大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，包括收發(fā)共用天線，二維掃描平臺、太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊、太赫茲連續(xù)波接收模塊、TPX透鏡、數據采集和處理模塊、圖像處理模塊和圖像顯示單元。本發(fā)明具有頻率在太赫茲波段，發(fā)射模塊發(fā)射功率高，系統(tǒng)結構簡單、體積小，分辨率高等優(yōu)勢。
【專利說明】
大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及太赫茲無損檢測技術領域，特別涉及一種大功率主動式太赫茲連續(xù)波 二維高分辨率成像的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 一般稱謂的太赫茲波段，其頻率范圍為0.1 THz到10THZ(波長從0.03mm到3mm);在 有些場合特指〇.3THz到3THz，還有些時候被賦予一種廣義的定義，其頻率范圍可包含高達 1 OOTHz的波，這包括整個中、遠紅外波段。在電磁波譜中，太赫茲波位于微波和遠紅外波之 間，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。在電子學領域里，這一波段的電磁波又被稱 為毫米波或亞毫米波;在光譜學領域，它也被稱為遠紅外射線。
[0003] 自然界中擁有大量的太赫茲輻射源，比如我們身邊絕大多數物體的熱輻射都在太 赫茲波段。但是，由于缺乏太赫茲波段的高效率的發(fā)射源和靈敏的探測器，太赫茲波段的電 磁輻射沒有得到像微波和遠紅外波一樣深入的研究。太赫茲波之所以引起我們濃厚的研究 興趣，并不僅僅因為它是一類廣泛存在但還不為人所熟知的電磁輻射，更重要的原因是它 具有很多獨特的性質。具體來說，太赫茲波主要具有以下幾個特點：
[0004] 1、太赫茲波對于很多介電材料和非極性的液體有良好的穿透性。太赫茲輻射的一 個很有吸引力的應用前景就是作為X射線成像和超聲波成像技術的補充，用于安全檢查或 者在質量控制中進行無損探傷。
[0005] 2、太赫茲技術具有高安全性，相比于X射線具有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射 的光子能量只有毫電子伏的數量級。太赫茲波的光子能量低于各種化學鍵的鍵能，因此它 不會引起有害的電離反應。
[0006] 3、太赫茲波段包含了豐富的光譜信息。大量的分子，尤其是有機分子，由于其轉動 和振動(包括集體震動）的躍迀，在這一頻段表現出強烈的吸收和色散特性。
[0007] 4、太赫茲波與微波相比，頻率更高，在作為通信載體時，單位時間內可以承載更多 的信息。
[0008] 5、由于太赫茲波的波長更短，他的發(fā)射方向性要好于微波。
[0009] 6、在成像應用中，太赫茲波具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率 時具有更長的景深。
[0010] 目前世界上只有美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute， RPI)、美國國家航空航天管理局(NASA)和我國首都師范大學物理系的太赫茲波普和成像實 驗室擁有并將太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)投入使用。他們實現太赫茲連續(xù)波二維成像采用 的方法成本較高、結構復雜且成像分辨率受限制條件較多。
[0011]目前利用矢量網絡分析儀和太赫茲時域光譜分析系統(tǒng)都可以實現太赫茲波的二 維成像，但是太赫茲時域光譜分析系統(tǒng)探測被測物體的發(fā)射模塊的發(fā)射功率只有幾毫瓦， 矢量網絡分析儀探測被測物體的發(fā)射模塊的發(fā)射功率也只有幾十毫瓦，這就會限制太赫茲 波二維成像的分辨率。
[0012] 因此，需要一種發(fā)射模塊發(fā)射功率較高、價格較低、結構簡單和分辨率更高的太赫 茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0013] 本發(fā)明的目的在于提供一種以大功率太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊為核心的結構簡單、 分辨率高、成本較低的太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)。
