50個(gè)像素，每個(gè)像素點(diǎn)掃頻段內(nèi)的一個(gè)頻率，一個(gè)小格面積掃描完0.70-0.75THz頻段，則可得掃描的最小頻譜分辨率為20MHz。通過(guò)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制BWO的輸出頻率和樣品二維位移平臺(tái)，使相應(yīng)頻率的THz波聚焦在預(yù)設(shè)的樣品位置(像素點(diǎn))，通過(guò)數(shù)據(jù)采集及圖像處理可獲得攜帶THz譜信息的圖像。因像素點(diǎn)間的間距小于成像焦斑尺寸(0.5mm)，獲得的圖像空間分辨率優(yōu)于0.5mm。通過(guò)圖像處理，可以判別物體的形狀。旋風(fēng)炸藥(三甲基三硝基胺)及混合此種物質(zhì)的C-4等烈性混合炸藥(已知存在特征峰有0.72THz)吸收特征峰落于BWO輸出波的頻段范圍內(nèi)，系統(tǒng)能有效檢測(cè)出含三甲基三硝基胺的物體，其能分辨的單個(gè)炸藥最小尺度小于1厘米。因此系統(tǒng)能有效檢測(cè)出危險(xiǎn)物及爆炸物的外形特征和烈性炸藥成分，同時(shí)兼顧了掃描速度及分辨率，其速度是對(duì)物體逐點(diǎn)譜分析速度的400倍。
實(shí)施例2甲基苯丙胺(冰毒)物質(zhì)的檢測(cè)選擇Microtech出售的BWOs，其中返波管型號(hào)選為QS-260ov84(頻率在1.0-1.25THz頻段可調(diào)諧)，計(jì)算機(jī)控制BWO輸出波在1.17-1.22THz頻段內(nèi)改變。如掃描0.2米×0.2米尺寸的郵寄物品時(shí)，把掃描空間分成40×40格，每個(gè)小格分成10×10個(gè)像素，頻譜分辨率在500MHz。對(duì)所獲得圖像進(jìn)行數(shù)字處理，空間分辨率可達(dá)到0.5mm。甲基苯丙胺存在已知特征峰1.2THz，而其它形狀相似非違禁藥如阿斯匹林(臨近的特征峰在1.4THz左右)、糖粉(臨近的特征峰在1.44THz)等，其譜峰在系統(tǒng)掃頻范圍之外，因而系統(tǒng)能有效檢測(cè)出冰毒，同時(shí)給出盛放冰毒容器的外形。單個(gè)冰毒最小可檢測(cè)尺度小于5mm，速度是對(duì)物體逐點(diǎn)譜分析速度的100倍。
權(quán)利要求
1.一種具有譜特征的太赫茲快速成像裝置，其特征在于計(jì)算機(jī)(1)分別與D/A轉(zhuǎn)換器(2)和二維移動(dòng)平臺(tái)(10)相連接；D/A轉(zhuǎn)換器(2)與返波振蕩器(3)、斬波器(4)、平面反射鏡(5)、離軸拋物鏡(6)、二維電動(dòng)位移平臺(tái)(10)、離軸拋物鏡(6)、THz探測(cè)器(7)、鎖相放大器(8)、A/D轉(zhuǎn)換器(9)與計(jì)算機(jī)(1)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有譜特征的太赫茲快速成像裝置，其特征在于所述的離軸拋物鏡(6)為四個(gè)，其中，兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到待測(cè)物體上，另外兩個(gè)離軸拋物鏡是把THz波聚焦到THz探測(cè)器上。
3.一種具有譜特征的太赫茲快速成像方法，其特征在于預(yù)先把掃描空間平均劃分成若干子區(qū)域，在把每個(gè)子區(qū)域空間均分成若干個(gè)像素點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的像素用不同的THz波頻率進(jìn)行編碼；然后按設(shè)定的頻率編碼用THz波掃描待測(cè)物體，獲得待測(cè)物體的帶有譜特征的THz圖像。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有譜特征的太赫茲快速成像裝置及其方法。裝置計(jì)算機(jī)分別與D/A轉(zhuǎn)換器和二維移動(dòng)平臺(tái)相連接；D/A轉(zhuǎn)換器與返波振蕩器、斬波器、平面反射鏡、離軸拋物鏡、二維移動(dòng)平臺(tái)、離軸拋物鏡、THz探測(cè)器、鎖相放大器、A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。方法預(yù)先把掃描空間平均劃分成若干子區(qū)域，在把每個(gè)子區(qū)域空間均分成若干個(gè)像素點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)子區(qū)域內(nèi)的像素用不同的THz波頻率進(jìn)行編碼；然后按設(shè)定的頻率編碼用THz波掃描待測(cè)物體，獲得待測(cè)物體的帶有譜特征的THz圖像。本發(fā)明把THz頻譜分析與空間成像相結(jié)合，成像速度快，空間分辨率和頻譜分辨率高，對(duì)物品識(shí)別快，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)譜分辨率和空間分辨率以及掃描頻段來(lái)檢測(cè)不同物質(zhì)和滿足其它檢測(cè)要求。
文檔編號(hào)G01N23/04GK1940542SQ200610053630
公開(kāi)日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2006年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月27日
發(fā)明者汪偉, 何金龍, 洪治 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院