[0014] 本發(fā)明包括有：
[0015] 收發(fā)共用天線，用于向被測對象的被測表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號并接收從 被測對象的被測表面返回的回波信號；
[0016] 二維掃描平臺，用于在二維平面上固定并移動被測對象；
[0017]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊，用于生成發(fā)送給被測對象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號；
[0018] 太赫茲連續(xù)波接收模塊，用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波 信號；
[0019] TPX透鏡，包括TPX透鏡I和TPX透鏡Π ，用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊發(fā)射的太赫 茲連續(xù)波先經過TPX透鏡I變成平行的，再經過TPX透鏡Π會聚至被測對象的被測表面;或者 用于將被測對象的被測表面反射的太赫茲連續(xù)波先經過TPX透鏡Π變成平行的，再經過TPX 透鏡I會聚至所述收發(fā)共用天線；
[0020] 數據采集和處理模塊，用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信號 以生成被測對象的被測表面的二維圖像；
[0021] 圖像處理模塊，用于進一步處理數據采集和處理模塊生成的二維圖像以使圖像更 加清晰；
[0022] 圖像顯示單元，用于顯示由圖像處理模塊生成的二維圖像。
[0023]收發(fā)共用天線將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的發(fā)射信號發(fā)射至TPX透鏡I，將太赫 茲連續(xù)波變成平行的；進一步地，太赫茲波通過TPX透鏡Π，將太赫茲連續(xù)波會聚至帶有裂 隙的被測對象的被測表面。
[0024] 所述的TPX透鏡I與TPX透鏡Π之間的距離小于TPX透鏡的焦距。TPX透鏡I與TPX透 鏡Π相同，TPX透鏡I與TPX透鏡Π相對放置。
[0025] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊包括第一信號源、第一功率放大器、第一二倍頻器、第二二 倍頻器、可調衰減器、隔離器和定向耦合器，太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊用于生成發(fā)送給被測對 象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號。
[0026]具體來說，第一信號源是工作頻率為27.5GHz的點頻信號源，可以表示為：
[0027] ^ = 4 COs(2.2-_/Ji + φχ) (1 )
[0028] 其中，Α!表示為初始幅值，fi為頻率27.5GHz，t為時間，妁為第一信號源的初始相位 值。
[0029] 第二功率放大器對第一信號源的功率進行放大以達到第一二倍頻器的安全功率 輸入范圍，經過第一二倍頻器后信號的頻率達到55GHz，進一步經過第二二倍頻器后信號的 頻率達到110GHz。第一二倍頻器和第二二倍頻器都是有源器件，發(fā)射信號的大功率主要是 由這兩個二倍頻器的轉化效率高決定的（選用第一二倍頻器為VDI公司型號為D60的高功率 窄帶倍頻器，在55GHz頻點處的轉換效率為30%以上；第二二倍頻器為VDI公司型號為D110 的高功率窄帶倍頻器，在110GHz頻點處的轉換效率為25% )。
[0030]第二二倍頻器將二倍頻后的信號輸出至可調衰減器;可調衰減器將第二二倍頻器 的輸出功率通過調節(jié)可調衰減器的旋鈕實現不同程度的降低，并將可調衰減器的輸出信號 輸出至隔離器;隔離器將定向耦合器的直通端返回的回波信號隔離以防止回波信號輸入至 所述可調衰減器，可調衰減器的輸出端連接至隔離器的輸入端，隔離器的輸出端連接至定 向親合器的輸入端;定向親合器將可調衰減器的直通端連接至定向親合器的輸入端，將定 向耦合器的直通端連接至收發(fā)共用天線;最終經收發(fā)共用天線發(fā)送出去。收發(fā)共用天線的 發(fā)射信號可表不為：
[0031 ] 5, ' = /1, ' (:2 )
[0032] 其中，A/是發(fā)射信號的幅值。
[0033] 太赫茲連續(xù)波接收模塊包括第二信號源、第二功率放大器、衰減器、第三二倍頻 器、次諧波混頻器、帶通濾波器、低噪聲放大器和檢波器，太赫茲連續(xù)波接收模塊用于接收 和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波信號。
[0034] 具體來說，第二信號源是工作頻率為27.475GHz的點頻信號源，可以表示為：
[0035] S2 = Α? €〇α(2π/^? + φ2) (3 )
[0036] 其中，Α2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時間，灼為第二信號源的初始 相位值。
[0037] 第二功率放大器對第二信號源的功率進行放大，進一步地衰減器將第二功率放大 器的輸出信號的功率略衰減以達到第三二倍頻器的安全功率輸入范圍；第三二倍頻器將衰 減器輸出的信號進行二倍頻至54.95GHz，并將二倍頻后的信號輸出至次諧波混頻器本振 端;次諧波混頻器將定向耦合器的耦合端連接至次諧波混頻器的射頻端，此時本振端的信 號頻率為109.9GHz，射頻端的信號頻率為110GHz。次諧波混頻器本振端的信號可表示為
[0038] S2' = Α? ' cos(8^/2f + Αψ?) ( 4)
[0039] 其中，Α/是本振端信號的幅值。次諧波混頻射頻端的信號可表示為：
[0040] 5," = Ax "cos(8^· /,7 -f 4^9,') (5)
[0041] 其中，，Ai〃是射頻端信號的幅值，奶/是射頻端信號的初始相位值。次諧波混頻器 的中頻輸出信號可表不為：
[0043]次諧波混頻器的中頻輸出端連接至帶通濾波器的輸入端;帶通濾波器的中心頻率 為100MHz，將次諧波混頻器的中頻輸出信號中100MHz以外的雜波濾除，帶通濾波器314的輸 出信號可表不為：
[0045]帶通濾波器的輸出端連接至低噪聲放大器;將帶通濾波器的輸出信號的噪聲降低 并功率放大以提高100MHz中頻信號的輸出功率，低噪聲放大器的輸出信號可表示為：
[0047]其中，K是低噪聲放大器的放大系數，是信號變化的相位值。低噪聲放大器能夠 使經過兩次下變頻的微弱中頻信號進行放大，提高了輸出信號的信噪比、探測靈敏度，然后 使用檢波器將低噪聲放大器的輸出信號由交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，并將其輸出信號被送?數據采集和處理模塊。
[0048]數據采集和處理模塊首先采集回波信號，再將回波信號進行數據二維重排，然后 進行均值濾波。圖像處理模塊先實現直方圖均衡化，再使對比度伸展，然后進行邊緣檢測和 邊緣銳化，最終得到二維圖像。
[0049]數據采集和處理模塊后生成第一圖像，圖像處理模塊中直方圖均衡化生成第二圖 像，進一步通過對比度伸展生成第三圖像，進一步通過邊緣檢測生成第四圖像，最后通過邊 緣銳化生成第五圖像。
[0050]利用上述大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)對被測對象的成像過程包括以下步 驟：
[0051 ]二維掃描平臺移動被測對象；
[0052]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊和收發(fā)共用天線掃描被測對象；
[0053]太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊生成發(fā)射信號；
[0054] 收發(fā)共用天線將發(fā)射信號發(fā)射給被測對象；
[0055] 收發(fā)共用天線接收被測對象表面返回的回波信號并將回波信號發(fā)送給太赫茲連 續(xù)波接收模塊；
[0056]太赫茲連續(xù)波接收模塊對回波信號進行處理并發(fā)送給數據采集和圖像處理模塊； [0057]數據采集和處理模塊對來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號進行處理以生成被測 對象的二維成像；
[0058]圖像處理模塊，用于進一步處理數據采集和處理模塊生成的二維圖像以使圖像更 加清晰；
[0059]圖像顯示單元顯示由圖像處理模塊生成的二維圖像。
[0060] 本發(fā)明的有益效果：
[0061] (1)成本較低:本發(fā)明利用電子器件而不采用光學元件（除ΤΡΧ透鏡），大大降低了 系統(tǒng)的成本。
[0062] (2)結構簡單，易集成:本發(fā)明采用的功率放大器、倍頻器和耦合器等器件體積小 且系統(tǒng)的電路結構簡單，相比之前利用斬波器等器件的成像系統(tǒng)復雜度低。
[0063] (3)太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊功率大：太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的功率值在200mW左 右。
[0064] (4)成像分辨率高:本發(fā)明采用倍頻方式獲得110GHz的頻率，使用的倍頻器為轉換 效率高的有源器件，這大大提高了太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊的發(fā)射功率，從而成像分辨率能 達到2mm左右。
[0065] (5)成像速度快:本發(fā)明采用太赫茲連續(xù)波成像，不需要像太赫茲脈沖成像一樣考 慮深度和頻譜的信息，在成像算法方面也更簡單，這大大提高了成像速度。
[0066] (6)傳輸距離遠:本發(fā)明由太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊發(fā)射的太赫茲連續(xù)波信號在空 氣中的傳輸距離能達到近百米。
[0067] (7)信噪比高：系統(tǒng)采用主動式太赫茲成像，通過控制各個器件的輸出功率范圍來 提高天線的發(fā)射功率，當然，發(fā)射功率在安全輻射范圍之內，使得回波信號信噪比遠遠高于 被動式太赫茲成像系統(tǒng)接收信號的信噪比，進而獲得更高的成像質量。
[0068] (8)用途廣泛:利用大功率太赫茲連續(xù)波二維成像技術高分辨率及結構簡單等優(yōu) 點，可以進行各類大型儀器外層損傷的檢測，也適用于違禁品的檢測。
【附圖說明】
[0069]圖1是本發(fā)明的組成框圖。
[0070]圖2是本發(fā)明的結構示意圖。
[0071]圖3是本發(fā)明的發(fā)射模塊和接收模塊的電路圖。
[0072]圖4是本發(fā)明的數據采集和處理模塊與圖像處理模塊中進行的二維成像算法的流 程圖。
[0073]圖5是本發(fā)明的的數據采集和處理模塊與圖像處理模塊成像效果的對比圖。
[0074] 圖6是本發(fā)明的成像過程的流程圖。
【具體實施方式】
[0075] 太赫茲成像系統(tǒng)主要分為太赫茲脈沖成像和太赫茲連續(xù)波成像。太赫茲脈沖成像 的基本原理是:從樣品反射的太赫茲電磁波的強度和相位包含了樣品的復介電常數的空間 分布信息。將反射太赫茲電磁波的強度和相位的二維信息記錄下來，并經過適當的處理和 分析得到樣品的太赫茲圖像。太赫茲連續(xù)波成像的基本原理是:連續(xù)波源提供比脈沖源更 高的輻射強度，其實質是一種強度成像。在對物體成像時，根據物體內部的缺陷或損傷的邊 緣對太赫茲光的散射效應，從而會影響太赫茲波電磁場的強度分布，反映到物體的太赫茲 波圖像上顯示為明暗即強度的不同，據此可推出物體內部的形狀、缺陷或損傷位置。因此， 在無需深度和頻譜信息的情況下，采用太赫茲連續(xù)波成像技術，可以提高太赫茲波成像的 速度并降低成像系統(tǒng)的復雜度。
[0076]如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括有：
[0077] 收發(fā)共用天線11，用于向被測對象17的被測表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號并接 收從被測對象17的被測表面返回的回波信號；
[0078] 二維掃描平臺18,用于在二維平面上固定并移動被測對象17;
[0079] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10,用于生成發(fā)送給被測對象17的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信 號；
[0080] 太赫茲連續(xù)波接收模塊12,用于接收和處理來自收發(fā)共用天線11的太赫茲連續(xù)波 回波信號；
[0081 ] TPX透鏡16,包括TPX透鏡125和TPX透鏡Π 26,用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10發(fā) 射的太赫茲連續(xù)波先經過TPX透鏡125變成平行的，再經過TPX透鏡Π 26會聚至被測對象17 的被測表面;或者用于將被測對象17的被測表面反射的太赫茲連續(xù)波先經過TPX透鏡Π 26 變成平行的，再經過TPX透鏡125會聚至所述收發(fā)共用天線11;
[0082]數據采集和處理模塊13,用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信 號以生成被測對象17的被測表面23的二維圖像；
[0083]圖像處理模塊14,用于進一步處理數據采集和處理模塊13生成的二維圖像以使圖 像更加清晰；
[0084]圖像顯示單元15,用于顯示由圖像處理模塊14生成的二維圖像。
[0085]如圖2所示，收發(fā)共用天線11將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10的發(fā)射信號發(fā)射至 TPX透鏡125，將太赫茲連續(xù)波變成平行的；進一步地，太赫茲波通過TPX透鏡Π 26，將太赫茲 連續(xù)波會聚至帶有裂隙24的被測對象17的被測表面23。
[0086] 所述的TPX透鏡125與TPX透鏡Π 26之間的距離小于TPX透鏡16的焦距。TPX透鏡125 與TPX透鏡Π 26相同，TPX透鏡125與TPX透鏡Π 26相對放置。
[0087]如圖3所示，太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊10包括第一信號源301、第一功率放大器302、 第一二倍頻器303、第二二倍頻器304、可調衰減器305、隔離器306和定向耦合器307,太赫茲 連續(xù)波發(fā)射模塊10用于生成發(fā)送給被測對象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號。
[0088]具體來說，第一信號源301是工作頻率為27.5GHz的點頻信號源，可以表示為：
[0089] 5, == A, cos( + φλ) ( 1 )
[0090] 其中，Α!表示為初始幅值，fi為頻率27.5GHz，t為時間，灼為第一信號源301的初始 相位值。
[0091] 第二功率放大器302對第一信號源301的功率進行放大以達到第一二倍頻器303的 安全功率輸入范圍，經過第一二倍頻器303后信號的頻率達到55GHz，進一步經過第二二倍 頻器304后信號的頻率達到110GHz。第一二倍頻器303和第二二倍頻器304都是有源器件，發(fā) 射信號的大功率主要是由這兩個二倍頻器的轉化效率高決定的（選用第一二倍頻器303為 VDI公司型號為D60的高功率窄帶倍頻器，在55GHz頻點處的轉換效率為30%以上;第二二倍 頻器304為VDI公司型號為D110的高功率窄帶倍頻器，在110GHz頻點處的轉換效率為25%)。 [0092] 第二二倍頻器304將二倍頻后的信號輸出至可調衰減器305;可調衰減器305將第 二二倍頻器304的輸出功率通過調節(jié)可調衰減器305的旋鈕實現不同程度的降低，并將可調 衰減器305的輸出信號輸出至隔離器306;隔離器306將定向耦合器307的直通端返回的回波 信號隔離以防止回波信號輸入至所述可調衰減器305,可調衰減器305的輸出端連接至隔離 器306的輸入端，隔離器306的輸出端連接至定向耦合器307的輸入端;定向耦合器307將可 調衰減器305的直通端連接至定向耦合器307的輸入端，將定向耦合器307的直通端連接至 收發(fā)共用天線11;最終經收發(fā)共用天線11發(fā)送出去。收發(fā)共用天線11的發(fā)射信號可表示為： [0093]將定向耦合器307的直通端連接至所述收發(fā)共用天線；最終經收發(fā)共用天線發(fā)送 出去。收發(fā)共用天線的發(fā)射信號可表示為：
[0094] 高二 4 ' (:⑵⑴疋,/;/1 + 4奶） （:2 ):
[0095] 其中，A/是發(fā)射信號的幅值。
[0096]進一步地如圖3所示，太赫茲連續(xù)波接收模塊12包括第二信號源309、第二功率放 大器310、衰減器311、第三二倍頻器312、次諧波混頻器313、帶通濾波器314、低噪聲放大器 315和檢波器316,太赫茲連續(xù)波接收模塊12用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連 續(xù)波回波信號。
[0097]具體來說，第二信號源309是工作頻率為27.475GHz的點頻信號源，可以表示為：
[0098] S, = A； cos(2;r+ φ.) (3 )
[0099] 其中，A2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時間，妁為第二信號源309的初 始相位值。
[0100] 第二功率放大器310對第二信號源309的功率進行放大，進一步地衰減器311將第 二功率放大器310的輸出信號的功率略衰減以達到第三二倍頻器312的安全功率輸入范圍； 第三二倍頻器312將衰減器311輸出的信號進行二倍頻至54.95GHz，并將二倍頻后的信號輸 出至次諧波混頻器313本振端;次諧波混頻器313將定向耦合器307的耦合端連接至次諧波 混頻器313的射頻端，此時本振端的信號頻率為109.9GHz，射頻端的信號頻率為110GHz。次 諧波混頻器313本振端的信號可表示為
[0101 ] 5,' = A2 'cos(8/t// + Λφ:.) (4 )
[0102] 其中，A/是本振端信號的幅值。次諧波混頻313射頻端的信號可表示為：
[0103] S^=A: "costM/Z + M') (5)
[0104] 其中，，心〃是射頻端信號的幅值，是射頻端信號的初始相位值。次諧
[0105] 波混頻器313的中頻輸出信號可表示為：
[0107] 次諧波混頻器313的中頻輸出端連接至帶通濾波器314的輸入端；帶通濾波器314 的中心頻率為100MHz，將次諧波混頻器313的中頻輸出信號中100MHz以外的雜波濾除，帶通 濾波器314的輸出信號可表不為：
[0109] 帶通濾波器314的輸出端連接至低噪聲放大器315;將帶通濾波器314的輸出信號 的噪聲降低并功率放大以提高100MHz中頻信號的輸出功率，低噪聲放大器315的輸出信號 可表示為：
[0111]其中，K是低噪聲放大器的放大系數，是信號變化的相位值。低噪聲放大器315 能夠使經過兩次下變頻的微弱中頻信號進行放大，提高了輸出信號的信噪比、探測靈敏度， 然后使用檢波器316將低噪聲放大器315的輸出信號由交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，并將其輸?信號被送入數據采集和處理模塊。
[0112]如圖4所示，數據采集和處理模塊13首先采集回波信號401，再將回波信號進行數 據二維重排402，然后進行均值濾波403。圖像處理模塊14先實現直方圖均衡化404，再使對 比度伸展405,然后進行邊緣檢測406和邊緣銳化407,最終得到二維圖像408。
[0113]如圖5所示，數據采集和處理模塊13后生成第一圖像501，圖像處理模塊14中直方 圖均衡化生成第二圖像502,進一步通過對比度伸展生成第三圖像503,進一步通過邊緣檢 測生成第四圖像504,最后通過邊緣銳化生成第五圖像505。
[0114]如圖6所示，利用上述大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)對被測對象的成像過程 包括以下步驟：
[0115] 二維掃描平臺18移動被測對象17;
[0116] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊12和收發(fā)共用天線11掃描被測對象；
[0117] 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊12生成發(fā)射信號；
[0118] 收發(fā)共用天線11將發(fā)射信號發(fā)射給被測對象17;
[0119] 收發(fā)共用天線11接收被測對象17表面返回的回波信號并將回波信號發(fā)送給太赫 茲連續(xù)波接收模塊12;
[0120]太赫茲連續(xù)波接收模塊12對回波信號進行處理并發(fā)送給數據采集和圖像處理模 塊13;
[0121]數據采集和處理模塊13對來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號進行處理以生成被 測對象17的二維成像；
[0122] 圖像處理模塊14,用于進一步處理數據采集和處理模塊13生成的二維圖像以使圖 像更加清晰；
[0123] 圖像顯示單元15顯示由圖像處理模塊14生成的二維圖像。
【主權項】
1. 一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:包括有： 收發(fā)共用天線（11)，用于向被測對象（17)的被測表面發(fā)送太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號并接 收從被測對象(17)的被測表面返回的回波信號； 二維掃描平臺（18)，用于在二維平面上固定并移動被測對象（17); 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊（10)，用于生成發(fā)送給被測對象（17)的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信 號； 太赫茲連續(xù)波接收模塊（12)，用于接收和處理來自收發(fā)共用天線（11)的太赫茲連續(xù)波 回波信號； TPX透鏡（16)，包括TPX透鏡I (25)和TPX透鏡Π (26)，用于將太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊 (10)發(fā)射的太赫茲連續(xù)波先經過TPX透鏡I (25)變成平行的，再經過TPX透鏡Π (26)會聚至 被測對象（17)的被測表面;或者用于將被測對象（17)的被測表面反射的太赫茲連續(xù)波先經 過TPX透鏡Π (26)變成平行的，再經過TPX透鏡I (25)會聚至所述收發(fā)共用天線（11); 數據采集和處理模塊（13)，用于采集和處理從太赫茲連續(xù)波接收模塊輸出的回波信號 以生成被測對象(17)的被測表面(23)的二維圖像； 圖像處理模塊（14)，用于進一步處理數據采集和處理模塊（13)生成的二維圖像以使圖 像更加清晰； 圖像顯示單元（15)，用于顯示由圖像處理模塊（14)生成的二維圖像。2. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述收 發(fā)共用天線（11)將來自太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(10)的發(fā)射信號發(fā)射至TPX透鏡1(25)，將太 赫茲連續(xù)波變成平行的；太赫茲波通過TPX透鏡Π (26)，將太赫茲連續(xù)波會聚至帶有裂隙 (24)的被測對象(17)的被測表面(23)。3. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的 TPX透鏡I (25)與TPX透鏡Π (26)之間的距離小于TPX透鏡（16)的焦距;所述TPX透鏡I (25)與 TPX透鏡Π (26)相對放置。4. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述的 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊（10)包括第一信號源(301)、第一功率放大器(302)、第一二倍頻器 (303)、第二二倍頻器(304)、可調衰減器(305)、隔離器(306)和定向耦合器(307)，太赫茲連 續(xù)波發(fā)射模塊(10)用于生成發(fā)送給被測對象的太赫茲連續(xù)波發(fā)射信號。5. 根據權利要求4所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于： 第一信號源(301)是工作頻率為27.5GHz的點頻信號源，可以表示為：C1) 其中，Ai表示為初始幅值，h為頻率27.5GHz，t為時間，抝為第一信號源(301)的初始相 位值； 第二功率放大器(302)對第一信號源(301)的功率進行放大以達到第一二倍頻器(303) 的安全功率輸入范圍，經過第一二倍頻器(303)后信號的頻率達到55GHz，進一步經過第二 二倍頻器(304)后信號的頻率達到110GHz;第一二倍頻器(303)和第二二倍頻器(304)都是 有源器件，發(fā)射信號的大功率主要是由這兩個二倍頻器的轉化效率高決定的； 第二二倍頻器(304)將二倍頻后的信號輸出至可調衰減器（305);可調衰減器(305)將 第二二倍頻器(304)的輸出功率通過調節(jié)可調衰減器(305)的旋鈕實現不同程度的降低，并 將可調衰減器(305)的輸出信號輸出至隔離器(306);隔離器(306)將定向耦合器(307)的直 通端返回的回波信號隔離以防止回波信號輸入至所述可調衰減器(305)，可調衰減器(305) 的輸出端連接至隔離器(306)的輸入端，隔離器(306)的輸出端連接至定向耦合器(307)的 輸入端;定向耦合器(307)將可調衰減器(305)的直通端連接至定向耦合器(307)的輸入端， 將定向耦合器(307)的直通端連接至收發(fā)共用天線（11);最終經收發(fā)共用天線（11)發(fā)送出 去;收發(fā)共用天線（11)的發(fā)射信號可表示為： 將定向耦合器(307)的直通端連接至所述收發(fā)共用天線；最終經收發(fā)共用天線發(fā)送出 去;收發(fā)共用天線的發(fā)射信號可表示為：(2) 其中，A/是發(fā)射信號的幅值。6. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:太赫茲 連續(xù)波接收模塊（12)包括第二信號源(309)、第二功率放大器(310)、衰減器(311)、第三二 倍頻器(312)、次諧波混頻器(313)、帶通濾波器(314)、低噪聲放大器(315)和檢波器(316)， 太赫茲連續(xù)波接收模塊(12)用于接收和處理來自收發(fā)共用天線的太赫茲連續(xù)波回波信號。7. 根據權利要求6所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于： 所述第二信號源(309)是工作頻率為27.475GHz的點頻信號源，可以表示為：(3) 其中，A2表示為初始幅值，f2為頻率27.475GHz，t為時間，灼為第二信號源（309)的初始 相位值； 第二功率放大器(310)對第二信號源(309)的功率進行放大，進一步地衰減器(311)將 第二功率放大器(310)的輸出信號的功率略衰減以達到第三二倍頻器(312)的安全功率輸 入范圍；第三二倍頻器(312)將衰減器(311)輸出的信號進行二倍頻至54.95GHz，并將二倍 頻后的信號輸出至次諧波混頻器(313)本振端;次諧波混頻器(313)將定向耦合器(307)的 耦合端連接至次諧波混頻器(313)的射頻端，此時本振端的信號頻率為109.9GHz，射頻端的 信號頻率為110GHz;次諧波混頻器(313)本振端的信號可表示為(4) 其中，A/是本振端信號的幅值;次諧波混頻(313)射頻端的信號可表示為：(5) 其中，A〃是射頻端信號的幅值，例'是射頻端信號的初始相位值;次諧 波混頻器(313)的中頻輸出信號可表示為：(6) 次諧波混頻器（313)的中頻輸出端連接至帶通濾波器（314)的輸入端；帶通濾波器 (314)的中心頻率為100MHz，將次諧波混頻器(313)的中頻輸出信號中100MHz以外的雜波濾 除，帶通濾波器(314)的輸出信號可表示為： (7) 帶通濾波器(314)的輸出端連接至低噪聲放大器(315);將帶通濾波器(314)的輸出信 號的噪聲降低并功率放大以提高1 OOMHz中頻信號的輸出功率，低噪聲放大器(315)的輸出 信號可表不為：(8) 其中，K是低噪聲放大器的放大系數，是信號變化的相位值;低噪聲放大器(315)能 夠使經過兩次下變頻的微弱中頻信號進行放大，提高了輸出信號的信噪比、探測靈敏度，然 后使用檢波器(316)將低噪聲放大器(315)的輸出信號由交流信號變?yōu)橹绷餍盘?，并將其?出信號被送入數據采集和處理模塊。8. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述數 據采集和處理模塊（13)首先采集回波信號(401)，再將回波信號進行數據二維重排(402)， 然后進行均值濾波(403);圖像處理模塊（14)先實現直方圖均衡化(404)，再使對比度伸展 (405)，然后進行邊緣檢測(406)和邊緣銳化(407)，最終得到二維圖像(408)。9. 根據權利要求1所述的一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)，其特征在于:所述數 據采集和處理模塊（13)后生成第一圖像(501)，圖像處理模塊（14)中直方圖均衡化生成第 二圖像(502)，進一步通過對比度伸展生成第三圖像(503)，進一步通過邊緣檢測生成第四 圖像(504)，最后通過邊緣銳化生成第五圖像(505)。 (10)、權利要求1所述一種大功率太赫茲連續(xù)波二維成像系統(tǒng)的成像過程包括以下步 驟： 二維掃描平臺（18)移動被測對象（17); 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(12)和收發(fā)共用天線（11)掃描被測對象； 太赫茲連續(xù)波發(fā)射模塊(12)生成發(fā)射信號； 收發(fā)共用天線(11)將發(fā)射信號發(fā)射給被測對象(17); 收發(fā)共用天線（11)接收被測對象（17)表面返回的回波信號并將回波信號發(fā)送給太赫 茲連續(xù)波接收模塊(12); 太赫茲連續(xù)波接收模塊（12)對回波信號進行處理并發(fā)送給數據采集和圖像處理模塊 (13)； 數據采集和處理模塊（13)對來自太赫茲連續(xù)波接收模塊的信號進行處理以生成被測 對象(17)的二維成像； 圖像處理模塊（14)，用于進一步處理數據采集和處理模塊（13)生成的二維圖像以使圖 像更加清晰； 圖像顯示單元（15)顯示由圖像處理模塊（14)生成的二維圖像。
【文檔編號】G01S13/89GK105866773SQ201610322075
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】張曉璇, 崔洪亮, 常天英, 賈成艷, 樊偉, 耿國帥
【申請人】吉林大學